新松水库大坝安全监测系统升级方案技术研究

引言

某核电厂淡水水源工程（新松水库）是以供应核电厂淡水为主，兼顾下游的灌溉及生活用水的中型水库。其大坝坝型为碾压混凝土重力坝，坝顶长度 369m ，共分 9 个坝段。作为核电站的唯一淡水水源，其工程安全对于保障核电淡水供应具有重要的意义，而大坝安全监测系统则是对工程安全进行连续评价所必需的配套系统。

1、现有大坝安全监测系统情况介绍

新松水库现有的大坝安全监测系统为工程建设阶段安装，包含测压管、正倒垂仪、引张线、视准线、渗流计、渗压计、应力应变计、坝基温度计等类型共计50 余个监测设备，用于对大坝的位移、渗透压、渗流量、坝基混凝土温度等参数进行持续监测。自 2012 年竣工验收以来监测设备陆续出现故障。首次大坝安全鉴定指出目前有效的监测项目不满足规范要求，数据信息管理功能过于简单且未按要求开展监测资料整编分析等问题。

鉴于以上情况，专项制定了大坝安全监测系统升级改造方案，包括监测设备及自动化监测系统改造两个方面。

2、监测设备改造方案

根据《混凝土坝安全监测技术规范》（SL601-2013）[1] 结合现场实际情况，大坝应力 / 应变、坝体温度等监测项目主要用于施工期的监测，目前已无监测意义，且若开展改造需对坝体进行深度钻孔，会对坝体造成一定影响，故决定如上监测项目不进行改造。针对混凝土重力坝特点，从变形监测、渗流监测、坝基温度监测三个方面制定了改造方案。

2.1 变形监测方案

大坝变形监测包括水平位移、垂直位移、倾斜监测、坝体表面接缝和裂缝监测等。

根据大坝高程特点，采用视准线和引张线法进行水平位移监测。视准线法维持现有观测墩进行观测，同时布置合计1 套6 测点引张线，2 座倒垂和 1 座正垂。正倒垂布置遥测垂线仪进行自动化读数，并布置光学垂线仪以便运维人员进行人工比对。

一般可采用几何水准法和液体静力水准法监测坝体垂直位移，两种测法各有优缺点。为同时发挥两种测法的优点，本次改造采用几何水准法，在现有观测墩水准点基础上，新增 5 个水准点进行表面垂直位移人工监测，同时采用静力水准法以现有双金属标作为工作基点，于坝顶布置1 套静力水准系统进行自动化监测。

坝基垂直位移监测是通过在 3# 坝段基础底部布置 1 座双金属标，在2# 和4# 坝段设置水准点监测几个最大坝高坝段的坝基位移。

倾斜监测是通过在 9 个坝段观测墩对应位移上游布置水准点，观测坝体倾斜变形。

因建基面与坝体之间接缝不再具备改造条件，主要改造坝体横缝及裂缝监测。共设置 5 支单向测缝计监测坝体横向分缝，设置 2 支双向测缝计监测消力池和坝体之间分缝，监测消力池变形情况，另设置4 支单向测缝计监测坝体表面裂缝，监测裂缝后续变形。

2.2 渗流监测

坝基扬压力的大小和分布，对大坝抗滑稳定性影响很大，因此根据建筑物结构特点、工程地质与水文地质条件以及渗控工程处理措施，采取纵、横监测断面相结合的布置形式，在每个坝段采用钻孔式测压管和渗压计。为及时了解大坝基础扬压力大小及其分布，实现坝基扬压力自动化监测，在各测压管内布设 1 支渗压计，同时可起校核测值之用。

根据大坝基础廊道及排水设施布置、排水沟流向、集水井位置，在坝基基础灌浆廊道进入坝趾集水井入口布置三角量水堰和 1 支堰位计自动化监测大坝基础渗漏量。

在大坝下游左、右岸沿流线方向分别布置 3 个监测断面，每个断面分别布置 2 个测点采用测压管和渗压计进行监测，合计 12 支测压管和 12 支渗压计。测压管进口管高程要求低于水库死水位高程及地下水位高程。这些测压管既作为绕坝渗流监测孔，同时也作为地下水

