新立城水庫大壩滲流安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)
時(shí)間：
王春海1由 分享
［摘 要］ 本文對新立城水庫大壩滲流安全監(jiān)測系統(tǒng)的布點(diǎn)及所選用的設(shè)備進(jìn)行了綜合比較和研究，通過合理選擇設(shè)備保證了大壩監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，具有可操作性。
?。坳P(guān)鍵詞］ 大壩安全監(jiān)測； 設(shè)備； 選型
?。惫こ谈艣r
新立城水庫位于吉林省伊通河中上游，距長春市區(qū)１６ｋｍ，控制流域面積１ ９７０平方公里，總庫容５．９２億立方米，是一座以防洪、供水為主的大型水庫。水庫按百年一遇洪水設(shè)計(jì)，按可能最大洪水校核。樞紐工程包括大壩、輸水洞和溢洪道等主要建筑物。
?。泊髩螡B流監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)必要性
雖然新立城水庫大壩現(xiàn)有安全監(jiān)測設(shè)施對揭示水庫存在的問題和保證大壩安全運(yùn)行發(fā)揮了重要作用，但監(jiān)測項(xiàng)目設(shè)置仍存在不足，不能適應(yīng)新立城水庫工程管理技術(shù)進(jìn)步的要求；本次除險(xiǎn)加固后，原設(shè)滲流監(jiān)測設(shè)施無法全部保留，也不滿足《土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（ＳＬ６０—１９９４）的要求，主要表現(xiàn)為：
?。ǎ保?大壩壩基壩體滲流監(jiān)測雖已建立包括輸水洞滲漏監(jiān)測在內(nèi)的6個(gè)監(jiān)測斷面，但監(jiān)測儀器的布設(shè)基于當(dāng)時(shí)大壩滲流狀態(tài)，一是壩基高噴灌漿施工勢必導(dǎo)致壩頂及上游監(jiān)測設(shè)施損壞，二是原監(jiān)測儀器布置難以滿足建立灌漿體后的滲流監(jiān)測要求。在灌漿體有效作用下，壩軸線下游布設(shè)的監(jiān)測儀器尤其是壩體滲流監(jiān)測儀器可能處于非有效工作狀態(tài)，應(yīng)針對大壩新的防滲體系布設(shè)和完善滲流監(jiān)測測點(diǎn)。
（２） 在目前條件下減壓井能起到一定的排水減壓作用，但灌漿體建立后，減壓井功效將發(fā)生根本的改變，應(yīng)視具體情況更新監(jiān)測方案。滲流量監(jiān)測將以總堰為主進(jìn)行監(jiān)測。
?。碀B流監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)方案設(shè)計(jì)
?。常睗B流監(jiān)測斷面及測點(diǎn)設(shè)計(jì)
大壩除險(xiǎn)加固主體工程為壩基高噴灌漿，其主旨為根治大壩壩基滲透隱患。對于灌漿完工后的防滲效果以及大壩滲流場的變化情況，均需要有針對性地在特定的位置安裝監(jiān)測設(shè)施，對其工程效果進(jìn)行監(jiān)測。
本次滲流監(jiān)測設(shè)計(jì)充分考慮壩基地質(zhì)情況及此次除險(xiǎn)加固工程的工程內(nèi)容，并結(jié)合原滲流監(jiān)測系統(tǒng)的布置及系統(tǒng)運(yùn)行成果，共布設(shè)１４個(gè)監(jiān)測斷面，分別為０＋４０５、０＋６０５、０＋８０５、１＋００５、１＋２０５、１＋４０５、１＋５９１、１＋８０５、１＋９１１、２＋００５、２＋２０１、２＋４０１、２＋５２５。下面以幾個(gè)典型斷面為例闡述一下監(jiān)測系統(tǒng)的布點(diǎn)原則。
（１） ０＋４０５斷面。大壩０＋０００~０＋４００樁號處于壩址河道岸坡段，此壩段滲流隱患屬于次要部位，建壩時(shí)未清至壩基風(fēng)化巖石，基礎(chǔ)仍為強(qiáng)透水層。盡管庫區(qū)天然及淤積覆蓋深厚，但了解壩基灌漿效果還是必要的。因此，此斷面僅在灌漿斷面前后各布置一個(gè)測點(diǎn)，監(jiān)測其灌漿效果。
