(1.保山學(xué)院信息學(xué)院，云南 保山 678000；2.云南省施甸縣水務(wù)局，云南 保山 678200)

1 引 言

紅谷田水庫位于云南省保山市施甸縣壩區(qū)東北部，施甸河右岸一級支流官市河中游，水庫總庫容1190.3萬m3，最大壩高85.7m，工程等別為Ⅲ等，水庫規(guī)模為中型。死水位1631.34m對應(yīng)庫容77.9萬m3, 正常蓄水位1676.5m對應(yīng)庫容1088.9萬m3, 設(shè)計洪水位1677.5m對應(yīng)庫容1112.3萬m3, 校核洪水位1679.0 m對應(yīng)庫容1190.3萬m3。水庫樞紐工程由攔河壩、溢洪道和輸水隧洞組成，攔河壩為黏土心墻堆石壩。大壩為2級建筑物，溢洪道、輸水隧洞為3級建筑物。

紅谷田水庫大壩安全監(jiān)測項目包括：?壩體表面水平位移和垂直位移；?壩體和壩基的孔隙水壓力、滲透壓力；?內(nèi)部變形；?繞壩滲流、滲漏量、岸坡地下水位；?強震監(jiān)測等[1-2]。

2 安全監(jiān)測系統(tǒng)組成

紅谷田水庫大壩自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)由測站、監(jiān)測中心站、通信設(shè)施及配套電源組成。

測站：本項目設(shè)置4個測站，分別位于大壩后壩坡4間觀測房內(nèi)。

中心站：由工作站、數(shù)據(jù)采集軟件及分析軟件組成。

電源：采用交流電中心運程供電方式。

通信：采用光纜通信方式。

在大壩后壩坡觀測房內(nèi)安裝一體化自動變形觀測設(shè)備對大壩內(nèi)部水平及沉降變形進行監(jiān)測，并通過大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)進行實時監(jiān)測。在大壩壩體及兩岸坡壩的測壓管內(nèi)安裝滲壓計對壩體內(nèi)部浸潤線水位及兩岸水位進行監(jiān)測，并通過大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)軟件繪制大壩壩體各監(jiān)測斷面的浸潤線，掌握大壩壩體內(nèi)部的浸潤線變化情況。在大壩下游滲漏匯水點安裝監(jiān)測設(shè)備，對上述各滲流匯水點進行滲流量監(jiān)測。壩體表面沉降位移觀測采用人工觀測、手工錄入系統(tǒng)方式進行。

3 系統(tǒng)建設(shè)的主要內(nèi)容

3.1 壩體表面變形監(jiān)測

大壩表面變形包括垂直位移、水平位移，在大壩壩頂?shù)纳嫌?、下游?cè)分別布置一條視準(zhǔn)線，每條視準(zhǔn)線布設(shè)6個表面變形監(jiān)測點、兩個工作基點、兩個校核基點。在大壩下游壩坡布設(shè)三條視準(zhǔn)線，埋設(shè)12個表面變形監(jiān)測點、6個工作基點、6個校核基點。每個變形監(jiān)測點安裝強制對中裝置和水準(zhǔn)標(biāo)點，水準(zhǔn)標(biāo)點設(shè)置在表面位移觀測墩下部或旁邊。

3.2 內(nèi)部變形監(jiān)測

大壩內(nèi)部變形包括水平位移(上下游方向)和垂直位移(沉降變形)。水平位移監(jiān)測設(shè)備采用SSC-2型引張線銦鋼絲水平位移計，垂直位移監(jiān)測設(shè)備則采用SYW-2型水管式沉降儀。內(nèi)部變形監(jiān)測分別布置在壩軸0+125、壩軸0+175斷面。在壩軸0+125、壩軸0+175的1620.0m(3個沉降測點、3個水平位移測點)、1645.0m(2個沉降測點、2個水平位移測點)高程處分別安裝埋設(shè)10個沉降變形測點、10個水平位移測點。修建4座觀測房，安裝4套水管式沉降測量裝置、4套水平位移計測量裝置。

3.3 大壩滲流監(jiān)測

3.3.1 壩體內(nèi)部滲流監(jiān)測

在壩軸0+105的基礎(chǔ)部位及壩體1650.0m高程布設(shè)滲壓計監(jiān)測壩體滲流，基礎(chǔ)部位布設(shè)4支滲壓計，壩體部位布設(shè)5支滲壓計。

在壩軸0+175的基礎(chǔ)部位及壩體1630.0m高程布設(shè)滲壓計監(jiān)測壩體滲流，基礎(chǔ)部位布設(shè)4支滲壓計，壩體部位布設(shè)5支滲壓計。

在壩軸0+245的基礎(chǔ)部位及壩體1650.0m高程布設(shè)滲壓計監(jiān)測壩體滲流，基礎(chǔ)部位布設(shè)2支滲壓計，壩體部位布設(shè)3支滲壓計。

