小坑水库大坝安全监测系统改造方案探讨

杨永辉

(韶关市曲江区小坑水库管理处，广东 韶关 512162)

1 工程概况

小坑水库位于韶关市曲江区东南部，在浈江支流枫湾河上游，距韶关市区33 km的小坑镇境内。水库集雨面积为139 km2，年平均降雨量为1 650 mm，多年平均径流量为1.452 7亿m3，总库容为11 316万m3。小坑水库是一座集防洪、供水、灌溉、发电、水产养殖为一体的大(二)型水利工程，水库的主要任务是：提供年产700万t钢的宝武钢铁韶关钢铁集团有限公司工业生产及生活用水；灌溉下游农田面积0.37万hm2；提供坝后电站发电用水。

小坑水库建于1964年11月，1967年11月建成投入使用。1980年按大(二)型水库进行大坝安全加固，加固后土坝坝顶高程为239.3 m，防浪墙顶高程为240.6 m，最大坝高为50.3 m，坝顶宽6.0 m，长104.0 m，上游坝坡分5级，分别为1:2、1:1.62、1:2.5、1:2.75、1:3，下游坝坡分4级，为1:2、1:2.9、1:3、1:1.5，现正常蓄水位为227.20 m。

2 现状分析及存在问题

2.1 安全监测现状

小坑水库安全监测分内观和外观仪器监测，各监测项目及监测方式如下。

1) 变形监测

① 坝顶水平位移：无。

② 坝顶垂直位移：水准标点，5 个测点。现利用水准仪或全站仪定期进行监测。

2) 渗流监测

① 测压管：2 个断面共 8 个测点，传感器老化且被雷击损坏，部分测压孔淤塞失效，且缺少绕坝渗流测点；现仅靠人工定期进行观测。

② 渗流量：自1980年安全加固后至今，大坝一直没有设置渗流量观测，现缺项该项目观测。

3) 环境量监测

① 库水位：1 个测点，老化且被雷击损坏；仅靠人工进行观测。

② 降水量：4 个测点，老化且被雷击损坏；除水库雨量站靠人工观测外，上游集雨面积内的3个雨量点已缺失。

③ 大气温度：无大气稳温度测点。

4) 视频监视：4 支摄像头，老化且被雷击损坏。

5) 工作站、服务器及网络等设备运行了十几年，已经不能正常工作。

2.2 监测系统存在的问题

2.2.1完整性存在的问题

1) 缺漏关键的安全监测项目

① 两坝肩漏设绕坝渗流监测项目。

② 缺少水平位移监测项目，建议按照规范要求，在坝顶设置 1 条引张线，以监测大坝的水平位移。

③ 缺少水平位移基准，使得分析大坝坝顶水平变形量没有参考基准，得不到水平位移的绝对变化量，无法判断大坝水平变形的安全程度。按照规范要求，应在引张线的两个端点，即两岸坝肩各设置 1 个倒垂孔，并在倒垂孔内安装倒垂线作为坝顶水平位移监测的水平基准。

④ 缺少垂直位移基准，使得分析大坝坝顶沉降量没有参考基准，得不到坝顶沉降的绝对变化量，无法判断大坝沉降的安全程度。

2) 主要监测项目残缺、漏测点

① 渗流监测项目仅设有 2 个断面共 8 个测点，且缺少绕坝渗流测点，因此，渗流监测项目测点不完整。

② 环境量监测项目缺少大气温度，使大坝安全分析缺少 1 个重要的参数，因此，环境量监测项目测点也不完整。

由上可知，小坑水库大坝安全监测系统是一个不完整的系统，存在漏项、缺少位移和垂直位移基准、主要监测项目残缺、漏测点等问题。

2.2.2系统有效性方面存在的问题

1) 仪器设备老化、精度差

① 用于大坝渗流监测的8支传感器，由于老化和被雷击，大部分已经损坏，剩余的测量精度和稳定性不符合规范要求，需进行更新改造；另外，大部分测压孔已经淤塞失效。

② 工作站、服务器及网络等设备已经运行了10多a，工作稳定性不符合规范要求，需更换。

2) 水平、垂直位移监测项目缺少基准

2.2.3系统实用性方面存在的问题

1) 数据不完整。

2) 应用软件功能不能够满足要求。

2.2.4防雷稳定性较差。

小坑水库大坝位于山区，易于发生雷雨天气，小坑水库安全监测系统自2003年投入运行以来，大坝渗流观测传感器、MCU及视频系统经常被雷击损坏，使整个监测系统运行失灵。