?。ǎ玻?１＋２０５、１＋４０５、１＋５９１、１＋８０５、１＋９１１、２＋００５斷面。大壩１＋２００~２＋２００樁號處于壩址河床段，壩高超過１５米。此壩段是大壩變形較大的壩段，也是壩基滲透隱患嚴(yán)重的壩段，應(yīng)予以重點(diǎn)監(jiān)測。因此，在１＋２０５、１＋４０５、１＋５９１、１＋８０５、１＋９１１、２＋００５樁號各布置一個(gè)監(jiān)測斷面。其中，１＋４０５和２＋００５斷面布置及監(jiān)測目的與０＋４０５斷面相同；１＋２０５斷面布置3條監(jiān)測垂線，分別位于灌漿斷面前、后及下游馬道，每條垂線壩基壩體各布置一個(gè)測點(diǎn)，監(jiān)測高壓灌漿在壩基壩體防滲效果、壩基滲流壓力分布和壩體浸潤線。１＋５９１斷面布置4條監(jiān)測垂線，灌漿斷面前、后各一個(gè)鉆孔，每孔壩基壩體各設(shè)一個(gè)測點(diǎn)，監(jiān)測高壓灌漿效果，每條垂線壩基壩體各布置一個(gè)測點(diǎn)，監(jiān)測灌漿在壩基壩體防滲效果、壩基滲流壓力分布和壩體浸潤線。下游馬道和壩腳下游的兩條垂線均沿用原滲流監(jiān)測系統(tǒng)測點(diǎn)，監(jiān)測壩基滲流壓力分布和壩體浸潤線；１＋８０５斷面布置4條監(jiān)測垂線，灌漿斷面前、后布置與１＋５９１斷面布置和監(jiān)測目的相同，下游馬道垂線上布置一個(gè)壩體測點(diǎn)，監(jiān)測壩體浸潤線，下游壩腳外壩基布置一個(gè)測點(diǎn)，與灌漿斷面前、后壩基測點(diǎn)形成壩基監(jiān)測斷面，監(jiān)測本斷面壩基滲流壓力分布情況；１＋９１１斷面灌漿斷面前壩基設(shè)一個(gè)測點(diǎn)，下游馬道和壩腳下游的兩條垂線均沿用原滲流監(jiān)測系統(tǒng)測點(diǎn)，本斷面3測點(diǎn)均為壩基測點(diǎn)，旨在監(jiān)測灌漿在壩基的防滲效果。
?。ǎ常?２＋２０１、２＋４０１、２＋５２５斷面。大壩２＋２００~２＋６００樁號為壩址主河槽段，亦即最大壩高段，是大壩滲流監(jiān)測的重點(diǎn)壩段。為此，在２＋２０１、２＋４０１、２＋５２５斷面各布置一個(gè)完整監(jiān)測斷面，監(jiān)測壩基壩體滲流壓力狀態(tài)。其中２＋２０１、２＋４０１斷面基于原滲流斷面布置，并盡量利用原系統(tǒng)有效測點(diǎn)。
上述滲流監(jiān)測斷面及布設(shè)滲流測點(diǎn)構(gòu)成大壩滲流監(jiān)測體系，基于其監(jiān)測成果，對大壩壩基、壩體滲流壓力平面分布狀態(tài)進(jìn)行總體評價(jià)。
?。常泊髩螡B流監(jiān)測系統(tǒng)儀器選型
大壩滲流安全監(jiān)測和管理自動化系統(tǒng)，采用分布式自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，各斷面測點(diǎn)滲流監(jiān)測數(shù)據(jù)傳入從站的ＭＣＵ，從站ＭＣＵ數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)皆O(shè)在水庫管理局工程管理處總控制室控制主站。
３．２．１儀器選型原則
掌握儀器的使用條件，了解其應(yīng)用歷史，包括儀器應(yīng)用歷史、正常使用年限、使用環(huán)境、故障率、準(zhǔn)確度、精度等；考察生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)能力，售后保證條件；足夠的可靠性、耐久性及滿足工程需要的使用精度要求；必須根據(jù)工程性態(tài)的預(yù)測結(jié)果、物理量的變化范圍、使用條件、使用年限及性價(jià)比確定儀器類型、型號、量程及精度等級等。
?。常玻矟B流壓力監(jiān)測儀器
