新立城水库大坝渗流安全监测系统设计
王春海分享
［摘 要］ 本文对新立城水库大坝渗流安全监测系统的布点及所选用的设备进行了综合比较和研究，通过合理选择设备保证了大坝监测系统的稳定运行，具有可操作性。
［关键词］ 大坝安全监测； 设备； 选型
１工程概况
新立城水库位于吉林省伊通河中上游，距长春市区１６ｋｍ，控制流域面积１ ９７０平方公里，总库容５．９２亿立方米，是一座以防洪、供水为主的大型水库。水库按百年一遇洪水设计，按可能最大洪水校核。枢纽工程包括大坝、输水洞和溢洪道等主要建筑物。
２大坝渗流监测系统建设必要性
虽然新立城水库大坝现有安全监测设施对揭示水库存在的问题和保证大坝安全运行发挥了重要作用，但监测项目设置仍存在不足，不能适应新立城水库工程管理技术进步的要求；本次除险加固后，原设渗流监测设施无法全部保留，也不满足《土石坝安全监测技术规范》（ＳＬ６０—１９９４）的要求，主要表现为：
（１） 大坝坝基坝体渗流监测虽已建立包括输水洞渗漏监测在内的6个监测断面，但监测仪器的布设基于当时大坝渗流状态，一是坝基高喷灌浆施工势必导致坝顶及上游监测设施损坏，二是原监测仪器布置难以满足建立灌浆体后的渗流监测要求。在灌浆体有效作用下，坝轴线下游布设的监测仪器尤其是坝体渗流监测仪器可能处于非有效工作状态，应针对大坝新的防渗体系布设和完善渗流监测测点。
（２） 在目前条件下减压井能起到一定的排水减压作用，但灌浆体建立后，减压井功效将发生根本的改变，应视具体情况更新监测方案。渗流量监测将以总堰为主进行监测。
３渗流监测系统技术方案设计
３．１渗流监测断面及测点设计
大坝除险加固主体工程为坝基高喷灌浆，其主旨为根治大坝坝基渗透隐患。对于灌浆完工后的防渗效果以及大坝渗流场的变化情况，均需要有针对性地在特定的位置安装监测设施，对其工程效果进行监测。
本次渗流监测设计充分考虑坝基地质情况及此次除险加固工程的工程内容，并结合原渗流监测系统的布置及系统运行成果，共布设１４个监测断面，分别为０＋４０５、０＋６０５、０＋８０５、１＋００５、１＋２０５、１＋４０５、１＋５９１、１＋８０５、１＋９１１、２＋００５、２＋２０１、２＋４０１、２＋５２５。下面以几个典型断面为例阐述一下监测系统的布点原则。
（１） ０＋４０５断面。大坝０＋０００~０＋４００桩号处于坝址河道岸坡段，此坝段渗流隐患属于次要部位，建坝时未清至坝基风化岩石，基础仍为强透水层。尽管库区天然及淤积覆盖深厚，但了解坝基灌浆效果还是必要的。因此，此断面仅在灌浆断面前后各布置一个测点，监测其灌浆效果。
（２） １＋２０５、１＋４０５、１＋５９１、１＋８０５、１＋９１１、２＋００５断面。大坝１＋２００~２＋２００桩号处于坝址河床段，坝高超过１５米。此坝段是大坝变形较大的坝段，也是坝基渗透隐患严重的坝段，应予以重点监测。因此，在１＋２０５、１＋４０５、１＋５９１、１＋８０５、１＋９１１、２＋００５桩号各布置一个监测断面。其中，１＋４０５和２＋００５断面布置及监测目的与０＋４０５断面相同；１＋２０５断面布置3条监测垂线，分别位于灌浆断面前、后及下游马道，每条垂线坝基坝体各布置一个测点，监测高压灌浆在坝基坝体防渗效果、坝基渗流压力分布和坝体浸润线。１＋５９１断面布置4条监测垂线，灌浆断面前、后各一个钻孔，每孔坝基坝体各设一个测点，监测高压灌浆效果，每条垂线坝基坝体各布置一个测点，监测灌浆在坝基坝体防渗效果、坝基渗流压力分布和坝体浸润线。