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(tài)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(nèi),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(dǎo)流泄洪洞、溢洪道、引水發(fā)電洞、壩后電站等五部分組成。

利用現(xiàn)代信息采集、自動(dòng)控制、GPS監(jiān)測等技術(shù),建成了先進(jìn)實(shí)用、高效可靠、覆蓋南溝門庫區(qū)大壩及基礎(chǔ)、引水發(fā)電洞和導(dǎo)流泄洪洞、電站基礎(chǔ)、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(jiān)測系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了各樞紐建筑物施工期和運(yùn)行期的表面變形、沉降、內(nèi)部變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變、庫區(qū)泥沙淤積等工情信息采集存儲(chǔ)自動(dòng)化、信息傳輸處理網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)據(jù)處理分析智能化,為水庫各樞紐工程的安全運(yùn)行提供了可靠的保障。

1 系統(tǒng)框架

在庫區(qū)各樞紐工程安裝和埋設(shè)監(jiān)測儀器,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集樞紐工程的變形（表面變形、內(nèi)部變形）、滲壓、滲流量、環(huán)境量（降水量、風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓、蒸發(fā)量）、邊坡位移、庫區(qū)泥沙淤積和泄水建筑物水力特性等信息。系統(tǒng)主要由環(huán)境量監(jiān)測、沉降監(jiān)測、內(nèi)部變形監(jiān)測、結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測、水力原型觀測、GPS自動(dòng)監(jiān)測等監(jiān)測設(shè)備組成,系統(tǒng)框架見圖1。

圖1 南溝門水利樞紐工程大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)框架

各級(jí)遠(yuǎn)程監(jiān)控終端實(shí)時(shí)接收從現(xiàn)地監(jiān)測/監(jiān)控站采集到的各類實(shí)時(shí)信息,應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視、分析、處理,及時(shí)做出相應(yīng)決策；有權(quán)限用戶可以在南溝門大壩安全監(jiān)控管理中心及上級(jí)管理單位監(jiān)控終端進(jìn)行控制；工作人員可在現(xiàn)場設(shè)置各種自動(dòng)安全監(jiān)測儀器采集信息量、采集次數(shù)。

2 建設(shè)內(nèi)容

2.1 庫區(qū)環(huán)境量監(jiān)測

在壩前導(dǎo)流泄洪洞進(jìn)水塔、壩后設(shè)置水位計(jì),實(shí)時(shí)在線監(jiān)測水位變化。在壩肩設(shè)置一套綜合氣象測站,對氣溫、蒸發(fā)量、降水量和風(fēng)力進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,觀測的氣象要素有：環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓、降水、地溫、土壤濕度、蒸發(fā)。

2.2 擋水建筑物

1）滲流監(jiān)測：大壩軸線方向布設(shè)5 個(gè)滲流監(jiān)測斷面,每個(gè)監(jiān)測斷面布設(shè)17個(gè)滲流監(jiān)測點(diǎn),共計(jì)85 支鋼弦式滲壓計(jì),監(jiān)測大壩壩基、壩基礎(chǔ)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(shè)繞壩滲流監(jiān)測點(diǎn)12 個(gè),鉆孔安裝測壓管,測壓管內(nèi)放置鋼弦式滲壓計(jì)共計(jì)24 支,分別監(jiān)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(shè)滲壓計(jì)共計(jì)14 支,監(jiān)測壩肩帷幕前后滲透壓,檢驗(yàn)帷幕效果；在壩后排水溝設(shè)置三角量水堰,監(jiān)測壩后滲流量。

2）內(nèi)部變形監(jiān)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(shè)5個(gè)壩體內(nèi)部沉降監(jiān)測點(diǎn),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(shè)5個(gè)壩體內(nèi)部水平位移監(jiān)測點(diǎn),在大壩填筑到壩頂高程,鉆孔埋設(shè)測斜管,測斜管內(nèi)安裝固定式測斜儀,共計(jì)60支,監(jiān)測大壩壩體內(nèi)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(jiān)測：樞紐區(qū)監(jiān)測控制網(wǎng)建設(shè)水平位移監(jiān)測控制點(diǎn)20 個(gè),垂直位移監(jiān)測控制點(diǎn)12 個(gè)（其中3 個(gè)為雙金屬管標(biāo)）；大壩表面變形監(jiān)測點(diǎn)33 個(gè),溢洪道、溢洪道高邊坡變形觀測點(diǎn)16 個(gè),導(dǎo)流泄洪洞進(jìn)口高邊坡變形觀測點(diǎn)10個(gè),導(dǎo)流泄洪洞出口邊坡變形觀測點(diǎn)6 個(gè),電站高邊坡變形觀測點(diǎn)4 個(gè)。

