澄碧河水库安全监测系统的更新改造及施工期监测资料分析

摘要：阐述澄碧河水库安全监测系统更新改造的必要性及安全监测设施的布置，通过施工期安全监测系统的数据分析，判定大坝及溢洪道运行情况，为进行大坝原型工作性态分析和评价提供了可靠的依据。

关键词：安全监测；设施布置；变形监测；应力监测；资料分析

1 安全监测系统改造的必要性

安全监测系统是水工建筑物安全运行的耳目，通过监测数据采集和资料分析，可及时了解建筑物及基础的工作状态，发现异常情况及时处理，防患于未然，同时能为水库的运行管理和防洪决策提供科学依据。澄碧河水库运行多年，大部分观测设施陈旧老化，测压管堵塞失效，孔隙水压力计工作不正常，安全监测自动化水平低，监测资料分析评价实时性差。为此，有必要对水库安全监测系统进行全面更新改造。

2 安全监测项目

澄碧河水库工程规模为大（1）型，工程等别为Ⅰ等，大坝、溢洪道、新建发电放空洞、引水洞等主要永久性水工建筑物级别为1级，按照相关规程规范要求，巡视检查、变形、渗流、压力（应力）、环境量等均为必设项目。

3 安全监测设施布置

3.1 变形监测

3.1.1 表面变形监测

大坝变形观测布置4条视准线共18个综合位移标点。选择K0+104、K0+146、K0+189、K0+236、K0+286等5个监测断面作为监测重点，监测大坝水平位移和竖向位移。在K0+146、K0+189、K0+236等3个横断面的坝顶、下游172.40m马道、下游159.50m马道、下游143.0高程各布置1个综合位移标点；在K0+104断面的坝顶、下游172.40m马道、下游159.50m马道各布置1个综合位移标点，在K0+286断面的坝顶、下游172.40m马道各布置1个综合位移标点，综合位移标点可兼测水平位移和竖向位移。在每条视准线的左、右岸各布设1个工作基点和1个校核基点，工作基点和校核基点的选位根据现场情况确定。

为监测坝顶不均匀沉降，在5个横断面坝顶上游向各增设1个竖向位移标点，监测竖向变形。

在溢洪道布置一条视准线，在每个闸墩和边墩上布置一个综合位移标点，共计5个标点。在每条视准线的左、右岸各布设1个工作基点和1个校核基点，工作基点和校核基点的选位根据现场情况确定。在溢洪道交通桥上闸墩位置布置5个竖向位移标点，监测竖向变形。由于溢洪道距大坝较远，测量机器人无法观测，溢洪道变形监测采用人工观测。

3.1.2 内部变形监测

（1）内部水平位移监测

为监测防渗墙内部变形，拟选择K0+146、K0+189、K0+236等3个防渗墙断面布置固定式测斜仪，每个断面布置1根测斜管，在每根测斜管中布置固定式测斜仪传感器6套，用于自动监测防渗墙的内部水平位移。

（2）接缝开度监测

采用测缝计来监测接缝开度。选择2个闸室段的中心断面作为监测横断面，在每个断面闸底板上、下游与闸基接触面，及闸底板与下游溢流段接触面各布置1支单向测缝计，共计6支，用于监测闸室段与闸基接缝及闸室段与溢流段间接缝开度。测缝计电缆引入MCU，以适应人工观测和自动化监测的要求。

3.2 渗流监测

大坝选择K0+104、K0+146、K0+189、K0+236、K0+286等5个监测断面作为监测重点，监测防渗墙的效果和坝体浸润线。在K0+146、K0+189、K0+236等3个横断面的坝顶防渗墙前、防渗墙后、下游172.40m马道、下游159.50m马道、下游143.0高程各布置1根测压管；在K0+104、K0+286等2个横断面的坝顶防渗墙前、防渗墙后、下游172.40m马道、下游159.50m马道各布置1根测压管，在防渗墙后原灌溉管旁布置1根测压管，在原引水发电管旁布置2根测压管，共计27根坝体测压管，用于监测坝体浸润线、防渗墙与心墙防渗效果、坝体与坝基接触渗流压力、排水棱体的排水效果、涵管封堵外水压力等情况。在大坝左、右岸各布置4根绕渗测压管，共计8根绕渗测压管，用于监测大坝两端绕渗情况。测压管内安装渗压计以实现自动化监测。

