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南一水庫混凝土壩安全監(jiān)控技術研究與應用

文檔作者：蔡志偉，王士軍2，吳維漢3，鮑亮2，葛從兵2 文檔來源： 1．漳州市水利局 2 南京水利科學研究院 3．漳州市南一水庫管理局		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年02月22日
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2011年第4期
南一水庫混凝土壩安全監(jiān)控技術研究與應用
蔡志偉 ，王士軍2，吳維漢3，鮑 亮2，葛從兵2
(1．漳州市水利局，福建漳州363000；2。南京水利科學研究院，江蘇南京210029；
3．漳州市南一水庫管理局，福建南靖363605)
摘要：該文介紹了南一水庫高混凝土壩安全監(jiān)測方案研究與監(jiān)控預警技術，重點探討了GPS
監(jiān)測系統(tǒng)與全站儀監(jiān)測系統(tǒng)融合與應用方案和GPS在混凝土壩變形監(jiān)測中應用的運行模式，
闡述了南一水庫混凝土壩安全監(jiān)測信息采集、管理與在線分析預警系統(tǒng)的總體結構與功能。系
統(tǒng)投入運行2年多以來，性能穩(wěn)定，監(jiān)測成果分析為南一水庫大壩安全運行管理及洪水資源利
用等提供了重要技術支撐，取得了顯著的經濟效益和社會效益。
關鍵詞：混凝土壩；安全監(jiān)控；GPS；南一水庫
中圖分類號：TV698．1 文獻標識碼：B 文章編號：1002—3011(2011)04-0015—05
_l 項目背景
南一水庫位于福建省南靖縣境內，是九龍江西
溪上游主要水利樞紐工程，集雨面積522 km ，總
收稿日期：2011—08—25
庫容1．58億m ，屬大(2)型水庫。攔河大壩為混
凝土重力壩，壩頂長195．3 m，最大壩高96．8 m。
大壩于1990年3月開始施工，1992年11月蓄水運
行。水庫死水位275．00 m，汛限水位296．50 m，正
常蓄水位303．50 m，設計洪水位305．55 m，校核洪
水位306．66 m。水庫主要承擔下游南靖縣城和漳州
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2011年第4期
市區(qū)防洪任務，兼有發(fā)電綜合效益。
為提高南一水庫混凝土壩安全監(jiān)測監(jiān)控與預警
技術水平，提高水庫管理信息化水平和能力，水利
部交通運輸部國家能源局南京水利科學研究院與漳：
州市南一水庫管理局開展了南一水庫混凝土壩安全
監(jiān)控技術與應用研究。研究內容包括：南一水庫混
凝土壩安全監(jiān)測方案與監(jiān)控預警技術研究；GPS監(jiān)
測系統(tǒng)與全站儀監(jiān)測系統(tǒng)融合與應用方案和GPS運
行模式研究；南一水庫混凝土壩安全監(jiān)測信息采集、
管理與在線分析預警系統(tǒng)研發(fā)。
2 大壩安全監(jiān)控體系研究
2．1 安全監(jiān)測內容
依據(jù)國內外混凝土壩安全監(jiān)測研究成果及南一
水庫大壩特點，在考慮利用原有監(jiān)測設施及監(jiān)測資
料連續(xù)條件下，安全監(jiān)測內容包括：變形監(jiān)測(壩
頂水平垂直位移、壩體水平垂直位移、裂縫)，滲
流監(jiān)測(滲流量、壩基揚壓力、繞壩滲流、壩基集
水井水位)，應力應變及溫度監(jiān)測(混凝土應力、
應變、溫度)和環(huán)境量監(jiān)測(上下游水位、降水
量、庫區(qū)水溫、氣溫、氣壓)。
2．2 監(jiān)測項目布設
2．2．1 變形監(jiān)測
(1)壩頂水平位移及垂直位移監(jiān)測。考慮資料
連續(xù)，壩頂表面變形監(jiān)測沿用原有9個監(jiān)測點。由
于大壩為折線，壩頂水平位移采用交會法測量，水
平變形控制網(wǎng)由8個基準點構成，其中壩肩右岸山
體布置5點，壩肩左岸山體布置3點，利用全站儀
進行自動化監(jiān)測。如圖1所示。
圖1 南一水庫大壩表面變形監(jiān)測平面布置示意圖
(2)壩體廊道水平位移及垂直位移監(jiān)測。壩體
廊道內水平位移仍采用引張線監(jiān)測，利用原有10個
測點位置，每個測點配置遙測引張線儀1臺。2 、
7 壩段各安裝一條倒垂線，用于引張線的基準測量，
