小坑水庫大壩安全監測系統改造方案探討

楊永輝

(韶關市曲江區小坑水庫管理處，廣東 韶關 512162)

1 工程概況

小坑水庫位于韶關市曲江區東南部，在湞江支流楓灣河上游，距韶關市區33 km的小坑鎮境內。水庫集雨面積為139 km2，年平均降雨量為1 650 mm，多年平均徑流量為1.452 7億m3，總庫容為11 316萬m3。小坑水庫是一座集防洪、供水、灌溉、發電、水產養殖為一體的大(二)型水利工程，水庫的主要任務是：提供年產700萬t鋼的寶武鋼鐵韶關鋼鐵集團有限公司工業生產及生活用水；灌溉下游農田面積0.37萬hm2；提供壩后電站發電用水。

小坑水庫建于1964年11月，1967年11月建成投入使用。1980年按大(二)型水庫進行大壩安全加固，加固后土壩壩頂高程為239.3 m，防浪墻頂高程為240.6 m，最大壩高為50.3 m，壩頂寬6.0 m，長104.0 m，上游壩坡分5級，分別為1:2、1:1.62、1:2.5、1:2.75、1:3，下游壩坡分4級，為1:2、1:2.9、1:3、1:1.5，現正常蓄水位為227.20 m。

2 現狀分析及存在問題

2.1 安全監測現狀

小坑水庫安全監測分內觀和外觀儀器監測，各監測項目及監測方式如下。

1) 變形監測

① 壩頂水平位移：無。

② 壩頂垂直位移：水準標點，5 個測點。現利用水準儀或全站儀定期進行監測。

2) 滲流監測

① 測壓管：2 個斷面共 8 個測點，傳感器老化且被雷擊損壞，部分測壓孔淤塞失效，且缺少繞壩滲流測點；現僅靠人工定期進行觀測。

② 滲流量：自1980年安全加固后至今，大壩一直沒有設置滲流量觀測，現缺項該項目觀測。

3) 環境量監測

① 庫水位：1 個測點，老化且被雷擊損壞；僅靠人工進行觀測。

② 降水量：4 個測點，老化且被雷擊損壞；除水庫雨量站靠人工觀測外，上游集雨面積內的3個雨量點已缺失。

③ 大氣溫度：無大氣穩溫度測點。

4) 視頻監視：4 支攝像頭，老化且被雷擊損壞。

5) 工作站、服務器及網絡等設備運行了十幾年，已經不能正常工作。

2.2 監測系統存在的問題

2.2.1完整性存在的問題

1) 缺漏關鍵的安全監測項目

① 兩壩肩漏設繞壩滲流監測項目。

② 缺少水平位移監測項目，建議按照規范要求，在壩頂設置 1 條引張線，以監測大壩的水平位移。

③ 缺少水平位移基準，使得分析大壩壩頂水平變形量沒有參考基準，得不到水平位移的絕對變化量，無法判斷大壩水平變形的安全程度。按照規范要求，應在引張線的兩個端點，即兩岸壩肩各設置 1 個倒垂孔，并在倒垂孔內安裝倒垂線作為壩頂水平位移監測的水平基準。

④ 缺少垂直位移基準，使得分析大壩壩頂沉降量沒有參考基準，得不到壩頂沉降的絕對變化量，無法判斷大壩沉降的安全程度。

2) 主要監測項目殘缺、漏測點

① 滲流監測項目僅設有 2 個斷面共 8 個測點，且缺少繞壩滲流測點，因此，滲流監測項目測點不完整。

② 環境量監測項目缺少大氣溫度，使大壩安全分析缺少 1 個重要的參數，因此，環境量監測項目測點也不完整。

由上可知，小坑水庫大壩安全監測系統是一個不完整的系統，存在漏項、缺少位移和垂直位移基準、主要監測項目殘缺、漏測點等問題。

2.2.2系統有效性方面存在的問題

1) 儀器設備老化、精度差

① 用于大壩滲流監測的8支傳感器，由于老化和被雷擊，大部分已經損壞，剩余的測量精度和穩定性不符合規范要求，需進行更新改造；另外，大部分測壓孔已經淤塞失效。

② 工作站、服務器及網絡等設備已經運行了10多a，工作穩定性不符合規范要求，需更換。

2) 水平、垂直位移監測項目缺少基準

2.2.3系統實用性方面存在的問題

1) 數據不完整。

2) 應用軟件功能不能夠滿足要求。

2.2.4防雷穩定性較差。

小坑水庫大壩位于山區，易于發生雷雨天氣，小坑水庫安全監測系統自2003年投入運行以來，大壩滲流觀測傳感器、MCU及視頻系統經常被雷擊損壞，使整個監測系統運行失靈。

