石佛寺水库大坝安全监测系统应用与分析

□孔祥东（辽宁兴建工程项目管理有限公司）

1 工程概况

石佛寺水库位于辽河干流，是一座大型河道控制性水利工程，水库的主要建筑物有主副大坝、泄洪闸及一些穿坝建筑。水库的主坝长度为12.50 km，副坝长度为30.10 km，有泄洪闸16孔，总长度约为251.20m。石佛寺水库控制流域总面积为16.51万km2，设计洪水位50.35m，总库容约为1.90亿m3，其中防洪库容约占总库容的85%左右。石佛寺水库工程于2003年5月份开工建设，到2005年总体结构完工并开始发挥防洪作用。项目总投资约为7.50亿元，其可将下游防洪标准由原来的30 a一遇提高到现在的100 a一遇，发挥着重要的防洪保障作用。

2 石佛寺水库大坝安全监测系统概述

目前，水库大坝的安全监测系统要求具有以下几个特点：一是精确度高。坝顶水平位移量要求误差值≤2mm，切向位移量误差值≤1mm。二是反应灵敏。能够及时反映坝体外形变化情况。三是系统稳定性强。能够在恶劣的环境中正常工作，例如：大风、大雨、温度较高或较低等情况。四是自动化程度高。要求监测系统维护工作量较少甚至没有。

石佛寺水库大坝安全监测系统包括两部分：大坝变形监测系统和渗流监测系统，目前已经全部投入使用。下面分别对这两个系统进行详细分析。

2.1 大坝变形监测系统

众所周知，水库大坝变形监测工作对保证大坝安全具有重要意义。传统监测手段具有成本高、观测误差大、实时性和同步性较差等缺点，GPS监测技术具有“高精度、高效益和高自动化”等优点，其应用范围也越来越普遍。在本项目中，应用的就是GPS监测技术。

基准点选取的合适与否直接决定了测量结果的质量。GPS技术要求基准点的选取符合以下要求：一是天空开阔，地质条件较好，以方便接收卫星信号；二是与大坝的距离适中，且与坝顶高度相差不大；三是基点附近没有其他强信号干扰。在实际应用中，由于受到地形、植被、建筑物等方面的影响，基准点的选取还是有一定的难度。

经过实地调查石佛寺水库坝区及周围地质环境条件，技术人员最终选择将朱尔山和调度中心楼楼顶作为设置全网的两个基准点位置。监测点沿着大坝方向设置，与基准点联合测量，其中在水坝上布置的GPS监测点有15个，高程拟合点2个，基准点和各个监测点之间最远距离为11.20km，最近距离为5.45km。本项目的监测点位分布如下图1：

图1 石佛寺水库大坝变形监测点布置图

除此之外，技术人员还进行了长达40 km的二等水准联测，使得水准网可覆盖所有的坝面监测点。监测网两端的接收机由MicroZ-iCGRS连续测量参考站担任，两个端点的接收机一是需要连续观测，二是需要与IGS跟踪站联测。MicroZ-iCGRS系统设计满足高品质双频GPS无人值守连续数据采集作业的苛刻要求，数据文件可以在接收机连续跟踪和记录数据的同时，经由MicroZ-iCGRS下载，并且也可实时输出数据。

此外，将ThalesZ-Max测量系统作为坝面监测点的接收机，Z-Max可以满足各种精度定位的需求。将Ashtech proMark2单频接收机作为渗流段面监测用接收机，在段面监测中，由于基线非常短，在基线长度都在5~25m之间，利用Ashtech的单频接收机采集数据，并用随接收机一起购买的数据处理软件Ashtech solutions解算基线并进行平差。

经过实际使用，石佛寺水库布置的GPS变形监测系统完全满足对该土坝监测的相关要求。

2.2 大坝渗流监测系统

国际大坝委员会经过对全球范围内溃坝事件进行统计调查后得出结论：导致土石坝溃坝的原因中，洪水漫顶所占的比例约为40%，而渗透破坏所占的比例为30%（其中：坝体渗透破坏占17%，坝基渗透破坏占13%）；对于其他类型的大坝，渗流对坝体的影响也是巨大的。

石佛寺水库大坝的渗流监测系统主要包括两方面：主坝渗流监测和泄洪闸渗流检测。下面对这两方面内容进行分别分析。

2.2.1 主坝渗流监测

为了监测坝体浸润线及坝基渗流压力的变化，技术人员以石佛寺水库大坝轮廓线为基准，设计并建立了渗流监测网。在主坝上依次安设了BA0+125、BA0+665、BA1+145、BA2+595、BA3+695等5个浸润线监测点和5个渗流监测点。在其他位置也相应布置了监测点，具体位置如下图2所示。渗流监测点中都安装了振弦式渗压计。将编好号码的DAU数据采集仪接入到相应的断面测点中，之后利用光缆连接设在中控室内的采集计算机，最终组成主坝渗流监测系统。

图2 主坝渗流监测点布置图

2.2.2 泄洪闸渗流观测

水库在蓄水时，由于上、下游水位差作用的影响，泄洪闸、上游铺盖、斜坡段、消力池段底板会产生扬压力，这对坝体的影响是很大的。为了监测这些位置的渗透压力大小，技术人员在泄洪闸的闸墩之间底板上各埋设一个测点，对闸底板进行了重点监测。在上游铺盖、斜坡段及消力池段底板的横剖面方向BA0+245、BA0+339桩号位置也各布置了3个测点。

渗流监测点也安装有振弦式渗压计，将渗压计连接安装在闸室中的DAU数据采集仪，之后将采集到的数据传输到中控室的计算机做分析处理。这些装置共同构成了石佛寺水库大坝的泄洪闸渗流监测系统。

通过几年的应用，目前石佛寺水库大坝布置的渗流监测系统完全满足相关标准要求，保证了大坝的安全运行。

3 结语

通过对石佛寺水库大坝安全监测系统的技术分析，可以了解到该系统的安装对于保证石佛寺大坝的安全运行具有重要意义，是大坝建设必不可少的工程。随着科学技术的发展，大坝安全监测技术的发展必然更进一步，其中无线传感器网络技术已经成为其发展的重要方向。相关部门应积极引进先进的技术和人才，这样才能保证水利设施取得更大的经济效益和社会效益。

[1]朱伯芳,张国新,贾金生，等.混凝土坝的数字监控—提高大坝监控水平的新途径[J].水力发电学报,2009,1:130-136.

[2]李宗坤,胡铁成,千建有.大坝安全监测分析评价系统开发及应用[J].浙江水利水电专科学校学报,2008,20(1):8-12.

[3]何金平,李珍照.大坝结构性态多测点数学模型研究[J].武汉水利电力大学学报,2004,27(2):134-142.

[4]吴中如.水工建筑物安全监控理论及其应用[M].北京:高等教育出版社,2003.

[5]刘永贵.水库大坝监测系统设计问题分析[J].水力发电学报,2010,5:13-14.

[6]马学良.网络计算机技术在水利工程的应用现状[J].中国水利水电，2012，6：25-26.