3.3.2 繞壩滲流監(jiān)測

在大壩的兩壩端防滲帷幕線后適宜位置各布設(shè)1個孔，下游壩坡結(jié)合水文地質(zhì)條件分別在兩岸山體可能產(chǎn)生滲流的流線和梯度方向各設(shè)3個滲流監(jiān)測孔，布設(shè)滲壓計8支。鉆孔、制作、安裝埋設(shè)測壓管，可采用電測水位計和滲壓計兩種方法監(jiān)測。

3.4 滲漏量監(jiān)測

大壩下游壩腳滲漏量主要包括壩基滲漏量、壩體滲漏量，以及由于降雨產(chǎn)生的部分山體滲流量。紅谷田水庫在下游壩腳的右側(cè)設(shè)置量水堰一座，2015—2017年施工期滲漏量監(jiān)測采用容積法量測。

2018年至今蓄水過程中，采用量水堰法觀測。人工觀測采用鋼尺量測，自動化監(jiān)測用量水堰微壓計觀測。

3.5 地震反應(yīng)監(jiān)測

在下游壩坡上壩踏步一側(cè)、大壩壩頂下游側(cè)分別布置4臺強震加速度計(含12個拾震器)，4臺傳感器通過屏蔽電纜引入監(jiān)控中心，全部接入設(shè)置于中心的強震記錄儀，構(gòu)成一個強震臺陣監(jiān)測系統(tǒng)。

4 系統(tǒng)組網(wǎng)

4.1 安全監(jiān)測中心組網(wǎng)方式

大壩安全監(jiān)測中心位于大壩右岸的管理工作站內(nèi)，由服務(wù)器、大壩安全監(jiān)測工作站、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等組成。

4.2 測站組網(wǎng)方式

4個觀測房測站分別由各測點傳感器和測控終端(MCU)組成。各測站網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)測中心的通信由監(jiān)測中心到下游壩面埋設(shè)的光纖有線通信實現(xiàn)，傳輸介質(zhì)采用單模光纖，通信方式為RS485通信。監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖1。

5 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

a.通信接口：RS-485(兩線或四線制可選)。

b.通信方式：采用RS-485現(xiàn)場總線。

c.測量方式：選測、定時自動測量。

d.測控終端的容量：內(nèi)置1～4個數(shù)據(jù)采集模塊。

e.定時間隔：1min～30天采樣一次。

f.采樣時間：2～55s/點。

g.工作電源：采用中心UPS遠程供電。

h.工作環(huán)境：溫度-20～50℃，相對濕度不大于95%。

i.系統(tǒng)平均無故障時間(MTBF)：20000h。

j.系統(tǒng)防雷電感應(yīng)：600～1500W。

6 系統(tǒng)設(shè)備及安裝調(diào)試

6.1 測控終端(MCU)

MCU-M測控終端是大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，由數(shù)據(jù)采集模塊、電源模塊、人工比測模塊、防雷模塊等部件組成。大壩的內(nèi)部變形、滲流、滲漏量等項目可通過傳感器自動進行數(shù)據(jù)采集和存貯，定期用筆記本電腦從MCU中讀取數(shù)據(jù)。

6.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊分為系統(tǒng)主電路和測量電路兩部分，本工程模塊采用單板結(jié)構(gòu)設(shè)計、隔離技術(shù)、CMOS集成芯片，具有智能化程度高、功耗低、抗干擾能力強、測量精度高、可靠性好等優(yōu)點，對于不同類型的傳感器可選擇相對應(yīng)的測量電路。

6.3 測控終端安裝及調(diào)試

6.3.1 安裝

a.確定安裝位置，并考慮儀器接入及電纜布置。

b.為便于測控終端維護方便，安裝高度低于1.6m。結(jié)合本工程結(jié)構(gòu)，安裝測控終端采用懸掛安裝的測控終端。

c.將引入監(jiān)測房的儀器電纜按順序接入測控終端的接線端子上，進線需整齊，標(biāo)記需明確。

6.3.2 調(diào)試

測控終端完成所有的接線后就可以開始調(diào)試。調(diào)試過程主要包括設(shè)置、通信檢查、自檢、測量、聯(lián)調(diào)、整理。

6.4 中央控制單元(CCU)

中央控制單元(CCU型)是攔河大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的通信、管理和控制設(shè)備，接受信管主機命令，控制系統(tǒng)中的測控終端運行，接受測控終端的測值和故障信息，將測控終端的測值和故障信息傳輸給信管主機。