2.3 泄水建筑物

導(dǎo)流泄洪洞進(jìn)口導(dǎo)0+005.00、導(dǎo)0+765.00設(shè)置監(jiān)測斷面,布設(shè)滲壓計(jì)、鋼筋計(jì)、應(yīng)變計(jì)、應(yīng)力計(jì)和土壓力計(jì),監(jiān)測洞體外水壓力、鋼筋應(yīng)力、混凝土應(yīng)力應(yīng)變；溢洪道邊坡設(shè)置表面變形監(jiān)測點(diǎn),監(jiān)測溢洪道邊坡穩(wěn)定。

2.4 引水發(fā)電洞

設(shè)置3個(gè)監(jiān)測斷面（引0+050.00、引0+270.00、引0+160.00）,布設(shè)滲壓計(jì)、錨桿鋼筋計(jì)、鋼筋計(jì)、應(yīng)變計(jì)、應(yīng)力計(jì)、土壓力計(jì),監(jiān)測洞體的外水壓力、巖體的應(yīng)力變化、鋼筋應(yīng)力、混凝土的變化。

2.5 電站廠房

埋設(shè)滲壓計(jì)、測縫計(jì)、錨桿應(yīng)力計(jì)（鋼筋計(jì)）,監(jiān)測廠房基礎(chǔ)外水壓力、基巖裂隙開度、錨桿應(yīng)力,對于廠房后背邊坡、頂部、中間馬道設(shè)置表面變形觀測點(diǎn),進(jìn)行巖體表面變形監(jiān)測,底部設(shè)置錨桿應(yīng)力計(jì),監(jiān)測邊坡下部巖體應(yīng)力變化。

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

圖2 壩0+083壩基測點(diǎn)滲流壓力過程線圖

圖3 壩0+245橫斷面838m高程測點(diǎn)孔隙水壓力過程線圖

圖4 測點(diǎn)07AS01001鋼筋應(yīng)力過程線圖

3 GPS衛(wèi)星在大壩變形、庫區(qū)泥沙淤積監(jiān)測中的應(yīng)用

3.1 變形監(jiān)測

傳統(tǒng)變形監(jiān)測技術(shù)采用經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、測距儀、全站儀測定點(diǎn)的變形值,其優(yōu)點(diǎn)是能夠提供變形體整體的變形狀態(tài),適用于不同的監(jiān)測精度要求、不同形式的變形體和不同的監(jiān)測環(huán)境,可以提供絕對變形信息；缺點(diǎn)是外業(yè)工作量大,布點(diǎn)受地形條件影響,不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測。GPS（全球定位系統(tǒng)）自動(dòng)化監(jiān)測優(yōu)點(diǎn)是測站間無需保持通視,可同時(shí)測定點(diǎn)的三維位移,全天候觀測,易于實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的自動(dòng)化,可以獲得mm級(jí)精度；缺點(diǎn)是測站周圍的環(huán)境要求高度角15°以上不允許存在成片的障礙物,無強(qiáng)信號(hào)干擾源,測站周圍也不允許有大的信號(hào)反射物,觀測墩和控制點(diǎn)要穩(wěn)定。

采用GPS自動(dòng)化監(jiān)測可不受地域限制隨時(shí)掌握壩體的運(yùn)行情況、危險(xiǎn)源動(dòng)態(tài)、體壩監(jiān)測預(yù)警信息,當(dāng)危險(xiǎn)源預(yù)警時(shí),可通過手機(jī)接收預(yù)警信息。通過綜合監(jiān)管系統(tǒng)分析壩體實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),全面、及時(shí)、準(zhǔn)確了解各項(xiàng)監(jiān)測點(diǎn)情況,在突發(fā)情況下,及時(shí)指揮應(yīng)急處置與救援。