溢洪道拟选择2个断面，每个断面各布置5支渗压计，用于监测基础渗压状态。渗压计选择灵敏度较高的弦式仪器，并将渗压计电缆引入MCU，然后通过光缆（闸控系统光缆预留2根光芯），集中引入中控室。

3.3 应力监测

（1）防渗墙

在防渗墙内布置应变计和无应力计，用于监测防渗墙应力状态。选择K0+191、K0+236等2个监测断面，在防渗墙底部、1/4、2/4、3/4高程处上、下游侧各布置1支应力计，并在对应位置布置1支无应力计，共计16支应力计和8支无应力计。

（2）溢洪道

为了解溢洪道钢筋受力情况，同时结合施工需要，拟选择2个闸室段，分别在每个闸室段闸墩内层或外层主受力钢筋及闸门支座扇形钢筋的主受力钢筋上各布置1支钢筋计，共计9支钢筋计，用于监测闸墩钢筋及支座受力情况。

应力计、无应力计、钢筋计均纳入自动化监测系统。

3.4 环境量监测

在溢洪道及发电放空洞上、下游各布置1组水尺，观测上下游水位。为实现自动化监测，在溢洪道上、下游各布置1支水位计。

4 监测系统结构

大坝监测系统包括各种类型传感器、测量控制单元和管理处中央控制室，大坝安全监测系统结构见图1。

传感器主要包括测量机器人、渗压计、应力计、无应力计、固定式测斜仪、测缝计、钢筋计、水位计等。

测量控制单元（MCU）是系统中的重要部分，用于对各种传感器进行数据采集和存储，并与中央控制室计算机连接通讯，发送指令和数据传输，实现实时监测。该系统设两个测量控制单元，分别设在左、右坝肩管理房内。传感器与控制单元之间用电缆连接，测量控制单元之间采用光缆通信。

中央控制室设在管理单位指定的办公楼内，它与测量控制单元MCU采用光缆通信。配有数据采集、资料整编与安全评价软件，可进行在线监控或离线监控。其中数据采集软件实现计算机与测量控制单元（MCU）通讯，完成监测数据的采集，MCU自检、参数设置、巡回测量、定时测量和单点测量等功能。资料整编软件按照《土石坝安全监测技术规范》（SL551-2012）等相关规程要求对观测资料进行整编，同时，资料整编软件能够对资料进行维护。

5 施工期监测资料分析

5.1 大坝渗流压力监测资料分析

从现有数据来看，新建混凝土防渗心墙效果较好，防渗心墙前后上下游测压管水位差均在12m至25m，坝体渗透压力主要受上游库水位变化影响，上游库水位上升，渗透压力也相应增大，但渗透压力略滞后上游库水位，绕坝渗流水位较高，长期高于库水位，受山体渗流影响较大。主要过程线如下图所示：

5.2 大坝防渗墙内部变形监测资料分析

水库目前已经蓄水，防渗墙挠度变形主要与上部坝体的自重荷载有关，在坝体自重荷载增大的影响下，覆盖层与墙体间的变形及应力变化处于相互约束，相互协调、自适应的一个过程。通过埋设于防渗墙中的固定测斜仪监测数据过程线可知，防渗墙受自重及上游库水压力的影响，墙体中部 160m 高程处向下游缓慢变形，最大值在 2mm 左右。墙体上部向下游变形量较小，几乎不变，基本符合墙体的受力及变形规律。

5.3 大坝防渗墙应力应变观测资料分析

应变计及无应力计应变主要受温度变化的影响呈年周期变化，温度升高，应变值增加，温度降低则应变值减小。在始测初期，一般温度值较高，应变值也比较高，主要是受水化热的影响，其后随着水化热减小，温度有所降低，应变值也下降，且主要受气温变化的影响，应变并逐渐趋于稳定。大部分应变计年度最大值为拉应变。