下游马道和坝脚下游的两条垂线均沿用原渗流监测系统测点，监测坝基渗流压力分布和坝体浸润线；１＋８０５断面布置4条监测垂线，灌浆断面前、后布置与１＋５９１断面布置和监测目的相同，下游马道垂线上布置一个坝体测点，监测坝体浸润线，下游坝脚外坝基布置一个测点，与灌浆断面前、后坝基测点形成坝基监测断面，监测本断面坝基渗流压力分布情况；１＋９１１断面灌浆断面前坝基设一个测点，下游马道和坝脚下游的两条垂线均沿用原渗流监测系统测点，本断面3测点均为坝基测点，旨在监测灌浆在坝基的防渗效果。
（３） ２＋２０１、２＋４０１、２＋５２５断面。大坝２＋２００~２＋６００桩号为坝址主河槽段，亦即最大坝高段，是大坝渗流监测的重点坝段。为此，在２＋２０１、２＋４０１、２＋５２５断面各布置一个完整监测断面，监测坝基坝体渗流压力状态。其中２＋２０１、２＋４０１断面基于原渗流断面布置，并尽量利用原系统有效测点。
上述渗流监测断面及布设渗流测点构成大坝渗流监测体系，基于其监测成果，对大坝坝基、坝体渗流压力平面分布状态进行总体评价。
３．２大坝渗流监测系统仪器选型
大坝渗流安全监测和管理自动化系统，采用分布式自动化数据采集系统，各断面测点渗流监测数据传入从站的ＭＣＵ，从站ＭＣＵ数据无线传输到设在水库管理局工程管理处总控制室控制主站。
３．２．１仪器选型原则
掌握仪器的使用条件，了解其应用历史，包括仪器应用历史、正常使用年限、使用环境、故障率、准确度、精度等；考察生产厂家的生产能力，售后保证条件；足够的可靠性、耐久性及满足工程需要的使用精度要求；必须根据工程性态的预测结果、物理量的变化范围、使用条件、使用年限及性价比确定仪器类型、型号、量程及精度等级等。
３．２．２渗流压力监测仪器
渗流压力监测仪器品种和类型较多，有振弦式、差动电阻式、电阻应变片式以及电感式、气动式等类型，国内外生产厂家知名的就有２０余家。各孔隙水压力计的性能指标和稳定性各有特点，通过性能价格比的综合比较，新立城水库大坝渗流监测所用孔隙水压力计选用美国ＧＥＯＫＯＮ公司生产的振弦式４５００系列孔隙水压力计。该类传感器全部采用受温度影响最小的不锈钢元件制造，振弦元件设在焊接成的真空密封腔内，钢弦的两端采用特殊锻压工艺技术固定，标准透水石是用带５０微米小孔的不锈钢制成，从而保证了产品的高稳定性和微型化，具有坚固耐用、外形尺寸小、安装简便、测值稳定可靠、精度和分辨率高等特点，因而在国内许多大型水利工程中得到应用，如二滩水电站、三峡水利枢纽、丹江口水电站、葛洲坝枢纽、官厅水库、黄碧庄水库、潘家口水利枢纽、万家寨引黄入晋工程、丰满水电站等近百个水利工程的安全监测，取得了较好的监测效果。
３．３测控单元（ＭＣＵ）选型
３．３．１选型原则
大坝安全监测自动化系统起步于２０世纪８０年代，在９０年代得到较大的发展，国内外均有成熟的产品问世并在实际应用中日臻完善。考虑到进口产品虽在性能上具有较大的优势，但其价位高、维护不及时且对操作管理人员要求高（英文操作软件），建议大坝测控单元选用国内产品。
３．３．２本系统建议ＭＣＵ选型
依据新立城水库大坝渗流监测系统工程的特点以及系统建设先进性的要求，数据采集单元（ＭＣＵ），选用基康仪器（北京）有限公司生产的测量控制单元ＢＧＫ－ＭＩＣＲＯ－４０ＭＣＵ。
４结语
