中小型水庫大壩安全監(jiān)測設(shè)施更新改造初探

張宇馳 周志維

(1.南昌經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)社會(huì)發(fā)展局，江西 南昌 330013；2.江西省水利科學(xué)研究院，江西 南昌 330029)

中國作為世界上著名的筑壩大國，全國已建成各類水庫大壩近10萬座，數(shù)量和規(guī)模均居世界首位。江西省作為水利大省，中小型水庫眾多，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全省已建成中小型水庫10605座，占全省水庫總數(shù)約98%，這些水庫在江西省的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和發(fā)展中發(fā)揮了巨大作用。水庫綜合能效的發(fā)揮必須建立在工程安全的基礎(chǔ)上。因此，采取合理有效的措施，了解和掌握在役水庫的安全狀況，對于保障水庫的安全運(yùn)行具有重要意義。

水庫是否安全，要依托科學(xué)的數(shù)據(jù)。依托大壩預(yù)埋的各類監(jiān)測設(shè)施，對大壩的安全狀況實(shí)施監(jiān)測，及時(shí)獲取大壩安全監(jiān)測資料，科學(xué)評估大壩的工作狀態(tài)，進(jìn)而采取有效的工程性措施，以確保水庫的安全運(yùn)行。江西省境內(nèi)中小型水庫不僅數(shù)量多，且絕大多數(shù)建于20世紀(jì)60—70年代，加上長期以來重建輕管思想的影響，不少水庫至今無任何安全監(jiān)測設(shè)施或監(jiān)測設(shè)施不完善。為此，亟須對中小型水庫大壩安全監(jiān)測設(shè)施實(shí)施更新改造，以滿足水庫健康運(yùn)行的迫切需求。

1 監(jiān)測設(shè)施現(xiàn)狀

大壩安全監(jiān)測是監(jiān)視和掌握水庫運(yùn)行狀態(tài)的重要非工程性措施，現(xiàn)行相關(guān)行業(yè)技術(shù)規(guī)范規(guī)定，常見的大壩安全監(jiān)測項(xiàng)目包括變形監(jiān)測、滲流壓力監(jiān)測、滲流量監(jiān)測和環(huán)境量監(jiān)測等。常見的中小型水庫安全監(jiān)測設(shè)施主要包括變形觀測墩、測壓管、滲壓計(jì)、量水堰、水位計(jì)和雨量計(jì)等。

隨著江西省水利工程標(biāo)準(zhǔn)化管理工作的有序推進(jìn)，大壩安全監(jiān)測設(shè)施建設(shè)越來越受到水庫管理單位的重視，一大批試點(diǎn)水庫逐步修復(fù)完善了大壩安全監(jiān)測設(shè)施。為進(jìn)一步了解江西省水庫大壩安全監(jiān)測設(shè)施建設(shè)及運(yùn)行現(xiàn)狀，江西省大壩管理中心對全省中型水庫開展了監(jiān)測資料匯總整編工作，截至2019年3月，累計(jì)調(diào)查中型水庫201座，調(diào)查占比達(dá)93%，其結(jié)果見表1。

由表1可以看出，江西省中小型水庫大壩安全監(jiān)測設(shè)施主要存在以下幾個(gè)方面的問題：

a.設(shè)施建設(shè)不完備

以表面變形監(jiān)測設(shè)施為例，江西省有93座中型水庫設(shè)有表面變形監(jiān)測設(shè)施，占比約46%，雖較2018年的33%有所提高，但總體來看完備水庫數(shù)量較少。小型水庫該問題尤其突出，除水位、雨量設(shè)施較齊全外，基本未設(shè)置其他類型監(jiān)測設(shè)施。

表1 江西省中型水庫大壩安全監(jiān)測設(shè)施調(diào)查情況匯總 單位：座

b.自動(dòng)化程度低

中小型水庫監(jiān)測方式多以人工觀測為主，特別是表面變形監(jiān)測，普遍采用水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀等設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測；僅少數(shù)中型水庫埋設(shè)了滲壓計(jì)，并設(shè)置了自動(dòng)化采集系統(tǒng)。

c.監(jiān)測數(shù)據(jù)有效性不高

在已開展?jié)B流壓力監(jiān)測的119座中型水庫中，有63座水庫存在監(jiān)測數(shù)據(jù)異常或數(shù)據(jù)不可用的現(xiàn)象，占比約為47%，表面變形和滲流量監(jiān)測數(shù)據(jù)異常或不可用占比分別為42%和23%。小型水庫以鄉(xiāng)鎮(zhèn)管理居多，技術(shù)力量相對薄弱，絕大部分水庫僅開展水位監(jiān)測。