3 改造目标和内容

3.1 改造目标

总体目标：建立完备的安全自动化系统，达到安全监测系统的完整性、有效性、实用性和实时性为工程安全运行管理提供科学的决策依据。

1) 完整性

系统、科学、合理地规划，结合工程的实际情况进行细致、周密地设计，按照规范要求，补充和完善必要的和主要的监测项目，使现有的安全监测系统建设成为一个完整的安全监测系统。

2) 有效性

对现有安全监测系统的基准、监测项目、监测设施及仪器设备，进行补设和改造，使各监测项目及测点的设置方式、观测方法及数据采集等有效。

3) 实用性

满足大坝安全监测、三防指挥及信息管理等各个工作环节的需要。

4) 实时性

信息采集满足工作的需要和水库综合任务信息的要求。

3.2 改造的内容

1) 监测项目

小坑水库大坝属大(二)型水工建筑物，遵循“技术先进、科学合理、安全可靠、经济实用”的原则，并综合考虑到水库工程的实际情况，对其安全监测系统进行自动化升级改造，主要设置如下监测项目：① 巡视检查； ② 渗流监测(含坝体、坝基及坝肩绕渗)； ③ 变形监测(含水平位移和垂直位移)； ④ 环境量监测(含降水量、库水位及大气温度)； ⑤ 视频监视。

安全监测各项目的测量频率按规范要求确定，大坝安全监测项目及其测量频率见表1。

表1 安全监测项目分类及其测量频率

2) 中控室

为了更好管理该系统和方便运行，建议将原设备房从 4 楼会议室搬迁到现办公室的 1 楼，并进行装修，改造成独立的中控室。

4 技术改造设计

4.1 项目改造情况表

小坑水库大坝安全监测系统现有项目及进行改造和新增项目情况见表2。

表2 项目改造情况

4.2 系统组成及功能

结合小坑水库大坝及管理处地理情况，建议纳入自动化系统的项目为：6 个视频监视点、4 个雨量站点、1 个坝前水位站、1 个大气温度监测点、20 个坝体浸润线监测点、1 条引张线(坝体表面变形监测)、2 条倒垂线、1 条静力水准(垂直位移监测)及双金属标。小坑水库安全监测系统测点布置平面示意见图1。

图1 小坑水库安全监测系统测点布置平面示意

4.3 自动化监测系统

以现代化的信息采集系统为基础、通信和计算机网络系统为支撑、信息管理与决策支持系统为核心，将小坑水库的输水涵闸控制系统、视频监视系统、大坝安全监测系统和水情测报系统建设成自动化系统。系统的功能主要包括：数据自动采集、储存和传输、数据处理、分析及报警。

系统将由渗压计(浸润线)、水位计、雨量计、气温计、工业电视、硬盘录象机、交换机、数据服务器、工作站、MCU、通信线路、LCD 显示屏、电源及软件等组成，详见小坑水库信息系统总体结构图2。

图2 小坑水库信息系统总体结构示意

4.4 系统防雷

小坑水库大坝位于山区，易于发生雷雨天气，为了对安全监测系统采取有效的防雷保护措施，保障监测系统正常可靠的运行，拟采用如下措施：

1) 明确监测系统遭受雷击损害的主要原因以及雷电可能的侵入途径；正确选择和使用监测系统设备的防雷保护装置。

2) 在 MCU 测量电路上采用光电隔离、工作电源相互独立等措施，防止感应雷进入MCU。平时不测量的时候 MCU 与传感器的测量线彻底断开，测量时再导通。

5 结语

小坑水库是一座集防洪、供水、灌溉、发电、水产养殖为一体的大(二)型水利工程，同时也是宝武钢铁韶关钢铁集团有限公司唯一水源，因此保证大坝的安全运行极其重要。本文通过对小坑水库安全监测系统的现状分析及存在问题，结合小坑水库大坝的特点，按照“技术先进、科学合理、安全可靠、经济实用”的原则，提出相应的安全监测系统改造方案。相信，通过对小坑水库现有安全监测系统实施改造，可从根本上解决现有系统中存在的问题。