滲流壓力監(jiān)測儀器品種和類型較多，有振弦式、差動電阻式、電阻應(yīng)變片式以及電感式、氣動式等類型，國內(nèi)外生產(chǎn)廠家知名的就有２０余家。各孔隙水壓力計(jì)的性能指標(biāo)和穩(wěn)定性各有特點(diǎn)，通過性能價(jià)格比的綜合比較，新立城水庫大壩滲流監(jiān)測所用孔隙水壓力計(jì)選用美國ＧＥＯＫＯＮ公司生產(chǎn)的振弦式４５００系列孔隙水壓力計(jì)。該類傳感器全部采用受溫度影響最小的不銹鋼元件制造，振弦元件設(shè)在焊接成的真空密封腔內(nèi)，鋼弦的兩端采用特殊鍛壓工藝技術(shù)固定，標(biāo)準(zhǔn)透水石是用帶５０微米小孔的不銹鋼制成，從而保證了產(chǎn)品的高穩(wěn)定性和微型化，具有堅(jiān)固耐用、外形尺寸小、安裝簡便、測值穩(wěn)定可靠、精度和分辨率高等特點(diǎn)，因而在國內(nèi)許多大型水利工程中得到應(yīng)用，如二灘水電站、三峽水利樞紐、丹江口水電站、葛洲壩樞紐、官廳水庫、黃碧莊水庫、潘家口水利樞紐、萬家寨引黃入晉工程、豐滿水電站等近百個(gè)水利工程的安全監(jiān)測，取得了較好的監(jiān)測效果。
?。常硿y控單元（ＭＣＵ）選型
３．３．１選型原則
大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)起步于２０世紀(jì)８０年代，在９０年代得到較大的發(fā)展，國內(nèi)外均有成熟的產(chǎn)品問世并在實(shí)際應(yīng)用中日臻完善?？紤]到進(jìn)口產(chǎn)品雖在性能上具有較大的優(yōu)勢，但其價(jià)位高、維護(hù)不及時(shí)且對操作管理人員要求高（英文操作軟件），建議大壩測控單元選用國內(nèi)產(chǎn)品。
３．３．２本系統(tǒng)建議ＭＣＵ選型
依據(jù)新立城水庫大壩滲流監(jiān)測系統(tǒng)工程的特點(diǎn)以及系統(tǒng)建設(shè)先進(jìn)性的要求，數(shù)據(jù)采集單元（ＭＣＵ），選用基康儀器（北京）有限公司生產(chǎn)的測量控制單元ＢＧＫ－ＭＩＣＲＯ－４０ＭＣＵ。
?。唇Y(jié)語
新立城水庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的建立，實(shí)現(xiàn)了工程監(jiān)測自動化，為指導(dǎo)工程安全運(yùn)行提供了可靠的依據(jù)，系統(tǒng)整體性能國內(nèi)先進(jìn)國際一流，可供有關(guān)科研和設(shè)計(jì)部門借鑒。
?。坳P(guān)鍵詞］ 大壩安全監(jiān)測； 設(shè)備； 選型
?。惫こ谈艣r
新立城水庫位于吉林省伊通河中上游，距長春市區(qū)１６ｋｍ，控制流域面積１ ９７０平方公里，總庫容５．９２億立方米，是一座以防洪、供水為主的大型水庫。水庫按百年一遇洪水設(shè)計(jì)，按可能最大洪水校核。樞紐工程包括大壩、輸水洞和溢洪道等主要建筑物。
?。泊髩螡B流監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)必要性
雖然新立城水庫大壩現(xiàn)有安全監(jiān)測設(shè)施對揭示水庫存在的問題和保證大壩安全運(yùn)行發(fā)揮了重要作用，但監(jiān)測項(xiàng)目設(shè)置仍存在不足，不能適應(yīng)新立城水庫工程管理技術(shù)進(jìn)步的要求；本次除險(xiǎn)加固后，原設(shè)滲流監(jiān)測設(shè)施無法全部保留，也不滿足《土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（ＳＬ６０—１９９４）的要求，主要表現(xiàn)為：
?。ǎ保?大壩壩基壩體滲流監(jiān)測雖已建立包括輸水洞滲漏監(jiān)測在內(nèi)的6個(gè)監(jiān)測斷面，但監(jiān)測儀器的布設(shè)基于當(dāng)時(shí)大壩滲流狀態(tài)，一是壩基高噴灌漿施工勢必導(dǎo)致壩頂及上游監(jiān)測設(shè)施損壞，二是原監(jiān)測儀器布置難以滿足建立灌漿體后的滲流監(jiān)測要求。在灌漿體有效作用下，壩軸線下游布設(shè)的監(jiān)測儀器尤其是壩體滲流監(jiān)測儀器可能處于非有效工作狀態(tài)，應(yīng)針對大壩新的防滲體系布設(shè)和完善滲流監(jiān)測測點(diǎn)。