2 監(jiān)測設(shè)施更新改造

監(jiān)測設(shè)施更新改造是指對運(yùn)行中的大壩安全監(jiān)測項(xiàng)目不全、設(shè)施損壞、失效等進(jìn)行的補(bǔ)設(shè)、更換、修復(fù)和重設(shè)等工作，主要內(nèi)容包括監(jiān)測設(shè)施考證評價(jià)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、埋設(shè)施工、驗(yàn)收運(yùn)用等。大壩安全監(jiān)測設(shè)施更新改造總體框架見圖1。

圖1 大壩安全監(jiān)測設(shè)施更新改造總體框架

2.1 考證評價(jià)

監(jiān)測設(shè)施考證評價(jià)是基于現(xiàn)狀調(diào)查與現(xiàn)場檢查測試結(jié)果，結(jié)合大壩實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，對照現(xiàn)行規(guī)程規(guī)范及技術(shù)要求，對現(xiàn)有監(jiān)測設(shè)施進(jìn)行綜合考證評價(jià)。涉及的重要安全病險(xiǎn)隱患，應(yīng)采取無損探測和質(zhì)量檢測等手段輔助調(diào)查。

現(xiàn)狀調(diào)查需收集大壩結(jié)構(gòu)特性、監(jiān)測設(shè)施布置和安全鑒定報(bào)告等資料，并采用現(xiàn)場查看、人員訪談、查閱文件資料相結(jié)合的方式，充分了解大壩的基本情況及運(yùn)行狀況；現(xiàn)場測試以大壩變形、滲流和環(huán)境量監(jiān)測的單個(gè)測點(diǎn)為檢查測試評價(jià)單元，對所有監(jiān)測設(shè)施點(diǎn)逐一進(jìn)行檢查測試及整理評價(jià)。

監(jiān)測設(shè)施考證評價(jià)結(jié)論分為正常、基本正常和不正常。考證正常的監(jiān)測設(shè)施應(yīng)繼續(xù)監(jiān)測；基本正常和不正常的監(jiān)測設(shè)施應(yīng)及時(shí)進(jìn)行更新改造。

2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

監(jiān)測設(shè)施的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)基于考證結(jié)果，滿足現(xiàn)行監(jiān)測規(guī)范要求，密切聯(lián)系工程實(shí)際，具體布置原則如下：?全面性：以工程等別為依據(jù)，確保設(shè)計(jì)的監(jiān)測項(xiàng)目齊全；?合理性：根據(jù)壩高和壩長，結(jié)合現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)果，合理設(shè)置監(jiān)測斷面及選取測點(diǎn)間距；?經(jīng)濟(jì)性：中小型水庫監(jiān)測設(shè)施更新改造經(jīng)費(fèi)普遍有限，要充分利用原有考證結(jié)果正常監(jiān)測設(shè)施，嚴(yán)禁全部廢除，力求新增設(shè)施少而精；?先進(jìn)性：在改造經(jīng)費(fèi)充足的前提下，充分考慮自動(dòng)化監(jiān)測設(shè)施，以滿足新形勢下水庫現(xiàn)代化管理的發(fā)展需要。

2.3 安裝埋設(shè)

監(jiān)測設(shè)施安裝埋設(shè)質(zhì)量直接關(guān)乎監(jiān)測系統(tǒng)能否正常運(yùn)行，該項(xiàng)工作應(yīng)交由具有相關(guān)從業(yè)經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)施工隊(duì)伍負(fù)責(zé)，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求，保證質(zhì)量，及時(shí)到位。局部修復(fù)更改的監(jiān)測設(shè)施應(yīng)與原設(shè)施建立聯(lián)系，并確保監(jiān)測數(shù)據(jù)連續(xù)、可靠。

測壓管作為最常見的滲流監(jiān)測設(shè)施，其有效性檢測方法主要包括測壓管靈敏度檢測和淤積高度檢測，且均在庫水位穩(wěn)定期進(jìn)行。僅當(dāng)靈敏度檢測和淤積高度檢測結(jié)果均為合格時(shí)，該測壓管考證評價(jià)結(jié)論為正常。

靈敏度檢測一般采用注水試驗(yàn)，試驗(yàn)前先測定管中水位，然后向管內(nèi)注清水。若進(jìn)水段周圍為壤土料，注水量相當(dāng)于每米測壓管容積的3～5倍；若為砂粒料，則為5～10倍。注水后不斷觀測水位，直到恢復(fù)或接近注水前的水位。對于黏壤土，管內(nèi)水位在120h內(nèi)降至原水位為合格；對于砂壤土，24h內(nèi)降至原水位為合格；對于砂礫土，1～2h降至原水位或注水后水位升高不到3～5m為合格。