6.4.1 組成

以監(jiān)控主機為主體，配置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件、通信轉(zhuǎn)換接口和通信防雷器、MCU工作電源開關(guān)和指示燈，以及系統(tǒng)加熱電源開關(guān)、機柜等部件。監(jiān)控主機通過串行口與安全監(jiān)測局域網(wǎng)相連，串行口經(jīng)信號轉(zhuǎn)換與各測控終端相連，組成大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動化采集系統(tǒng)。

中央控制單元的數(shù)據(jù)采集軟件在Windows98系統(tǒng)中用高級語言編寫，獨立運行。

6.4.2 技術(shù)參數(shù)

a. COM1和COM2為兩個用于通信的串行口，通過信號轉(zhuǎn)換器，采用半雙工方式工作。

b.連接模塊的數(shù)量：128臺。

c.連接測控終端的距離：1.2km。

d.測量方式：定時自動測量。

e.系統(tǒng)平均無故障時間(MTBF)：20000h。

f.工作環(huán)境：溫度10～30℃，相對濕度不大于75%。

g.工作電源：交流電220V±10%、50Hz。

6.4.3 安裝

中央控制單元安裝位置在管理中心，室內(nèi)接地線電阻小于5Ω，管理中心周圍避免劇烈震動和強電磁場干擾，室內(nèi)保持通風(fēng)、干燥，溫度需保持在10～30℃，相對濕度不大于75%。

7 監(jiān)測與資料分析

紅谷田水庫工程施工期為2014年12月—2018年12月,運行期為2019年1月至今。目前所埋儀器運行正常，測值穩(wěn)定。

7.1 滲壓計監(jiān)測資料整編分析

滲壓計2014年12月16日開始埋設(shè),2016年12月20日安裝埋設(shè)完成,截至2020年11月30日,對已埋設(shè)近6年的滲壓計進行周期觀測分析,各斷面滲壓計壓力測值隨庫水位的變化成相關(guān)關(guān)系，總體壓力測值變化較小，沒有異常。壩體、壩基主要斷面監(jiān)測的滲水壓力過程線及滲水壓力換算水位過程線見圖2～圖7。

圖2 壩橫0+105斷面滲水壓力過程線

圖3 壩橫0+105斷面滲水壓力換算水位過程線

圖4 壩橫0+175斷面壩基滲水壓力過程線

圖5 壩橫0+175斷面壩基滲水壓力換算水位過程線

圖6 壩橫0+245斷面滲水壓力過程線

圖7 壩橫0+245斷面滲水壓力換算水位過程線

7.2 繞壩滲流監(jiān)測資料整編分析

下游壩面安裝7個測壓管觀測孔，左右兩岸各鉆孔安裝了4個繞壩滲流測孔。下游壩面7個測壓管孔內(nèi)水位低于設(shè)計浸潤線。

左右兩岸各鉆孔安裝了4個繞壩滲流測孔,自2018年蓄水后，各孔內(nèi)水位均有所增長，與壩前水位表現(xiàn)具有相關(guān)性,繞壩滲流控制較好。

7.3 量水堰監(jiān)測資料整編分析

量水堰部位匯水包括壩基滲漏、壩體滲流、兩岸山體滲水、地表降水徑流等,2016年5月開始觀測,壩后量水堰無滲水。2019年5月汛期開始后有少許滲水，滲漏量與庫水位無相關(guān)性，受降雨影響相對明顯。水庫蓄水至正常水位后，最大滲漏量出現(xiàn)在2020年7月21日，為3.89L/s(14.004m3/h)。量水堰流量與庫水位相關(guān)過程線見圖8。

圖8 水堰流量與庫水位相關(guān)過程線

7.4 內(nèi)部變形監(jiān)測資料分析

在壩橫0+125斷面和0+175斷面(主河槽段)的1620.00m高程分別布設(shè)有3個水管沉降儀測點，1645.00m高程分別布設(shè)有2個水管沉降儀測點；在每個水管沉降儀的旁邊，相應(yīng)地布置有測量水平位移的引張線式水平位移計測點。

a. 4組同高程沉降量分布曲線規(guī)律基本一致，呈“斜線”形分布，大致為離壩軸線較近的測點沉降量明顯大于離壩軸線較遠的測點沉降量，壩體不均勻沉降與測點上覆層厚度相關(guān)。埋設(shè)初期，壩體沉降變形較快，隨著孔隙水壓消散及土顆粒調(diào)整，沉降變形減小，當(dāng)前沉降量趨于收斂。壩橫0+125斷面1620.00m高程沉降量近期測值變化規(guī)律與整體規(guī)律略有差異，自2018年以來，該斷面離壩軸線最遠測點AV5變形量大幅增長，近兩年增幅達27.5cm，目前該處沉降量為59.3cm，超過上游各測點沉降量。

b.在大壩1620.0m高程，最大沉降量為80.5cm，位于壩橫0+175的測點(壩縱0+022.0)；在大壩1645.0m高程，最大沉降量為83.6cm，位于壩橫0+175的AV6測點(壩縱0+022.0)，最大沉降量在2/3壩高處。