（２） 在目前條件下減壓井能起到一定的排水減壓作用，但灌漿體建立后，減壓井功效將發(fā)生根本的改變，應(yīng)視具體情況更新監(jiān)測方案。滲流量監(jiān)測將以總堰為主進(jìn)行監(jiān)測。
?。碀B流監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)方案設(shè)計(jì)
?。常睗B流監(jiān)測斷面及測點(diǎn)設(shè)計(jì)
大壩除險(xiǎn)加固主體工程為壩基高噴灌漿，其主旨為根治大壩壩基滲透隱患。對于灌漿完工后的防滲效果以及大壩滲流場的變化情況，均需要有針對性地在特定的位置安裝監(jiān)測設(shè)施，對其工程效果進(jìn)行監(jiān)測。
本次滲流監(jiān)測設(shè)計(jì)充分考慮壩基地質(zhì)情況及此次除險(xiǎn)加固工程的工程內(nèi)容，并結(jié)合原滲流監(jiān)測系統(tǒng)的布置及系統(tǒng)運(yùn)行成果，共布設(shè)１４個(gè)監(jiān)測斷面，分別為０＋４０５、０＋６０５、０＋８０５、１＋００５、１＋２０５、１＋４０５、１＋５９１、１＋８０５、１＋９１１、２＋００５、２＋２０１、２＋４０１、２＋５２５。下面以幾個(gè)典型斷面為例闡述一下監(jiān)測系統(tǒng)的布點(diǎn)原則。
（１） ０＋４０５斷面。大壩０＋０００~０＋４００樁號處于壩址河道岸坡段，此壩段滲流隱患屬于次要部位，建壩時(shí)未清至壩基風(fēng)化巖石，基礎(chǔ)仍為強(qiáng)透水層。盡管庫區(qū)天然及淤積覆蓋深厚，但了解壩基灌漿效果還是必要的。因此，此斷面僅在灌漿斷面前后各布置一個(gè)測點(diǎn)，監(jiān)測其灌漿效果。
?。ǎ玻?１＋２０５、１＋４０５、１＋５９１、１＋８０５、１＋９１１、２＋００５斷面。大壩１＋２００~２＋２００樁號處于壩址河床段，壩高超過１５米。此壩段是大壩變形較大的壩段，也是壩基滲透隱患嚴(yán)重的壩段，應(yīng)予以重點(diǎn)監(jiān)測。因此，在１＋２０５、１＋４０５、１＋５９１、１＋８０５、１＋９１１、２＋００５樁號各布置一個(gè)監(jiān)測斷面。其中，１＋４０５和２＋００５斷面布置及監(jiān)測目的與０＋４０５斷面相同；１＋２０５斷面布置3條監(jiān)測垂線，分別位于灌漿斷面前、后及下游馬道，每條垂線壩基壩體各布置一個(gè)測點(diǎn)，監(jiān)測高壓灌漿在壩基壩體防滲效果、壩基滲流壓力分布和壩體浸潤線。１＋５９１斷面布置4條監(jiān)測垂線，灌漿斷面前、后各一個(gè)鉆孔，每孔壩基壩體各設(shè)一個(gè)測點(diǎn)，監(jiān)測高壓灌漿效果，每條垂線壩基壩體各布置一個(gè)測點(diǎn)，監(jiān)測灌漿在壩基壩體防滲效果、壩基滲流壓力分布和壩體浸潤線。下游馬道和壩腳下游的兩條垂線均沿用原滲流監(jiān)測系統(tǒng)測點(diǎn)，監(jiān)測壩基滲流壓力分布和壩體浸潤線；１＋８０５斷面布置4條監(jiān)測垂線，灌漿斷面前、后布置與１＋５９１斷面布置和監(jiān)測目的相同，下游馬道垂線上布置一個(gè)壩體測點(diǎn)，監(jiān)測壩體浸潤線，下游壩腳外壩基布置一個(gè)測點(diǎn)，與灌漿斷面前、后壩基測點(diǎn)形成壩基監(jiān)測斷面，監(jiān)測本斷面壩基滲流壓力分布情況；１＋９１１斷面灌漿斷面前壩基設(shè)一個(gè)測點(diǎn)，下游馬道和壩腳下游的兩條垂線均沿用原滲流監(jiān)測系統(tǒng)測點(diǎn)，本斷面3測點(diǎn)均為壩基測點(diǎn)，旨在監(jiān)測灌漿在壩基的防滲效果。
?。ǎ常?２＋２０１、２＋４０１、２＋５２５斷面。大壩２＋２００~２＋６００樁號為壩址主河槽段，亦即最大壩高段，是大壩滲流監(jiān)測的重點(diǎn)壩段。為此，在２＋２０１、２＋４０１、２＋５２５斷面各布置一個(gè)完整監(jiān)測斷面，監(jiān)測壩基壩體滲流壓力狀態(tài)。其中２＋２０１、２＋４０１斷面基于原滲流斷面布置，并盡量利用原系統(tǒng)有效測點(diǎn)。