南溝門壩體壩變形監(jiān)測由傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、輔助子系統(tǒng)三部分組成。

（1）傳感器子系統(tǒng)：由樞紐區(qū)監(jiān)測控制網(wǎng)、大壩壩體、溢洪道、導(dǎo)流泄洪洞進(jìn)口高邊坡、導(dǎo)流泄洪洞出口高邊坡、電站高邊坡等監(jiān)測單元組成,負(fù)責(zé)大壩位移監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)采集,選用上海華測公司的X60 M GPS設(shè)備共計(jì)101 個(gè)位移監(jiān)測點(diǎn)和1個(gè)GPS參考站。GPS參考站是大壩表面位移監(jiān)測的基準(zhǔn)框架,長期連續(xù)跟蹤觀測衛(wèi)星信號(hào),通過數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸GPS觀測數(shù)據(jù)到控制中心,并實(shí)時(shí)為各監(jiān)測站提供高精度的載波相位差分?jǐn)?shù)據(jù)及起算坐標(biāo)。在大壩監(jiān)測部位合理布設(shè)GPS監(jiān)測站。

（2）傳輸子系統(tǒng)：利用大壩布設(shè)的光纖通信鏈路,將GPS及其他監(jiān)測傳感器數(shù)據(jù)傳輸至控制中心。

（3）輔助子系統(tǒng)：控制中心UPS供電；GPS監(jiān)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(jié)合,提高系統(tǒng)可靠性；防雷系統(tǒng),距觀測墩3 m～3.5 m處安裝避雷針,建設(shè)地網(wǎng),接地電阻小于10 Ω；室外設(shè)備必須統(tǒng)一放在機(jī)柜。監(jiān)測整個(gè)系統(tǒng)的軟件和硬件運(yùn)行狀況,一旦某個(gè)監(jiān)測站出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象,系統(tǒng)馬上通過數(shù)據(jù)信號(hào)觸發(fā)方式實(shí)現(xiàn)接收機(jī)自動(dòng)重啟；監(jiān)控站的監(jiān)控精度范圍可設(shè)置1 mm～1 cm；記錄原始數(shù)據(jù),可任意截取其中部分?jǐn)?shù)據(jù)并對原始數(shù)據(jù)解算回放,實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集的延遲不大于1 s；通過短信、電子郵件等方式進(jìn)行報(bào)警,可對監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行頻域和時(shí)域分析,7×24 h持續(xù)可靠工作。

3.2 庫區(qū)泥沙淤積測量

沿庫區(qū)河道走向每隔5 km布設(shè)一對GPS控制埋石點(diǎn),GPS控制點(diǎn)15 個(gè)組成四等GPS控制網(wǎng),作為聯(lián)測斷面基點(diǎn)的起始點(diǎn)；采用五等GPS或電磁波測距導(dǎo)線測定斷面基點(diǎn)坐標(biāo)成果斷面基點(diǎn)聯(lián)測60 個(gè)點(diǎn),四等水準(zhǔn)線路測定斷面基點(diǎn)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(jī)和D330 測深儀,完成庫區(qū)泥沙淤積測量。

4 結(jié)語

滲壓計(jì)、固定式測斜儀、測斜管、活動(dòng)式測斜儀、沉降儀、雙金屬管標(biāo)坐標(biāo)儀、量水堰計(jì)、位移計(jì)、鋼筋計(jì)、應(yīng)變計(jì)、無應(yīng)變計(jì)、土壓力計(jì)、收斂計(jì)等大量傳感器以及的GPS變形監(jiān)測站用到南溝門水利樞紐工程安全監(jiān)測系統(tǒng)中。通過大量傳感器信息的實(shí)時(shí)采集,形成立體自動(dòng)監(jiān)測網(wǎng),全面、及時(shí)準(zhǔn)確掌握了工程狀態(tài),預(yù)測預(yù)報(bào)發(fā)展趨勢,可為保障工程安全運(yùn)行提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。