3 改造目標和內容

3.1 改造目標

總體目標：建立完備的安全自動化系統，達到安全監測系統的完整性、有效性、實用性和實時性為工程安全運行管理提供科學的決策依據。

1) 完整性

系統、科學、合理地規劃，結合工程的實際情況進行細致、周密地設計，按照規范要求，補充和完善必要的和主要的監測項目，使現有的安全監測系統建設成為一個完整的安全監測系統。

2) 有效性

對現有安全監測系統的基準、監測項目、監測設施及儀器設備，進行補設和改造，使各監測項目及測點的設置方式、觀測方法及數據采集等有效。

3) 實用性

滿足大壩安全監測、三防指揮及信息管理等各個工作環節的需要。

4) 實時性

信息采集滿足工作的需要和水庫綜合任務信息的要求。

3.2 改造的內容

1) 監測項目

小坑水庫大壩屬大(二)型水工建筑物，遵循“技術先進、科學合理、安全可靠、經濟實用”的原則，并綜合考慮到水庫工程的實際情況，對其安全監測系統進行自動化升級改造，主要設置如下監測項目：① 巡視檢查； ② 滲流監測(含壩體、壩基及壩肩繞滲)； ③ 變形監測(含水平位移和垂直位移)； ④ 環境量監測(含降水量、庫水位及大氣溫度)； ⑤ 視頻監視。

安全監測各項目的測量頻率按規范要求確定，大壩安全監測項目及其測量頻率見表1。

表1 安全監測項目分類及其測量頻率

2) 中控室

為了更好管理該系統和方便運行，建議將原設備房從 4 樓會議室搬遷到現辦公室的 1 樓，并進行裝修，改造成獨立的中控室。

4 技術改造設計

4.1 項目改造情況表

小坑水庫大壩安全監測系統現有項目及進行改造和新增項目情況見表2。

表2 項目改造情況

4.2 系統組成及功能

結合小坑水庫大壩及管理處地理情況，建議納入自動化系統的項目為：6 個視頻監視點、4 個雨量站點、1 個壩前水位站、1 個大氣溫度監測點、20 個壩體浸潤線監測點、1 條引張線(壩體表面變形監測)、2 條倒垂線、1 條靜力水準(垂直位移監測)及雙金屬標。小坑水庫安全監測系統測點布置平面示意見圖1。

圖1 小坑水庫安全監測系統測點布置平面示意

4.3 自動化監測系統

以現代化的信息采集系統為基礎、通信和計算機網絡系統為支撐、信息管理與決策支持系統為核心，將小坑水庫的輸水涵閘控制系統、視頻監視系統、大壩安全監測系統和水情測報系統建設成自動化系統。系統的功能主要包括：數據自動采集、儲存和傳輸、數據處理、分析及報警。

系統將由滲壓計(浸潤線)、水位計、雨量計、氣溫計、工業電視、硬盤錄象機、交換機、數據服務器、工作站、MCU、通信線路、LCD 顯示屏、電源及軟件等組成，詳見小坑水庫信息系統總體結構圖2。

圖2 小坑水庫信息系統總體結構示意

4.4 系統防雷

小坑水庫大壩位于山區，易于發生雷雨天氣，為了對安全監測系統采取有效的防雷保護措施，保障監測系統正常可靠的運行，擬采用如下措施：

1) 明確監測系統遭受雷擊損害的主要原因以及雷電可能的侵入途徑；正確選擇和使用監測系統設備的防雷保護裝置。

2) 在 MCU 測量電路上采用光電隔離、工作電源相互獨立等措施，防止感應雷進入MCU。平時不測量的時候 MCU 與傳感器的測量線徹底斷開，測量時再導通。

5 結語

小坑水庫是一座集防洪、供水、灌溉、發電、水產養殖為一體的大(二)型水利工程，同時也是寶武鋼鐵韶關鋼鐵集團有限公司唯一水源，因此保證大壩的安全運行極其重要。本文通過對小坑水庫安全監測系統的現狀分析及存在問題，結合小坑水庫大壩的特點，按照“技術先進、科學合理、安全可靠、經濟實用”的原則，提出相應的安全監測系統改造方案。相信，通過對小坑水庫現有安全監測系統實施改造，可從根本上解決現有系統中存在的問題。