上述滲流監(jiān)測斷面及布設(shè)滲流測點(diǎn)構(gòu)成大壩滲流監(jiān)測體系，基于其監(jiān)測成果，對大壩壩基、壩體滲流壓力平面分布狀態(tài)進(jìn)行總體評價(jià)。
?。常泊髩螡B流監(jiān)測系統(tǒng)儀器選型
大壩滲流安全監(jiān)測和管理自動化系統(tǒng)，采用分布式自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，各斷面測點(diǎn)滲流監(jiān)測數(shù)據(jù)傳入從站的ＭＣＵ，從站ＭＣＵ數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)皆O(shè)在水庫管理局工程管理處總控制室控制主站。
３．２．１儀器選型原則
掌握儀器的使用條件，了解其應(yīng)用歷史，包括儀器應(yīng)用歷史、正常使用年限、使用環(huán)境、故障率、準(zhǔn)確度、精度等；考察生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)能力，售后保證條件；足夠的可靠性、耐久性及滿足工程需要的使用精度要求；必須根據(jù)工程性態(tài)的預(yù)測結(jié)果、物理量的變化范圍、使用條件、使用年限及性價(jià)比確定儀器類型、型號、量程及精度等級等。
?。常玻矟B流壓力監(jiān)測儀器
滲流壓力監(jiān)測儀器品種和類型較多，有振弦式、差動電阻式、電阻應(yīng)變片式以及電感式、氣動式等類型，國內(nèi)外生產(chǎn)廠家知名的就有２０余家。各孔隙水壓力計(jì)的性能指標(biāo)和穩(wěn)定性各有特點(diǎn)，通過性能價(jià)格比的綜合比較，新立城水庫大壩滲流監(jiān)測所用孔隙水壓力計(jì)選用美國ＧＥＯＫＯＮ公司生產(chǎn)的振弦式４５００系列孔隙水壓力計(jì)。該類傳感器全部采用受溫度影響最小的不銹鋼元件制造，振弦元件設(shè)在焊接成的真空密封腔內(nèi)，鋼弦的兩端采用特殊鍛壓工藝技術(shù)固定，標(biāo)準(zhǔn)透水石是用帶５０微米小孔的不銹鋼制成，從而保證了產(chǎn)品的高穩(wěn)定性和微型化，具有堅(jiān)固耐用、外形尺寸小、安裝簡便、測值穩(wěn)定可靠、精度和分辨率高等特點(diǎn)，因而在國內(nèi)許多大型水利工程中得到應(yīng)用，如二灘水電站、三峽水利樞紐、丹江口水電站、葛洲壩樞紐、官廳水庫、黃碧莊水庫、潘家口水利樞紐、萬家寨引黃入晉工程、豐滿水電站等近百個(gè)水利工程的安全監(jiān)測，取得了較好的監(jiān)測效果。
?。常硿y控單元（ＭＣＵ）選型
３．３．１選型原則
大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)起步于２０世紀(jì)８０年代，在９０年代得到較大的發(fā)展，國內(nèi)外均有成熟的產(chǎn)品問世并在實(shí)際應(yīng)用中日臻完善?？紤]到進(jìn)口產(chǎn)品雖在性能上具有較大的優(yōu)勢，但其價(jià)位高、維護(hù)不及時(shí)且對操作管理人員要求高（英文操作軟件），建議大壩測控單元選用國內(nèi)產(chǎn)品。
３．３．２本系統(tǒng)建議ＭＣＵ選型
依據(jù)新立城水庫大壩滲流監(jiān)測系統(tǒng)工程的特點(diǎn)以及系統(tǒng)建設(shè)先進(jìn)性的要求，數(shù)據(jù)采集單元（ＭＣＵ），選用基康儀器（北京）有限公司生產(chǎn)的測量控制單元ＢＧＫ－ＭＩＣＲＯ－４０ＭＣＵ。
?。唇Y(jié)語
新立城水庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的建立，實(shí)現(xiàn)了工程監(jiān)測自動化，為指導(dǎo)工程安全運(yùn)行提供了可靠的依據(jù)，系統(tǒng)整體性能國內(nèi)先進(jìn)國際一流，可供有關(guān)科研和設(shè)計(jì)部門借鑒。