水电站截流中的水文监测技术探究

□郑艳军

水利工程进行截流施工时，河流龙口在合龙过程中水流速度将会不断地提升，将会对戗堤以及河流下游的河床覆盖层造成一定的冲刷侵蚀，在经过一定的发展后将会严重地造成戗堤失稳。因此，在水利工程进行截流施工中制定科学的水文监测策略，根据流域中河床再造及冲淤变化情况有效地实施截流施工调度，对工程的安全施工具有重要的作用。

1.工程概况

某水电站为以发电为主兼顾防洪、灌溉的大型水利工程，是一座具有重要收益价值的水利工程，其中拦河大坝为高碾压混凝土双曲拱坝，大坝高点为275m，最大高程为610m，其中水库的正常蓄水位121×108m3，水库的防洪库容为48×108m3，水电站在建总装机容量为12600MW，该工程是目前该流域上最大的水电站项目。此工程施工阶段使用围堰进行流域的全面挡水，设置6 个导流孔，在截流施工中则设置6 个导流孔，截流主要是采取单戗立堵截流方式进行施工，根据施工前的截流建模结果分析显示，戗堤的最大的落差为3.65m，截流龙口的最大水流速度为5.5m/s。

图1 截流施工中的水文监测的主要内容

2.水文监测目的、内容及特点

截流施工是保障水利工程正常施工的重要内容，截流的结果与水利工程的施工质量及安全具有直接联系，而截流的水文监测则可以为进行戗堤施工、水流流量、工程围堰的渗流情况以及龙口水流速度等截流水文对戗堤施工影响因素的监测分析，以此获得工程全生命周期中水力特征变化规律情况，根据水文监测结果为截流施工的优化、施工中的力学分析、施工组织等提供科学的数据支持等。截流施工中的水文监测的主要内容如图1 所示。

水文监测在实际的应用中同时也存在着一定的难点，具体表现如下：

2.1 具有一定的作业风险

河流龙口戗堤进占施工属于水上作业，对于施工场地以及河流的水流条件具有一定的要求，但通常在实际施工中施工现场环境以及水流条件较为恶劣，对于需要在监测船只上作业的施工人员而言具有极大的安全风险。

2.2 监测作业船只在高速水流下难以保持稳定

龙口戗堤进占施工中，受到逐渐合龙的作用水流的流速将显著的增加，这种条件无法使监测船只有效的靠近监测区域，即便利用抛锚将船只进行牵引固定，船只也会在湍急的水流作用下产生剧烈的摇摆，而且GPS 卫星基站锁定以及数据的间歇性更新将会产生定位方面的误差以及发生信号接收的延迟，做多方面因素的作用中将会造成监测数据的出现错误。

2.3 监测设备运行对水流流速、水体含沙量具有一定的要求

当前在监测领域中使用较为广泛的为超声波技术，但此技术具有一定的弊端，声波在传递过程中遇到的介质不同其反射的状态也会具有一定的差异，如在常规的河流声波监测，当在河底反射后遇到水中泥沙、微量气泡等物质后也会产生反射现象，将导致监测结果出现误差。

图2 GPS 配合测深仪进行河床地形观测的系统配置

图3 本工程中监控点位布置图

表1 本工程截流施工阶段水文数据监测统计表

3.监测技术的应用

3.1 技术路线

本次工程截流水文监测技术主要为高精度测绘系统，包括GPS 接收机、HSH-I 超声波测深仪、ADCP 电波流速仪、激光全站仪以及终端数据设备等。GPS 配合测深仪进行河床地形观测的系统配置。见图2。

3.2 水文监测点分布

依据此工程中的实际情况，截流施工监测区域长度约为7km，监测点位主要设置在5 条导流孔、戗堤、工程下游以及龙口等主要区域监控点位布置图如图3 所示。

3.3 截流前的河道本底观测

为了验证工程截流模型分析结果以及更好的满足工程中的截流施工要求，将采用相对的施工技术进行重要区域的截流前河道本底观测。

导流孔口地形监测。为了解工程导流孔围堰拆除后河道河床的真实情况，乘坐监测船只使用GPS 定位系统及声波探测设备测量河床进出口区域的地下情况。

特征部位断面监测。在截流河段区域的上围堰、戗堤、大坝轴线以及下围堰等位置利用全站仪进行河道横断面的定位并使用理论测量深度为40m的HSH-I 超声波测深仪进行测量，本工程中戗堤断面的最大水深为23m。

