巴基斯坦卡洛特水電站安全監測及 自動化監測系統設計

丁林 杜澤快 彭紹才

摘要：根據巴基斯坦卡洛特水電站地質條件和結構特點，考慮水電站在施工期、蓄水期和運行期對安全監測系統自動化的需求，在工程安全監測設計時，合理選擇監測部位，有針對性地布設各類監測儀器，以監控各建筑物在全生命周期的安全狀況，為評價建筑物的穩定性和安全度提供數據支撐。卡洛特水電站安全監測設計以變形和滲流為監測重點，組建了一套完善高效的安全監測及自動化監測系統，可有效監控工程的安全，是工程安全施工和動態設計的重要保證。

關鍵詞：安全監測系統;監測設計;自動化監測系統設計;變形;滲流;卡洛特水電站;巴基斯坦

中圖法分類號：TV698文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.03.014

1 工程背景

卡洛特水電站位于巴基斯坦旁遮普省卡洛特區域，是吉拉姆河流域水電規劃項目的第四級。該電站工程由瀝青混凝土心墻堆石壩、泄洪沖沙建筑物、引水發電建筑物、導流建筑物等組成，其中瀝青混凝土心墻堆石壩最大壩高95.5 m。

該工程規模大，設計施工技術復雜，且自動化程度要求高。在安全監測設計中，需要考慮監測建筑物及建筑物的基礎，依照2個層次選擇重點監測部位和一般監測部位，有針對性地選擇和布設監測設施。同時，應結合目前監測技術發展情況，通過可靠且先進的監測儀器和監測方法，準確地獲取建筑物及基礎的監測數據，為分析和評價建筑物安全性態和制定處理決策提供依據。

2監測設計原則

根據卡洛特水電站樞紐布置、地質條件、結構特點和施工安排，確定安全監測系統以“全面兼顧、重點突出、統一規劃，逐步實施”為設計原則。監測項目以一種監測手段為主，同時通過其他手段互相校驗，監測設計需要兼顧施工期的臨時監測和永久監測，做到儀器監測與人工巡視檢查相結合，人工采集與自動化監測系統相結合[1-2]。

根據工程結構特點和地質條件，選取具有代表性的斷面作為重點監測部位。在重點監測部位，集中布置監測儀器，監測項目應考慮齊全。一般部位只需監測重要的物理量（變形或滲流），少量且合理布設測點，從而掌握工程整體性態或施工過程中出現的各種狀況。主要監測項目為變形和滲流，并輔以應力應變監測。

3 監測斷面的選擇

為做好卡洛特水電站工程安全監測工作，快速準確地量化敏感部位的工作狀態，宏觀且全面地掌握整個工程的運行狀況，將監測部位劃分為2個層次：重點部位（斷面）、一般部位（斷面）。根據各建筑物布置情況、地質條件及結構特點，選擇下列部位作為工程的重點監測部位：瀝青混凝土心墻堆石壩最大壩高斷面及左右側約80 m間隔監測斷面、溢洪控制段3號壩段、溢洪控制段8號壩段、2號引水發電系統、4號引水發電系統、溢洪道左右岸邊坡、電站進出口邊坡、導流洞進出口邊坡、2號導流洞。一般監測部位是重要監測部位的延伸和補充，是為了從整體了解建筑物的工作狀態，或施工過程中的新情況，或用來驗證設計中的關鍵研究項目，而布置監測項目和測點的零散監測部位。

4 主要監測項目

卡洛特水電站為大Ⅱ等大（2）型工程，大壩、泄水建筑物、電站引水及尾水系統、電站廠房等主要永久性水工建筑物為2級建筑物，按照DL/T5259-2010《土石壩安全監測技術規范》等監測規范的要求，選定各主要建筑物監測項目如下。

（1） 瀝青混凝土心墻壩。主要監測大壩表面變形、壩體內部變形、心墻與填筑料間的錯動、心墻撓度變形、大壩內部滲流壓力、壩基滲流壓力、繞壩滲流、水質分析、心墻應力應變、心墻底部壓應力及壩體填筑料壓力等。

（2） 泄洪沖沙建筑物。以控制段作為監測重點，主要監測壩頂表面變形、壩基變形、結合面和裂縫開度、壩基揚壓力、壩體和壩基滲漏量、繞壩滲流、水質分析、結構混凝土應力、鋼筋應力、錨索預應力及大體積混凝土溫度等。

（3） 引水發電建筑物。主要監測進水塔的表面變形和基礎沉降、引水隧洞圍巖的表面及深部變形、引水隧洞圍巖與襯砌的開度、主廠房基礎沉降、主廠房與邊坡巖體的開度、引水隧洞外水壓力、主廠房外圍地下水位、排水洞排水量、結構混凝土應力、鋼筋應力、鋼板應力及大體積混凝土溫度等。

（4） 工程邊坡。主要監測邊坡表面及深部變形、邊坡巖體裂隙開度、邊坡地下水位、支護錨桿應力及錨索預應力等。

（5） 導流建筑物。主要監測土石圍堰的表面變形與邊坡測移、圍堰堰體浸潤線、圍堰背水側漏水量、導流洞的表面及深部變形、圍巖與襯砌的開度、襯砌結構混凝土應力及鋼筋應力等。