c.在大壩1620.0m和1645.0m高程，壩橫0+175斷面的各測點沉降量都大于壩橫0+125斷面相應(yīng)部位測點沉降量，說明沉降量與觀測斷面的壩體高度(測點上覆層厚)相關(guān)，符合壩體沉降一般規(guī)律。

d.自取得沉降觀測數(shù)據(jù)以來，大壩沉降量均未超過最大壩高的1%，滿足規(guī)范要求，沉降變化趨勢符合大壩沉降的一般規(guī)律。

壩橫0+125斷面1620.0m、1645.0m高程沉降量分布見圖9～圖10，壩橫0+175斷面1620.0m、1645.0m高程沉降量分布見圖11～圖12。

圖9 壩橫0+125斷面1620.0m高程沉降量分布

圖10 壩橫0+125斷面1645.0m高程沉降量分布

圖11 壩橫0+175斷面1620.0m高程沉降量分布

圖12 壩橫0+175斷面1645.0m高程沉降量分布

7.5 水平位移資料整編分析

大壩0+125斷面和0+175斷面水平位移量為-26.04～109.34mm，其中除AH3測點以外，均表現(xiàn)為向下游位移，符合變形規(guī)律。水平位移主要受壩體填筑和蓄水、溫度等環(huán)境變化的影響，1645.0m高程水平位移整體小于1620.0m高程，最大水平位移測值為109.34mm(向下游側(cè)位移)，發(fā)生在2020年5月28日1620.0m高程的AH8測點(壩橫0+175.0、壩縱0+022.0)。1645.0m高程的4個測點，其水平位移測值較小，在20mm以內(nèi)，安全裕度較高。

自2018年5月起，大壩開始蓄水，隨著庫水位上升的影響，水平位移均有所增長，但增幅不大，目前10個引張線式水平位移計測點的水平位移整體趨于收斂，未見異常。

壩橫0+125斷面1620.0m、1645.0m高程水平位移分布見圖13～圖14，壩橫0+175斷面1620.0m、1645.0m高程水平位移分布見圖15～圖16。

圖13 壩橫0+125斷面1620.0m高程水平位移分布

圖14 壩橫0+125斷面1645.0m高程水平位移分布

圖15 壩橫0+175斷面1620.0m高程水平位移分布

圖16 壩橫0+175斷面1645.0m高程水平位移分布

7.6 黏土心墻沉降環(huán)資料整編分析

壩橫0+175.0斷面累計沉降量在-1.8～-5.2cm之間，最大累計沉降量在高程1670.685m的26號環(huán)；壩橫0+125斷面沉降量小于主斷面，累計沉降量僅在-1.150～-4.100cm之間，最大累計沉降量在高程1678.817m的19號環(huán)，其他各沉降環(huán)累計沉降量都比較小，目前測值穩(wěn)定變化不大。黏土心墻沉降變形量小主要說明心墻填筑質(zhì)量較好，施工過程控制質(zhì)量高。因取得初始測值較晚，當(dāng)前變形值未包含黏土心墻填筑初期沉降變形量，這也是當(dāng)前累計沉降量較小的原因之一。

8 水庫數(shù)字化發(fā)展展望

當(dāng)前，隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)的不斷發(fā)展和日趨成熟，水庫數(shù)字化和一體化發(fā)展是大勢所趨。通過建設(shè)數(shù)字化水庫，可實現(xiàn)對水庫水雨情預(yù)測、智能視頻識別分析、閘門電站自動運行、大壩安全監(jiān)控自動化等功能，可為水庫的運維提供更加科學(xué)的管理方案，并使得水庫的綜合管理水平和保障體系更加完善。

9 結(jié)論及建議

紅谷田水庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)采用可靠、耐久、經(jīng)濟、實用的傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、電子技術(shù)和計算機技術(shù)，實現(xiàn)了全天候自動監(jiān)測，系統(tǒng)設(shè)備的安裝埋設(shè)過程中成活率、完好率較高。通過4年施工期及2年運行期的壩體表面變形、內(nèi)部變形、大壩滲流、滲漏量等自動監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，大壩變形符合一般規(guī)律，滲流滲壓變化在合理范圍，沉降滿足規(guī)范要求，大壩運行狀態(tài)良好，各項監(jiān)測指標(biāo)均有安全裕度。大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)與運用，基本實現(xiàn)了組網(wǎng)在線監(jiān)測、趨勢對比分析、及時發(fā)現(xiàn)問題，使運行管理單位能夠及時了解大壩運行性狀，科學(xué)判斷和采取有效的調(diào)度措施，并有針對性地實施除險，保障了水庫大壩的安全運行，提高了水庫的現(xiàn)代化管理水平。