3.4 水位、落差监测

工程中水位以及落差监测点位共有17 个，但大多是人工无法到达的区域，面对这种状况，可采用无协作目标电子全站仪对进行目标区域水位、落差的监测。方法主要针对测量人员无法到达目标点，在600m 范围内无需人工立尺便可获取精准数据。

3.5 龙口流速监测

戗堤进占施工中最主要也是最重要的一项数据便是龙口的水流流速，由上文叙述可知，伴随着龙口的逐渐合龙，其水流速度将会不断地增加，加之戗堤进占的施工面以及河道的水流特性等因素，造成监测时无法使用常规监测方法进行数据的测量。因此，在本工程中，结合现场实际的施工条件，将使用电波流速仪及浮标法进行龙口流速的监测。

电波流速仪法。电波流速仪是测量水体表面流速的仪器，其主要原理是多普勒效应，使用过程中不需要与被测介质进行接触，其有效测量范围为100～150m，测量视野水平角度＜45°，最大的垂直角度为45°，可测量最大流速13m/s，并且，水体的流速越高其测量结果越精准，故电波流速仪可应用于本工程龙口流速监测。在进行本工程龙口流速监测时，首先根据电波流速仪的测量参数在戗堤下游一侧岸边设置测量站。通过测量后获取了400 余次本工程龙口流速，其中所测最大流速为9.5m/s。

浮标法。浮标法为传统测速中常用的方法，在本工程中国主要作为备用方案。在测量时，首先使用经纬仪或者是全站仪进行交会，根据浮漂的运行轨迹计算出水流的速度。此外，利用浮标法可以检验电波流速仪的测量精度，在验证后显示，本工程中电波流速仪所测量的结果精准可靠。

3.6 龙口宽测量

龙口的宽度主要是指戗堤轴线两水边点之间的距离，通过此数据可掌握施工的进度详情，也是进行水文计算的主要数据之一。本工程中龙口宽度的测量主要使用全站仪测量。龙口宽平距计算过程为：

式中：L—表示激光测距仪的实际测量斜距（单位：m）；

α—表示天顶距。

龙口宽高差过程计算为：

式中，k1—表示曲率的改正数值（k1=Lsinα/2R，其中R 表示地球曲率半径，单位：m）；

k2—表示大气的折光改正数（k2=0.14k1）；

i—表示仪器的高（单位：m）；

v—表示觇牌的高度（单位：m）。

龙口宽计算过程为：

式中：β—表示水平夹角；

D1、D2—表示测量仪器到龙口两侧岸边的平距（单位：m）。

3.7 河流总流量监测

施工中龙口合龙过程中流量的计算公式为：

式中：Ql—表示龙口的流量（单位：m3/s）；

Qd—表示导流设施的分流流量（m3/s）；

Qac—表示河槽内调蓄的流量（单位：m3/s）；

Qs—表示戗堤中产生的渗流量（单位：m3/s）。

由于本工程中河槽段较短，因此Qac在本次计算中将不做考虑。因此，总流量去除龙口过流量便可得到导流孔分流量，导流孔的分流比可以表示为：

4.水文监测结果分析

本工程截流施工中龙口的进占至合龙成功共历时35h，本工程截流施工阶段水文数据监测统计表见表1。

经对比后显示，本工程中实际监测结果数据均高于施工前的截流建模结果，监测结果精准性相比同类工程更具有科学性、合理性，因此，在水电站截流施工中应用适当的水文监测技术具有重要的作用及意义。

5.结论

在进行水电站截流施工中通过传统技术与新技术的结合，能够更有效地实现水文监测作业。在实际的施工中通过利用ADCP、电波流速仪等新技术可以实现传统监测中无法完成的作业，对于截流施工的现场组织和指挥具有重要的作用。工程水文监测的成功，对于类似工程的施工具有重要的参考价值。□