位长期观测孔。

2.3 应力应变及温度监测

完建大坝很难补设应力应变监测，而坝体温度监测的主要目的是对大体积混凝土浇筑后的水化热进行监测[2]，因当前大坝已建成多年，水化热已可以忽略，且开展坝体温度监测需要对坝体进行钻孔，故本次改造仅进行坝基温度监测。通过在 3# 坝段的钻孔，在不同孔深处共布设 4 支温度计，观测基岩温度变化梯度以便了解坝体混凝土温度对基岩的影响和温度计算的边界条件。

3、自动化改造方案

大坝安全监测系统测点数量多且分散，靠人工观测不但精度低、监测人员工作量大，且在汛期或紧急情况下无法及时采集到相关数据并进行分析处理，因此计划以工程安全监测为目的，遵循“实用、可靠、先进、经济”原则，结合现场情况建立一套精度高、长期稳定、可靠的自动化监测系统，开发专用监测控制和分析软件。

根据安全监测仪器的布置情况及监测自动化仪器设备的工作特点和要求，采用分布式自动化监测系统加远程通信管理方案。自动化系统采用基于“以太网络”的分层分布开放式结构，设置中央控制单元和就地控制单元。系统主干网采用以太网交换机连接中央控制单元和现地控制单元。中央控制单元配置一台工业级主机工作站用于整个坝区监测系统的监控和通信，另配一台主机安装相应的管理、分析软件系统，用于可视化信息处理分析。就地控制单元按被控对象进行分布。

监测中心站设在中控室内，自动化检测单元安装在各个观测站。通过光缆或五类屏蔽铜双绞线连接，以 RS-485/422 方式联接组成分布式网络。

改造完成后的自动化监测系统具备如下功能：

监测功能：能自动采集本工程各类传感器的输出信号，并能把模拟量计算为整编物理量，支持实时、定时、远程控制数据采集等多种测控方式，每支传感器设警戒值，当测值超过警戒值时能自动报警。

显示功能：界面可显示工程建筑物及监测系统的总体布置、各监测子系统组成、监测布置图、过程曲线、监测数据分布图、监控图、报警状态显示窗口等。

操作功能：监测管理中心站计算机上可实现监视操作、输入 / 输出、显示打印、报告现在测值状态、调用历史数据、评估系统运行状态等，根据程序执行状况或系统工作状况给出相应的提示，修改系统配置、进行系统测试和系统维护等。

除此外还具备掉电保护功能、数据通信功能、网络安全防护功能、远程操作功能、安全监测自动化系统防护、自检和报警功能等，同时配备安全监测自动化系统数据库，具备工程安全监测信息管理及分析能力，当自动化监测系统出现异常时还可以进行人工补测和比测。

4、结语

为确保新松水库大坝工程安全，提供用于对工程安全进行连续评价所需要的资料，判断建筑物是否正常，是否有安全余度，结合运营期水利工程和碾压混凝土坝的特点专项制定了新松水库大坝安全监测系统升级改造方案。通过本次升级改造，可掌握库水位变化、水库水位陡升陡降、时效、季节变化引起的大坝变形规律和应力分布规律。后续可通过进一步研究监测工程状况和累积记录，对工程设计进行改进，并通过观测数据和理论指标进行比较，评价设计中取值参数的合理性，进一步完善和改进分析技术及工程试验，使未来的设计参数选择更趋于经济合理。而将各类监测设备集成后组成的自动化系统可有效降低大坝运维工作人员工作量，实现“无人值班，少人值守”的大坝运行管理模式。对于提升新松水库大坝工程运维安全水平以及核电站淡水水源保障能力具有非常重要的意义。

参考文献

[1] 王士军、张国栋等 《混凝土坝安全监测技术规范》（SL601-2013）

[2] 范欢齐 关于工程施工中的混凝土温度与裂缝控制的探析 科技信息：2013 年第 23 期