配置倒垂裝置各1套，各安裝1臺垂線坐標儀。垂
直位移采用靜力水準方法，在2 、3 、4 、5 、6 、
7 每個壩段各布置1個測點，共6個測點，每個測
點安裝I臺靜力水準儀。7 壩段設置雙金屬管標，
作為垂直位移測量基準。如圖2所示。
(3)壩基接縫及壩體裂縫監(jiān)測。南一水庫原設
有壩基接縫開合度監(jiān)測測縫計，將部分能正常工作
的測縫計接入自動化系統(tǒng)。壩內廊道0+043．5處存
在較大的裂縫，布置一只測縫計監(jiān)測裂縫開度。
2．2．2 滲流監(jiān)測
(1)壩基揚壓力監(jiān)測。平行壩軸線方向布置1
個縱向監(jiān)測斷面，每個壩段1個測點，縱斷面軸線
位于主排水幕線上，測點孔位位于兩個排水孔中間
位置，建基面以下lm處。大壩布置5個橫向監(jiān)測
斷面揚壓力監(jiān)測，樁號分別為0+036．75、0+
046．95、0+070．5、0+99和0+138。每個橫斷面
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16
圖2 南一水庫大壩內部變形監(jiān)測布置示意圖
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圖3 南一水庫大壩揚壓力監(jiān)測布置示意圖
靠近上游面的第1個測點以縱斷面在該壩段的測點
替代。詳見圖3。
(2)繞壩滲流監(jiān)測。右岸地質條件較好，未進
行繞滲監(jiān)測。左岸地質條件較差，設置4個測點，
分別監(jiān)測防滲刺墻防滲效果和未進行防滲處理部位
的繞滲情況。
(3)滲漏量監(jiān)測。滲漏量采用量水堰監(jiān)測，兩
岸滲流和河床滲流分區(qū)監(jiān)測。0+100斷面272 m廊
道(WE1)、O+038斷面272 m廊道(WE2)、灌漿
排水廊道(WE3)、輔助排水廊道壩基滲流量
(wE4)等4處設置量水堰測量滲漏量。0+043．5
裂縫(WE5)、右岸402勘測探洞(WE6)各增設1
處量水堰監(jiān)測滲漏量。
(4)集水井水位監(jiān)測。壩基集水井內設置1只
滲壓計監(jiān)測集水井水位，水位達到警戒點時，監(jiān)測
管理中心產生聲光報警。
2．2．3 應力應變及壩體溫度監(jiān)測
施工期在0+067、0+103等斷面埋設監(jiān)測儀
器，將其中正常工作的應力應變及壩體溫度儀器接
人測控單元，實現(xiàn)自動化監(jiān)測。
2．2．4 環(huán)境量監(jiān)測
(1)上、下游水位與壩址降雨量監(jiān)測。水庫已
設置了上、下游水位與壩址降雨量的自動化測量，
此3項環(huán)境量監(jiān)測項目直接從水情數(shù)據(jù)庫中取數(shù)。
(2)庫區(qū)水溫監(jiān)測。上游水位井內自正常蓄水
位303．50 nl高程以下10 cm至死水位275．00 m高
程以下20 em問點布置溫度計7只、死水位以下lO
111處布置1只，共8只溫度計測量庫水溫。
(3)氣溫與氣壓監(jiān)測。監(jiān)測管理站屋頂設置一
個百葉箱，內置氣壓計和溫度計各1只，用于壩區(qū)
氣壓、氣溫測量。
2．3 安全監(jiān)控模型與預警技術
結合南一水庫大壩實際情況，分別建立了大壩
位移統(tǒng)計模型、位移時空分布模型、接縫開合度統(tǒng)
計模型、壩基揚壓力統(tǒng)計模型及滲流量統(tǒng)計模型等。
其中壩體位移模型和接縫開合度模型考慮水壓、溫
度和時效因子。位移時空分布模型不僅考慮水壓、
溫度、時效因子，還考慮測點的位置(x，Y，z)
因子。壩基揚壓力、滲流量統(tǒng)計模型考慮上、下游
水位、降雨、溫度及時效等因子。
根據(jù)南一水庫大壩實際情況和工程特點，南一
大壩預警監(jiān)控指標的擬定采用置信區(qū)間估計法。根
據(jù)監(jiān)測資料，通過對影響因素和因子模型的分析，
建立監(jiān)測效應量與影響因子之間的統(tǒng)計模型。然后
用模型計算在各種荷載作用下監(jiān)測效應量(E)與
實測值E的差值(它一E)，那么該值有1一 的概
率在置信帶(△ =±iS)范圍之內。一般取 =
5％ 。i=3。
當I E—E I<3S且無明顯趨勢性變化，可認
為運行正?；虬踩蝗粲汹厔菪宰兓瑧訌娪^測
和分析，查找原因。
當l E—E I≥3S時，測值異常。若無明顯趨
勢性變化，加強觀測和分析，查找原因；若有明顯
趨勢性變化，則為嚴重異常，應加強觀測和分析，