5 監測系統總體構成

卡洛特水電站安全監測系統是一個復雜而龐大的信息采集、管理、分析、評價和反饋系統，由多種建筑物、多種監測項目和成千上萬的監測儀器、設備和計算機軟硬件組成。安全監測系統總體結構可以概括為：一個整體系統，若干監測對象，多種監測項目，上千監測儀器;監測中心統一監控，設計單位提供技術支持，業主單位決策 （見圖1）。

卡洛特水電站安全監測系統的運行可分為3個部分：數據采集、數據管理、數據分析和建筑物安全評估。數據采集包括自動化采集裝置、人工采集和人工巡視檢查。數據管理是對源數據的基本處理和存儲管理。數據分析及建筑物安全評估主要是初步分析數據的規律，確定其合理性，然后初步評價建筑物安全。這3個運行環節依次進行，相互銜接。

工程安全監測系統以翔實精確的監測數據為基礎，以符合工程實際的分析解釋為依據，始終對各建筑物的工作狀態和安全進行評估，對保證工程的正常運行起著重要作用。

6 安全監測自動化設計

6.1 自動化系統項目及測點選擇

卡洛特水電站安全監測系統覆蓋了瀝青混凝土心墻堆石壩、泄洪沖沙建筑物、引水發電建筑物、導流建筑物、工程邊坡等部位。為了使監測系統能及時提供大量的有效數據供分析和決策，以滿足工程對實時監測和快速反饋的要求，并盡可能減少后期監測工作中的人力投入，擬將大部分持續監測測點（扣除少量臨時性測點、施工期測點、零星分布測點和失效測點）接入工程自動化系統。需接入自動化系統的監測儀器具體種類如下。

（1）變形監測儀器。垂線座標儀、雙金屬標儀、引張線儀、測縫計、位錯計、靜力水準儀、水管式沉降儀、鋼絲位移計、多點位移計及基巖變形計等。

（2）滲流滲壓監測儀器。滲壓計、測壓管及量水堰水位計。

（3）應力應變監測儀器。應變計、無應力計、溫度計、鋼筋計、鋼板計、錨桿應力計及錨索測力計等。

（4）環境量監測儀器。水位計等。

（5）強震監測儀器。三分量加速度計。

6.2 自動化系統網絡結構

根據卡洛特水電站各建筑物布置和運用相對獨立，監測儀器多且分散的特點，監測自動化系統初步擬定采用環上多分支網絡結構，其網絡結構及配置見圖2。

自動化監測系統為智能型分布式網絡結構，主要由安全監測管理站、瀝青混凝土心墻堆石壩自動化采集單元（MCU）群、泄洪排沙建筑物及兩岸邊坡MCU群、引水發電系統及進出口邊坡（含導流洞進出口邊坡）MCU群、各自動采集傳感器及人工采集數據離線輸入及分析等組成。卡洛特水電站監測管理站與其他現地管理機構一起，設在工程現場管理大樓內。各MCU群分別設在監測儀器相對集中的各建筑物現地觀測站內，監測管理站及各MCU群通過光纖交換機接入光纖環網，并按監測管理站的指令進行數據采集和信息交換。對于未進入自動化系統的監測測點，采取用人工方式采集數據，并離線錄入工程數據管理系統。

7 結 語

在卡洛特水電站建設和運營期間，安全監測系統可有效監測各建筑物及邊坡運行狀態和安全狀態，直接指導、反饋工程問題，為工程問題處理決策提供數據支撐。建立完善、先進的安全監測系統，及時埋設監測設施進行監測，并分析和反饋監測結果，是工程安全施工和動態設計的重要保證。同時，應當根據現場開挖所揭示的實際地質條件和有關建筑物的實際施工方式對監測布局進行優化，使監測系統布置方案更加合理，結構更加優化。

參考文獻：

[1] 張宇，史波，曹健. 倒垂系統在邊坡變形監測控制網中的應用[J]. 水利水電快報，2019，40（12）：18-21.

[2] 索麗生，劉寧. 水工設計手冊[J]. 北京：中國水利水電出版社，2013.

（編輯：李 慧）

Design of safety monitoring and automatic monitoring system for Karot Hydropower Station in Pakistan

DING Lin，DU Zekuai，PENG Shaocai

（ Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract： According to the geological conditions and structural characteristics of Karot Hydropower Station and considering the automation requirements of the monitoring system during construction， impoundment and operation periods， in the design and arrangement stages of safety monitoring system， the monitoring points were selected reasonably and various monitoring devices were arranged accordingly for monitoring the safety status of the buildings during the full life cycle to provide data support for evaluating the stability and safety of the buildings. The design focused on deformation and seepage monitoring and a perfect and efficient automatic safety monitoring system was established， which can effectively monitor the safety status of the project and ensure the safe construction and dynamic design.

Key words： ?safety monitoring system; monitoring design; automatic monitoring system design; deformation; seepage; Karot Hydropower Station; Pakistan