測壓管淤積高度檢測采用鉛錘測距法，將系有鉛錘的測繩放入管中，當(dāng)鉛錘觸碰管底時(shí)停止放入，并輕提輕放2～3次，確認(rèn)鉛錘底部觸地，記錄管口處測繩刻度，用原考證表中對應(yīng)的測壓管孔深減去記錄刻度，即得測壓管淤積高度，淤積高度在0.5m以內(nèi)為合格。

2.4 驗(yàn)收運(yùn)用

監(jiān)測設(shè)施安裝埋設(shè)完成后，由水庫管理單位負(fù)責(zé)組織專項(xiàng)驗(yàn)收，驗(yàn)收小組宜由2～3名熟悉大壩安全監(jiān)測設(shè)施設(shè)計(jì)或施工的專家組成，并形成驗(yàn)收意見。驗(yàn)收完畢后，安裝埋設(shè)單位應(yīng)及時(shí)將相關(guān)技術(shù)資料移交至水庫管理單位。

以土石壩監(jiān)測設(shè)施安裝埋設(shè)為例，其測壓管鉆孔應(yīng)采用錘擊干鉆方式，禁止泥漿護(hù)壁，鉆孔孔徑不小于110mm，50m深度內(nèi)的鉆孔傾斜度應(yīng)不大于3°；大壩垂直位移和水平位移監(jiān)測宜共用一個(gè)觀測墩，變形監(jiān)測點(diǎn)和基點(diǎn)均采用帶有強(qiáng)制對中基座的混凝土觀測墩，其底座深度不得小于80cm，強(qiáng)制對中基座應(yīng)采用二期混凝土安置，二期混凝土與一期混凝土應(yīng)牢固結(jié)合，觀測點(diǎn)水平傾斜度允許偏差不大于4′，基點(diǎn)水平傾斜度允許偏差不大于1′，對中誤差不超過±0.2mm；滲流量監(jiān)測宜采用直角三角量水堰，堰口為直角等腰三角形，設(shè)置于集水溝直線段的堰槽段，并用混凝土將底板和側(cè)墻加以砌護(hù)固定，以防滲水。

3 案例分析

3.1 工程概況

江西省靖安縣石馬水庫是一座以灌溉為主，兼顧防洪、養(yǎng)殖等綜合利用的中型水庫，大壩為均質(zhì)土壩。壩軸線長150.0m，壩頂高程97.5m，壩頂寬6.0m。大壩設(shè)有混凝土防滲墻，墻頂高程95.85m，墻厚0.60m。上游設(shè)有混凝土預(yù)制塊護(hù)坡，坡比自上而下分別為1∶2.7和1∶3.3，馬道高程87.40m；下游為草皮護(hù)坡，馬道設(shè)在高程89.35m處，馬道上、下坡比分別為1∶2.5和1∶3.3，壩腳設(shè)有排水棱體，棱體頂高程80.66m。

3.2 考證評價(jià)

3.2.1 現(xiàn)狀調(diào)查

大壩現(xiàn)狀滲流壓力監(jiān)測設(shè)施包括：4根壩體測壓管、7根壩基測壓管和6根繞壩測壓管，總計(jì)17根。壩體測壓管位于樁號0+083.3斷面，每個(gè)斷面埋設(shè)4根；壩基測壓管位于樁號0+030.0和0+081.3斷面，分別布埋設(shè)3根和4根；繞壩測壓管位于左右岸壩肩，左右各埋設(shè)3根。大壩未設(shè)置變形監(jiān)測設(shè)施。大壩滲流量監(jiān)測設(shè)施為三角形量水堰，位于下游壩腳樁號0+087.0處。

3.2.2 現(xiàn)場測試

a.測壓管。P23號測壓管注水后歷時(shí)24h，管內(nèi)水位未能恢復(fù)到注水前，故認(rèn)定該測壓管靈敏度不滿足規(guī)范要求。根據(jù)測壓管有效性檢驗(yàn)(靈敏度檢測和淤積高度檢測)結(jié)果，I21、P23、P24和I32號測壓管靈敏度較差或淤積較為嚴(yán)重，且I04號測壓管已遭到破壞，未能現(xiàn)場找到，難以滿足日常監(jiān)測要求。

b.量水堰。現(xiàn)場檢查時(shí)，量水堰整體完好，堰體埋設(shè)合理，堰板銹蝕嚴(yán)重，集水溝整體完好，未出現(xiàn)破損現(xiàn)象。

