南溝門水利樞紐工程安全監測系統淺析

丁 紅，張啟蒙，薛 健

（1.陜西省水利信息宣傳教育中心,陜西 西安 710004；2.陜西新田園生態科技有限公司,陜西 西安 710000；3.延安市南溝門水利樞紐工程管理處,陜西 延安 716099）

0 引言

南溝門水庫位于陜西省延安市黃陵縣境內,水庫壩址位于葫蘆河上游3km處的寨頭河村南溝門附近,距黃陵縣城25 km,為供水、攔沙兼顧灌溉等綜合利用的大（2）型水庫,水庫樞紐主要建筑物由攔河壩、導流泄洪洞、溢洪道、引水發電洞、壩后電站等五部分組成。

利用現代信息采集、自動控制、GPS監測等技術,建成了先進實用、高效可靠、覆蓋南溝門庫區大壩及基礎、引水發電洞和導流泄洪洞、電站基礎、溢洪道等建筑物及各樞紐建筑物邊坡的南溝門水利樞紐工程安全監測系統,實現了各樞紐建筑物施工期和運行期的表面變形、沉降、內部變形、滲流、應力應變、庫區泥沙淤積等工情信息采集存儲自動化、信息傳輸處理網絡化、數據處理分析智能化,為水庫各樞紐工程的安全運行提供了可靠的保障。

1 系統框架

在庫區各樞紐工程安裝和埋設監測儀器,實現自動采集樞紐工程的變形（表面變形、內部變形）、滲壓、滲流量、環境量（降水量、風速、風向、氣壓、蒸發量）、邊坡位移、庫區泥沙淤積和泄水建筑物水力特性等信息。系統主要由環境量監測、沉降監測、內部變形監測、結構安全監測、水力原型觀測、GPS自動監測等監測設備組成,系統框架見圖1。

圖1 南溝門水利樞紐工程大壩安全監測系統框架

各級遠程監控終端實時接收從現地監測/監控站采集到的各類實時信息,應用系統進行監視、分析、處理,及時做出相應決策；有權限用戶可以在南溝門大壩安全監控管理中心及上級管理單位監控終端進行控制；工作人員可在現場設置各種自動安全監測儀器采集信息量、采集次數。

2 建設內容

2.1 庫區環境量監測

在壩前導流泄洪洞進水塔、壩后設置水位計,實時在線監測水位變化。在壩肩設置一套綜合氣象測站,對氣溫、蒸發量、降水量和風力進行數據采集,觀測的氣象要素有：環境溫度、濕度、風速、風向、氣壓、降水、地溫、土壤濕度、蒸發。

2.2 擋水建筑物

1）滲流監測：大壩軸線方向布設5 個滲流監測斷面,每個監測斷面布設17個滲流監測點,共計85 支鋼弦式滲壓計,監測大壩壩基、壩基礎帷幕前后以及壩體滲透孔隙水壓力；在大壩左右岸分別布設繞壩滲流監測點12 個,鉆孔安裝測壓管,測壓管內放置鋼弦式滲壓計共計24 支,分別監測大壩左右岸繞壩滲流；在大壩左右岸灌漿平洞及截滲洞帷幕前后布設滲壓計共計14 支,監測壩肩帷幕前后滲透壓,檢驗帷幕效果；在壩后排水溝設置三角量水堰,監測壩后滲流量。

2）內部變形監測：壩0+091.00、壩0+168.00、壩0+240.00、壩0+302.00、壩0+370.00的壩下6 m分別布設5個壩體內部沉降監測點,壩0+096.00、壩0+171.00、壩0+237.00、壩0+297.00、壩0+366.00的壩下6m分別布設5個壩體內部水平位移監測點,在大壩填筑到壩頂高程,鉆孔埋設測斜管,測斜管內安裝固定式測斜儀,共計60支,監測大壩壩體內部垂直于壩軸線方向不同高程的水平位移量。

3）表面變形監測：樞紐區監測控制網建設水平位移監測控制點20 個,垂直位移監測控制點12 個（其中3 個為雙金屬管標）；大壩表面變形監測點33 個,溢洪道、溢洪道高邊坡變形觀測點16 個,導流泄洪洞進口高邊坡變形觀測點10個,導流泄洪洞出口邊坡變形觀測點6 個,電站高邊坡變形觀測點4 個。

2.3 泄水建筑物

導流泄洪洞進口導0+005.00、導0+765.00設置監測斷面,布設滲壓計、鋼筋計、應變計、應力計和土壓力計,監測洞體外水壓力、鋼筋應力、混凝土應力應變；溢洪道邊坡設置表面變形監測點,監測溢洪道邊坡穩定。

2.4 引水發電洞

設置3個監測斷面（引0+050.00、引0+270.00、引0+160.00）,布設滲壓計、錨桿鋼筋計、鋼筋計、應變計、應力計、土壓力計,監測洞體的外水壓力、巖體的應力變化、鋼筋應力、混凝土的變化。

