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、自動控制、GPS監(jiān)測等技術(shù),建成了先進實用、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),實現(xiàn)了各樞紐建筑物施工期和運行期的表面變形、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自動化、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,實現(xiàn)自動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

各級遠程監(jiān)控終端實時接收從現(xiàn)地監(jiān)測/監(jiān)控站采集到的各類實時信息,應(yīng)用系統(tǒng)進行監(jiān)視、分析、處理,及時做出相應(yīng)決策；有權(quán)限用戶可以在南溝門大壩安全監(jiān)控管理中心及上級管理單位監(jiān)控終端進行控制；工作人員可在現(xiàn)場設(shè)置各種自動安全監(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)流泄洪洞進水塔、壩后設(shè)置水位計,實時在線監(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 個滲流監(jiān)測斷面,每個監(jiān)測斷面布設(shè)17個滲流監(jiān)測點,共計85 支鋼弦式滲壓計,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12 個,鉆孔安裝測壓管,測壓管內(nèi)放置鋼弦式滲壓計共計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)滲壓計共計14 支,監(jiān)測壩肩帷幕前后滲透壓,檢驗帷幕效果；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個壩體內(nèi)部沉降監(jiān)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(shè)5個壩體內(nèi)部水平位移監(jiān)測點,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20 個,垂直位移監(jiān)測控制點12 個（其中3 個為雙金屬管標(biāo)）；大壩表面變形監(jiān)測點33 個,溢洪道、溢洪道高邊坡變形觀測點16 個,導(dǎo)流泄洪洞進口高邊坡變形觀測點10個,導(dǎo)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(dǎo)流泄洪洞進口導(dǎo)0+005.00、導(dǎo)0+765.00設(shè)置監(jiān)測斷面,布設(shè)滲壓計、鋼筋計、應(yīng)變計、應(yīng)力計和土壓力計,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,監(jiān)測溢洪道邊坡穩(wěn)定。

2.4 引水發(fā)電洞

設(shè)置3個監(jiān)測斷面（引0+050.00、引0+270.00、引0+160.00）,布設(shè)滲壓計、錨桿鋼筋計、鋼筋計、應(yīng)變計、應(yīng)力計、土壓力計,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、測縫計、錨桿應(yīng)力計（鋼筋計）,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,進行巖體表面變形監(jiān)測,底部設(shè)置錨桿應(yīng)力計,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(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、全站儀測定點的變形值,其優(yōu)點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；缺點是外業(yè)工作量大,布點受地形條件影響,不易實現(xiàn)自動化監(jiān)測。GPS（全球定位系統(tǒng)）自動化監(jiān)測優(yōu)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(xiàn)全系統(tǒng)的自動化,可以獲得mm級精度；缺點是測站周圍的環(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(wěn)定。

采用GPS自動化監(jiān)測可不受地域限制隨時掌握壩體的運行情況、危險源動態(tài)、體壩監(jiān)測預(yù)警信息,當(dāng)危險源預(yù)警時,可通過手機接收預(yù)警信息。通過綜合監(jiān)管系統(tǒng)分析壩體實時數(shù)據(jù),全面、及時、準(zhǔn)確了解各項監(jiān)測點情況,在突發(fā)情況下,及時指揮應(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)測點數(shù)據(jù)采集,選用上海華測公司的X60 M GPS設(shè)備共計101 個位移監(jiān)測點和1個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,通過數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)實時傳輸GPS觀測數(shù)據(jù)到控制中心,并實時為各監(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)一放在機柜。監(jiān)測整個系統(tǒng)的軟件和硬件運行狀況,一旦某個監(jiān)測站出現(xiàn)死機現(xiàn)象,系統(tǒng)馬上通過數(shù)據(jù)信號觸發(fā)方式實現(xiàn)接收機自動重啟；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,實時的數(shù)據(jù)采集的延遲不大于1 s；通過短信、電子郵件等方式進行報警,可對監(jiān)控點進行頻域和時域分析,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,GPS控制點15 個組成四等GPS控制網(wǎng),作為聯(lián)測斷面基點的起始點；采用五等GPS或電磁波測距導(dǎo)線測定斷面基點坐標(biāo)成果斷面基點聯(lián)測60 個點,四等水準(zhǔn)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(qū)泥沙淤積測量。

4 結(jié)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(biāo)坐標(biāo)儀、量水堰計、位移計、鋼筋計、應(yīng)變計、無應(yīng)變計、土壓力計、收斂計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時采集,形成立體自動監(jiān)測網(wǎng),全面、及時準(zhǔn)確掌握了工程狀態(tài),預(yù)測預(yù)報發(fā)展趨勢,可為保障工程安全運行提供堅實的基礎(chǔ)。