5.4 溢洪道扬压力监测资料分析

从溢洪道闸墩基础埋设的10支渗压计看，在2017年7月渗压计埋设完成后，到2018年1月渗透水位都有一定程度的上升，从上游到下游的上升幅度分别为2.5、2.5、1.9、1.1m、1.0m、0.8m，目前水位分别为▽165.2-166.9m之间，从上游到下游水位逐步降低。从2017年7月到2018年5月，上游的两个渗压计水位下降了0.8m，下游四个渗压计水位基本不变，基础渗透水位主要受地下水位影响。最近的几次观测数据表明，闸墩的渗压计水位略有上升，由于溢洪道泄水，水位上升造成。从上升的成果来看，无明显渗漏通道产生。

5.5 溢洪道钢筋计监测资料分析

 钢筋应力主要受温度变化的影响，温度升高，钢筋应力减小；温度降低，钢筋应力增大。各钢筋计在观测初期测值波动较大，是观测初期混凝土的水化热及施工干扰引起，大约一个月后测值变化比较稳定。若扣除观测误差的影响，钢筋应力变化比较平稳，时效影响较小。钢筋计的变幅在-5~15MPa 间变化，钢筋应力呈拉应力时间占多，但变化量较小。

5.6溢洪道测缝计监测资料分析

温度变化是影响测缝计开度的主要因素：一般在温度较高时段，开度较小，而温度较低时段，则常出现开度较大值，并呈现年周期性变化规律。从过程线观测资料来看，接缝开度均较小，在-0.4-1mm之间变化，混凝土间没有发生错动变形的现象。上下游水位变化对裂缝开度影响不明显。

6 监测资料结论

本次澄碧河水库除险加固工程观测的时间段从2016年-2020年，现将施工期间所有监测数据进行整编，并进行资料分析。经资料分析后，得出以下结论：

（1）从总体观测资料看，在蓄水后大部分观测仪器的成果连续稳定并且有规律性变化，监测数据是基本可信的，但是其中部分监测仪器数据资料缺失，突跳及测值准确性降低等现象，例如S03及N03出现测值错误现象。

（2）运行期中，混凝土防渗墙上下游防渗效果明显。横、纵分布等几个方面没有发现明显的异常现象。澄碧河水库防浪墙迎水面测压管受库水位影响明显，随库水位升降而升降。防渗墙下游测压管受库水位影响较小，从灵敏度实验及库水位变幅来看，滞后时间较短，基本在2-3天后才能反映出库水位变化量，说明防渗墙防渗效果显著。

（3）从防渗墙内部测斜仪的成果来看，防渗墙各测点间相对偏移量均较小，受相对位移影响，测斜仪由下至上，绝对位移均在缓慢增大，最大值仅在2mm左右，说明在蓄水后防渗墙基本没有发生位移的情况。

（4）综合位移标点利用徕卡TM50全站仪进行观测，因坝顶观测墩建成时间较晚，自动化观测数据时间较短。从已有从大坝表面变形观测的数据来看，各测点东向位移、北向位移的成果在-3mm至4mm间变化，坝顶各坝段间的垂直位移最大变化量仅为1.8mm，符合变形规律。

（5）从溢洪道裂缝观测数据来看，闸底板上下游与闸基之间开合度较小，没有出现明显的异常变化。裂缝开度受气温影响明显，裂缝开度与气温呈线性相关，且相关性较好。

（6）从溢洪道渗流监测数据来看，在未蓄水前，基础的渗透水压力相较于埋设时有小幅升高，但过程线平稳，未出现明显异常，升高原因可能受地下水位影响。2018年下旬落闸门蓄水后，受水位抬升影响，基础渗透水压力有升高现象，但成果趋于稳定，变幅在允许范围之内，没有产生明显渗漏通道。

（7）从溢洪道钢筋计的应变来看，钢筋计的应力稳定在-4～12MPa左右。钢筋应力都较小。

7 总结

通过对澄碧河水库已有工程安全监测数据的成果分析来看，大坝及溢洪道的数据变化符合规律，没有产生突变等异常现象，实测资料显示说明各水工建筑物运行良好，为进行大坝原型工作性态分析和评价提供了可靠的依据。

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