2.5 電站廠房

埋設滲壓計、測縫計、錨桿應力計（鋼筋計）,監測廠房基礎外水壓力、基巖裂隙開度、錨桿應力,對于廠房后背邊坡、頂部、中間馬道設置表面變形觀測點,進行巖體表面變形監測,底部設置錨桿應力計,監測邊坡下部巖體應力變化。

南溝門水利樞紐工程安全監測系統建成了較為完善的監測項目,已完成7 類共278 支傳感器的安裝埋設,其中大壩145 支、左右岸灌漿平洞及截滲洞14 支、引水發電洞78 支、電站廠房26 支。在正常觀測期內獲得的監測數據連續、可靠。2015 年1 月水庫開始蓄水以來,各類監測儀器的穩定運行,為工程的安全管理與決策提供了重要的數據資料,見圖2～圖4。

圖2 壩0+083壩基測點滲流壓力過程線圖

圖3 壩0+245橫斷面838m高程測點孔隙水壓力過程線圖

圖4 測點07AS01001鋼筋應力過程線圖

3 GPS衛星在大壩變形、庫區泥沙淤積監測中的應用

3.1 變形監測

傳統變形監測技術采用經緯儀、水準儀、測距儀、全站儀測定點的變形值,其優點是能夠提供變形體整體的變形狀態,適用于不同的監測精度要求、不同形式的變形體和不同的監測環境,可以提供絕對變形信息；缺點是外業工作量大,布點受地形條件影響,不易實現自動化監測。GPS（全球定位系統）自動化監測優點是測站間無需保持通視,可同時測定點的三維位移,全天候觀測,易于實現全系統的自動化,可以獲得mm級精度；缺點是測站周圍的環境要求高度角15°以上不允許存在成片的障礙物,無強信號干擾源,測站周圍也不允許有大的信號反射物,觀測墩和控制點要穩定。

采用GPS自動化監測可不受地域限制隨時掌握壩體的運行情況、危險源動態、體壩監測預警信息,當危險源預警時,可通過手機接收預警信息。通過綜合監管系統分析壩體實時數據,全面、及時、準確了解各項監測點情況,在突發情況下,及時指揮應急處置與救援。

南溝門壩體壩變形監測由傳感器子系統、數據傳輸子系統、輔助子系統三部分組成。

（1）傳感器子系統：由樞紐區監測控制網、大壩壩體、溢洪道、導流泄洪洞進口高邊坡、導流泄洪洞出口高邊坡、電站高邊坡等監測單元組成,負責大壩位移監測點數據采集,選用上海華測公司的X60 M GPS設備共計101 個位移監測點和1個GPS參考站。GPS參考站是大壩表面位移監測的基準框架,長期連續跟蹤觀測衛星信號,通過數據通訊網絡實時傳輸GPS觀測數據到控制中心,并實時為各監測站提供高精度的載波相位差分數據及起算坐標。在大壩監測部位合理布設GPS監測站。

（2）傳輸子系統：利用大壩布設的光纖通信鏈路,將GPS及其他監測傳感器數據傳輸至控制中心。

（3）輔助子系統：控制中心UPS供電；GPS監測站、參考站供電方式選用太陽能供電和交流供電兩種方式相互結合,提高系統可靠性；防雷系統,距觀測墩3 m～3.5 m處安裝避雷針,建設地網,接地電阻小于10 Ω；室外設備必須統一放在機柜。監測整個系統的軟件和硬件運行狀況,一旦某個監測站出現死機現象,系統馬上通過數據信號觸發方式實現接收機自動重啟；監控站的監控精度范圍可設置1 mm～1 cm；記錄原始數據,可任意截取其中部分數據并對原始數據解算回放,實時的數據采集的延遲不大于1 s；通過短信、電子郵件等方式進行報警,可對監控點進行頻域和時域分析,7×24 h持續可靠工作。

3.2 庫區泥沙淤積測量

沿庫區河道走向每隔5 km布設一對GPS控制埋石點,GPS控制點15 個組成四等GPS控制網,作為聯測斷面基點的起始點；采用五等GPS或電磁波測距導線測定斷面基點坐標成果斷面基點聯測60 個點,四等水準線路測定斷面基點高程成果；以1∶200 地形圖精度測定初始淤積斷面。選用上海華測天驕X90 GPS接收機和D330 測深儀,完成庫區泥沙淤積測量。

4 結語

滲壓計、固定式測斜儀、測斜管、活動式測斜儀、沉降儀、雙金屬管標坐標儀、量水堰計、位移計、鋼筋計、應變計、無應變計、土壓力計、收斂計等大量傳感器以及的GPS變形監測站用到南溝門水利樞紐工程安全監測系統中。通過大量傳感器信息的實時采集,形成立體自動監測網,全面、及時準確掌握了工程狀態,預測預報發展趨勢,可為保障工程安全運行提供堅實的基礎。