在查找原因的同時，采取適當措施。
因此，相應監(jiān)測量的監(jiān)控指標為
E =宦±3S
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3 GPS在大壩安全變形監(jiān)測中的應用研究
3．1 GPS與全站儀監(jiān)測融合應用方案研究
全站儀觀測受氣候、環(huán)境等條件影響，而GPS
具有全天候、在線、高精度、連續(xù)監(jiān)測的優(yōu)點，因
此，大壩表面變形監(jiān)測同時采用GPS技術。左岸設
置1個GPS基準站(GPS1)，壩上設置3個監(jiān)測站
(GPS2、GPS3、GPS4)，右岸設置1個監(jiān)測站
(GPS5)，每個GPS觀測墩設有棱鏡，可以利用全
站儀觀測。
全站儀監(jiān)測采用8處基準點建立的本地控制網(wǎng)
圖4 GPS與全站儀同心
觀測結構觀測墩
坐標，GPS采用WGS一84坐標。GPS位移量是
WGS一84坐標系下的測量值，棱鏡初始坐標是本地
控制網(wǎng)下的坐標值，不屬同一坐標系。為改變GPS
觀測墩外的連接棱鏡的偏心狀態(tài)，加工將棱鏡與
GPS天線同心的結構裝置，即GPS天線在上，棱鏡
在天線下，二者通過特殊的金屬結構穩(wěn)固連接成一
個相對位置不變的剛體結構。棱鏡與GPS天線在同
一平面上的中心投影重合，兩套系統(tǒng)采用統(tǒng)一的
WGS一84坐標系，實現(xiàn)全站儀與GPS監(jiān)測三維坐標
與變形的同步監(jiān)測。詳見圖4、圖5。
3．2 GPS運行模式研究
GPS運行模式直接影響觀測精度。2009年7月
至9月期間，進行不同觀測時段下(10 s、1 h、6
h、12 h、24 h)后處理數(shù)據(jù)精度內符合對比分析。
選取GPS2監(jiān)測點在不同觀測時段的數(shù)據(jù)進行分析，
其中10 s監(jiān)測選取2009年7月3日22：00至24：00
間2小時數(shù)據(jù)，1 h、6 h、12 h、24 h監(jiān)測成果均選
取2009年7月13 13～19 13 l周內數(shù)據(jù)分析。
不同觀測時段的成果數(shù)據(jù)比較分析如下： (1)
10 s觀測時段下，監(jiān)測值波動在±50．0 mm范圍以
內。(2)l h觀測時段下，監(jiān)測值波動在4-10．O mm
以內。(3)6 h觀測時段下，監(jiān)測值波動在±3．0
mln范圍以內。(4)12 h觀測時段下，GPS系統(tǒng)的
內符合精度大幅度提升，監(jiān)測數(shù)據(jù)內符合精度在
±1．5 mm范圍以內。(5)24 h觀測時段下，GPS系
統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)內符合精度水平位移在±1．0 mm范圍
】8
圖5 GPS與全站儀同心結構構造圖
以內，豎向位移在±1．0 mm以內，達到項目設計技
術指標要求。
根據(jù)不同觀測時段測量結果分析，GPS信號采
集時間越長，測量精度越高；水平位移測量精度高
于豎向位移測量精度。根據(jù)已有GPS監(jiān)測資料分
析，GPS系統(tǒng)在大壩安全監(jiān)測中應用是可行的，監(jiān)
測精度可滿足有關規(guī)范要求。建議水庫大壩13常監(jiān)
測時觀測時段為24 h，汛期及其它應急條件下監(jiān)測
時觀測時段可提高到6 h。
4 南一水庫混凝土壩安全實時監(jiān)控預警系統(tǒng)研發(fā)
4．1 系統(tǒng)結構
南一水庫混凝土壩安全實時監(jiān)控預警系統(tǒng)包括
信息實時采集系統(tǒng)和信息管理分析預警系統(tǒng)，前者
由監(jiān)測儀器、數(shù)據(jù)采集裝置、通信裝置和中央控制
系統(tǒng)組成。
2011年第4期
4．2 監(jiān)測儀器
南一水庫監(jiān)測項目多，監(jiān)測儀器包括全站儀、
GPS、引張線儀、垂線坐標儀、雙金屬坐標儀、靜
力水準儀、測縫計、孔隙水壓力計、量水堰計、溫
度計和氣壓計等。
4．3 數(shù)據(jù)采集裝置
通過性能比較，數(shù)據(jù)采集裝置選用南京水利科
學研究院研制生產的IHSMS—I型智能分布式水利
工程安全監(jiān)測測量控制單元，具有參數(shù)設置、數(shù)據(jù)
通信與測量、數(shù)據(jù)存儲、系統(tǒng)自檢、供電、抗雷擊