3.2.3 無損探測

現(xiàn)場檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)大壩下游部分區(qū)域有少量清水滲出，位置為樁號0+007.0～0+029.0、高程80.66～81.35m。為進(jìn)一步確定滲漏隱患區(qū)域，利用水和土體電阻率的差異性，采用高密度電法對大壩下游壩坡開展無損隱患探測。本次共選取2條縱向測線，分別位于下游壩坡馬道以上1m和排水棱體以上3m處，且每次探測分左右兩個(gè)測試段，左測試段起點(diǎn)為左壩肩，右測試段終點(diǎn)為右壩肩。探測電極數(shù)量為20道，最小電極間距為2.5m，隱患探測結(jié)果見圖2和表2。

圖2 大壩隱患探測結(jié)果示意圖

表2 大壩隱患探測結(jié)果

從上述隱患探測結(jié)果來看，A、B1、B2、B3和B4等五處區(qū)域的含水量較高，其中B2和B3區(qū)域存在左右測試段部分重復(fù)區(qū)域，故認(rèn)為樁號0+022～0+042、0+054.5～0+075、0+075～0+082.5和0+100～0+115四處區(qū)域可能存在滲漏通道，壩體或壩基可能存在滲透破壞，擬在相應(yīng)位置增設(shè)滲流監(jiān)測設(shè)施。

綜合現(xiàn)狀調(diào)查、現(xiàn)場測試和無損探測結(jié)果，大壩變形和滲流量監(jiān)測設(shè)施考證評價(jià)結(jié)論均為不正常；原有滲流監(jiān)測設(shè)施中，除編號為I21、P23、P24、I32號和I04號測壓管評價(jià)結(jié)論為不正常外，其余均為正常，需要增設(shè)部分測壓管。

3.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

依據(jù)上述監(jiān)測設(shè)施考證評價(jià)結(jié)論，在保留原有部分監(jiān)測設(shè)施的前提下，開展大壩安全監(jiān)測設(shè)施優(yōu)化設(shè)計(jì)。

a.滲流監(jiān)測

新增1個(gè)壩體滲流監(jiān)測橫斷面(樁號為0+061.0)和2個(gè)壩基監(jiān)測橫斷面(樁號分別為0+062.0、0+107.0)，合計(jì)8根測壓管。此外，重新鉆孔埋設(shè)5處(測壓管編號為I21、P23、P24、I32和I04號)，總計(jì)13根測壓管。其滲流監(jiān)測設(shè)施優(yōu)化設(shè)計(jì)平面布置見圖3。

圖3 滲流監(jiān)測設(shè)施優(yōu)化設(shè)計(jì)平面布置圖

b.變形監(jiān)測

布置4條平行于壩軸線方向的位移觀測線，在樁號0+032和0+075處分別埋設(shè)4個(gè)位移觀測點(diǎn)(水平和垂直位移共用觀測點(diǎn)，觀測點(diǎn)編號S1～S8)，且在兩岸山體基巖穩(wěn)定處各布設(shè)2個(gè)工作基點(diǎn)(測點(diǎn)編號GS1、GS2)和2個(gè)校核基點(diǎn)(測點(diǎn)編號JS1、JS2)，共計(jì)12個(gè)基點(diǎn)。其變形監(jiān)測設(shè)施優(yōu)化設(shè)計(jì)平面布置見圖4。

圖4 變形監(jiān)測設(shè)施優(yōu)化設(shè)計(jì)平面布置圖

c.滲流量監(jiān)測

僅更換量水堰堰板。

3.4 安裝埋設(shè)

根據(jù)監(jiān)測設(shè)施改造優(yōu)化設(shè)計(jì)要求，測壓管埋設(shè)采用錘擊干鉆法，孔徑為110mm，測壓管選用外徑60mm的熱鍍鋅鋼管，測壓管現(xiàn)場埋設(shè)情況見圖5。變形監(jiān)測點(diǎn)和基點(diǎn)均采用帶有強(qiáng)制對中基座的混凝土觀測墩，高出地面1.2m，變形觀測墩現(xiàn)場安置情況見圖6。三角量水堰板采用不銹鋼材質(zhì)，過流堰口倒角為45°。

圖5 測壓管現(xiàn)場埋設(shè)情況

4 結(jié) 語

目前，水利行業(yè)關(guān)于在役水庫大壩安全監(jiān)測設(shè)施更新改造缺乏明確的專項(xiàng)技術(shù)規(guī)程。本文在分析江西省中小型水庫大壩安全監(jiān)測設(shè)施現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出適用于中小型水庫大壩安全監(jiān)測設(shè)施更新改造系列方法，旨在為大壩安全監(jiān)測設(shè)施更新改造工程實(shí)踐提供可借鑒的方法，并為將來制定大壩安全監(jiān)測設(shè)施更新改造相關(guān)專項(xiàng)技術(shù)規(guī)范提供依據(jù)。