淺談運行期水庫大壩變形監測系統的常見問題與改進措施

閆 鵬

（遼寧省葠窩水庫管理局有限責任公司，遼寧 遼陽 111000）

近年來，隨著水利工程發展規模的不斷擴大，國家對工程質量的要求逐漸提高。為預防大壩變形，工程通常采用變形監測系統對水庫的運行期參數進行觀察。但就目前的情況來看，由系統設計不合理、參數分析不精確等因素所導致的大壩變形問題仍較為常見，及時彌補系統缺陷已迫不及待。因而，對運行期水庫大壩變形監測系統的常見問題進行分析探討成為當前促進系統優化的首要工作。

1 運行期水庫大壩變形監測系統

運行期水庫大壩變形監測系統包括人工監測系統、自動化監測系統兩種。由于自動化監測系統具有效率高、便利性強的優勢，已基本在國內水庫大壩變形監測過程中得到普遍應用。自動化監測系統包括“傳感器監測系統”、“全站儀TPS監測系統”、“GPS變形監測系統”等多種形式。以“GPS變形監測系統”為例，該系統由GPS衛星、地面基準站等部分構成[1]。GPS衛星可連續采集運行期水庫大壩的各項指標，隨即通過網絡將數據傳輸至基準站的數據庫中，得到觀測點的三維坐標，根據三維坐標觀測結果判斷當前的大壩是否存在變形問題。

2 運行期水庫大壩變形監測系統常見問題

2.1 系統設計不合理

系統設計不合理是運行期水庫大壩變形監測系統的常見問題之一。對基準網的設計是變形監測系統設計的主要內容，具體設計內容以“點位選擇”、“點位埋設”、“數據處理”、“誤差控制”等為主[2]。以點位選擇為例，因設計人員對水庫周邊人文環境考慮不周，目前，水庫大壩變形觀測點位處于高邊坡、公路旁的問題時有發生。采用上述設計方式極容易導致系統被人為破壞，對系統性能發揮產生不利影響。

2.2 參數分析不精確

參數分析不精確的問題在運行期水庫大壩變形監測系統中同樣顯著存在，具體體現在“參數計算不準確”、“監測結果分析欠科學”兩方面。以監測結果的分析為例，影響運行期水庫大壩變形的因素以壩體撓度、雙曲拱壩變形體態、裂縫、滑坡等為主[3]。為及時發現大壩變形的風險，需通過回歸分析等方式對上述參數的監測結果進行分析，及時發現異常，及時制定相應的方案，對大壩變形進行預防。

3 運行期水庫大壩變形監測系統改進措施

3.1 優化系統設計方案

3.1.1 平面位移監測設計

平面位移基準網設計過程中可將點位分為“基準點”、“工作點”兩種，前者可采用A1～An的方式表示，后者則可采用C1～Cn的方式表示。為避免土層滑動導致基準點位置發生變化，基準點基礎應開挖至基巖部分（深度6 m～9 m）。埋設過程中，應采用C20混凝土及螺紋鋼予以澆筑。混凝土具體參數見表1。

表1 平面位移基準網點位埋設參數

變形監測過程中可采用LeicaDNA03全站儀對數據進行測量。以水平角的監測為例，監測采用全圓觀測法，通過15個測回測量水平角。

3.1.2 垂直位移監測設計

垂直位移基準網設計過程中可將點位分為“廊道水準點”（采用LS01～LSn表示）、高程控制網點（采用2-01～2-n表示）、金屬標（采用BG01～BGn表示）。監測過程中應用不同儀器測量易導致系統參數出現誤差。因此，建議采用統一型號的儀器對相關數據進行監測。例如，可統一采用LeicaDNA03電子水準儀進行觀測，將誤差控制在±0.3 mm/km的范圍內，以獲得準確的監測參數。監測過程中建議選取3個基準點作為測量點，取其平均值作為測量結果，以提高系統的監測性能。

3.1.3 變形監測點選擇

壩體與壩基的變形點選擇是否具有代表性，是決定監測結果能否反映運行期水庫大壩質量的主要因素，可采用以下方法對監測點進行選擇：（1）壩體。首先采用GPS、激光等手段對不同監測點進行測量。在此基礎上，選出具有代表性的各個點位，觀察點位是否與垂線壩段重合。其次，以水庫當地的地質條件為參考，確定最終的觀測點，對壩體的變形及撓度進行監測。（2）壩基。壩基變形一般表現為巖體松弛，將監測點設置在拉力及壓力最高的區域，以及時發現受壓及受拉變形，為壩基穩定性的提高提供保證。

3.2 提高系統數據計算及分析精度

3.2.1 系統數據計算

對平差的計算是系統數據計算的要點，需通過“模型誤差判斷”“、自由網平差模型的建立”“、平差結果輸出”三大流程完成計算過程，具體如下：（1）誤差判斷。首先將統計檢驗模型應用到計算過程中對數據的誤差進行計算。如誤差處于要求范圍內，則可建立平差模型。（2）建立模型。以A1為起點，A1～An的重心為基準，建立秩虧自由網平差模型。（3）平差結果輸出。模型建立完成后，輸出“邊長”、“方向”、“測角”、“測距”等指標的數值，觀察數據的靈敏度、可靠性，以提高數據計算結果的準確性。

3.2.2 基準網觀測結果分析

獲得參數計算結果后，有關人員應利用變形監測系統，生成基準網方向觀測圖。以觀測圖為基礎，分析觀測結果。觀測圖中，通常包括X及Y兩大方向，點位眾多。生成圖像后，需首先明確待分析的點位，繼而對該點位X方向的坐標差值、Y方向的坐標差值進行計算。如點位坐標差值＜±2.0mm，則表明該點位變形情況不會對大壩的安全性造成影響，反之則否。

經過計算發現，該工程A1點X方向坐標差值（△X）為-0.95，△Y=-0.38；C1點位△X=-0.10，△Y=0.75；G1點位△X=-0.20，△Y=0.83。分析結果顯示，G1點位坐標差值最大，但小于±2.0 mm，表明該點位變形情況不會對大壩的安全性造成影響。

3.2.3 壩體參數監測結果分析

壩體變形、壩體撓度、雙曲拱壩變形體態為壩體參數的三項代表。以壩體撓度為例，應設置不同的垂線裝置，對撓度進行測試。根據測試結果觀察水庫的水位與壩體變形的關系。如水庫水位較低，受本身重力的影響，壩體極容易沿河向發生撓度變形，導致壩體向上游傾斜；反之，隨著水庫水位的上升，壩體變形可逐漸改善。如水位過高，則易向下游傾斜。如傾斜量無異常，則表明壩體變形處于安全的范圍內，反之，則應及時處理。

4 結語

隨著水利水電建設行業的不斷發展，大批水庫電站投入到運行管理階段。為了確保水庫能夠安全有效地運行，為國民經濟發展提供保障，水庫大壩變形監測工程受到廣泛關注。運行期水庫大壩變形監測系統能夠詳細、準確的實現對平面位移、垂直位移的監測，通過對相關參數的計算，可以及時明確壩體變形參數及撓度發展趨勢，為評估水庫大壩的穩定性提供有力支撐。