和電磁干擾等功能。
4．4 通信裝置
系統(tǒng)采用信號電纜與光纖結合的通信方式：監(jiān)
測站MCU與監(jiān)測點傳感器之間通過信號電纜采集數(shù)
據(jù)，監(jiān)測管理站與監(jiān)測站MCU之間通過光纖實現(xiàn)雙
向數(shù)據(jù)通信，監(jiān)測管理中心站以及外網(wǎng)用戶通過設
立在監(jiān)測管理站的服務器實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信。
4．5 中央控制系統(tǒng)
中央控制系統(tǒng)由監(jiān)控主機(系統(tǒng)服務器)通訊
及電源設備、大壩安全監(jiān)控分析與預警系統(tǒng)軟件組
成，具有控制、數(shù)據(jù)自校和報警、人工數(shù)據(jù)錄入、
數(shù)據(jù)遠程訪問等功能。
大壩安全監(jiān)控分析與預警系統(tǒng)對GPS實時測量
數(shù)據(jù)、全站儀自動測量數(shù)據(jù)及內觀監(jiān)測系統(tǒng)測量數(shù)
據(jù)進行整合、管理與分析，實現(xiàn)監(jiān)測資料實時分析
與預警。系統(tǒng)采用瀏覽器／服務器結構和智能客戶端
相結合的技術，開發(fā)框架采用Microsoft．NET，開發(fā)
語言為C#，開發(fā)工具為Microsoft Visual Studio．NET。
信息管理按照《混凝土壩安全監(jiān)測技術規(guī)范》
(DL／T5178—2003)、《混凝土壩安全監(jiān)測資料整編
規(guī)范》(DL／T5209—2005)及相關規(guī)程要求，由資
料維護、報表打印、圖形繪制等模塊組成。資料維
護包括基本資料查詢、添加、修改、刪除，監(jiān)測數(shù)
據(jù)添加、查詢、修改、刪除、計算、異常數(shù)據(jù)處理，
數(shù)據(jù)備份和恢復。報表打印包括基本資料表和統(tǒng)計
表。圖形繪制包括過程線、相關線、斷面分布圖等。
資料分析預警對豎向位移、水平位移、接縫、
壩體溫度、壩基揚壓力、繞壩滲流、滲流量等監(jiān)測
數(shù)據(jù)建立位移統(tǒng)計模型、位移時空分布模型、接縫
開合度統(tǒng)計模型、壩基揚壓力統(tǒng)計模型和滲流量統(tǒng)
計模型等，結合現(xiàn)場巡查，進行位移、開合度、揚
壓力、滲流量實時在線分析，綜合分析大壩安全性
態(tài)與發(fā)展趨勢；采用上述監(jiān)控模型檢驗實時監(jiān)測數(shù)
據(jù)，發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)及時報警，以便工程技術人員及
時確定異常數(shù)據(jù)產生的原因，確保大壩安全。
5 結語
針對南一水庫高混凝土壩特點，研究了南一水
庫高混凝土壩多維、多方式、多途徑的綜合性安全
監(jiān)測方案與監(jiān)控預警技術，提出了GPS與全站儀監(jiān)
測融合與應用方案，研制適用于GPS與全站儀監(jiān)測
的混凝土壩表面變形監(jiān)測點同心結構，實現(xiàn)了監(jiān)測
點GPS與全站儀監(jiān)測信息對接；融合GPS、全站儀
外部變形監(jiān)測及內部變形監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集、信息管
理與分析預警等技術，研發(fā)了水庫混凝土壩安全監(jiān)
控分析和預警系統(tǒng)；提出了GPS系統(tǒng)在水庫大壩安
全監(jiān)測應用技術，創(chuàng)建了滿足混凝土壩變形監(jiān)測精
度的GPS運行模式。系統(tǒng)自2008年8月投入運行以
來，性能穩(wěn)定，通過監(jiān)測成果分析南一水庫工程安
全，在汛期為南一水庫安全運行管理及動態(tài)汛限水
位控制等提供了重要技術支撐，取得了顯著的經濟
效益和社會效益，其成果可推廣應用于其它類似
工程。
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第一作者簡介：蔡志偉(1965一)，男，福建龍
海人，高級工程師，從事水利水電X-程設計、管理
工作。
19

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