新立城水库大坝安全监测系统的建立，实现了工程监测自动化，为指导工程安全运行提供了可靠的依据，系统整体性能国内先进国际一流，可供有关科研和设计部门借鉴。
［关键词］ 大坝安全监测； 设备； 选型
１工程概况
新立城水库位于吉林省伊通河中上游，距长春市区１６ｋｍ，控制流域面积１ ９７０平方公里，总库容５．９２亿立方米，是一座以防洪、供水为主的大型水库。水库按百年一遇洪水设计，按可能最大洪水校核。枢纽工程包括大坝、输水洞和溢洪道等主要建筑物。
２大坝渗流监测系统建设必要性
虽然新立城水库大坝现有安全监测设施对揭示水库存在的问题和保证大坝安全运行发挥了重要作用，但监测项目设置仍存在不足，不能适应新立城水库工程管理技术进步的要求；本次除险加固后，原设渗流监测设施无法全部保留，也不满足《土石坝安全监测技术规范》（ＳＬ６０—１９９４）的要求，主要表现为：
（１） 大坝坝基坝体渗流监测虽已建立包括输水洞渗漏监测在内的6个监测断面，但监测仪器的布设基于当时大坝渗流状态，一是坝基高喷灌浆施工势必导致坝顶及上游监测设施损坏，二是原监测仪器布置难以满足建立灌浆体后的渗流监测要求。在灌浆体有效作用下，坝轴线下游布设的监测仪器尤其是坝体渗流监测仪器可能处于非有效工作状态，应针对大坝新的防渗体系布设和完善渗流监测测点。
（２） 在目前条件下减压井能起到一定的排水减压作用，但灌浆体建立后，减压井功效将发生根本的改变，应视具体情况更新监测方案。渗流量监测将以总堰为主进行监测。
３渗流监测系统技术方案设计
３．１渗流监测断面及测点设计
大坝除险加固主体工程为坝基高喷灌浆，其主旨为根治大坝坝基渗透隐患。对于灌浆完工后的防渗效果以及大坝渗流场的变化情况，均需要有针对性地在特定的位置安装监测设施，对其工程效果进行监测。
本次渗流监测设计充分考虑坝基地质情况及此次除险加固工程的工程内容，并结合原渗流监测系统的布置及系统运行成果，共布设１４个监测断面，分别为０＋４０５、０＋６０５、０＋８０５、１＋００５、１＋２０５、１＋４０５、１＋５９１、１＋８０５、１＋９１１、２＋００５、２＋２０１、２＋４０１、２＋５２５。下面以几个典型断面为例阐述一下监测系统的布点原则。
（１） ０＋４０５断面。大坝０＋０００~０＋４００桩号处于坝址河道岸坡段，此坝段渗流隐患属于次要部位，建坝时未清至坝基风化岩石，基础仍为强透水层。尽管库区天然及淤积覆盖深厚，但了解坝基灌浆效果还是必要的。因此，此断面仅在灌浆断面前后各布置一个测点，监测其灌浆效果。
（２） １＋２０５、１＋４０５、１＋５９１、１＋８０５、１＋９１１、２＋００５断面。大坝１＋２００~２＋２００桩号处于坝址河床段，坝高超过１５米。此坝段是大坝变形较大的坝段，也是坝基渗透隐患严重的坝段，应予以重点监测。因此，在１＋２０５、１＋４０５、１＋５９１、１＋８０５、１＋９１１、２＋００５桩号各布置一个监测断面。其中，１＋４０５和２＋００５断面布置及监测目的与０＋４０５断面相同；１＋２０５断面布置3条监测垂线，分别位于灌浆断面前、后及下游马道，每条垂线坝基坝体各布置一个测点，监测高压灌浆在坝基坝体防渗效果、坝基渗流压力分布和坝体浸润线。１＋５９１断面布置4条监测垂线，灌浆断面前、后各一个钻孔，每孔坝基坝体各设一个测点，监测高压灌浆效果，每条垂线坝基坝体各布置一个测点，监测灌浆在坝基坝体防渗效果、坝基渗流压力分布和坝体浸润线。下游马道和坝脚下游的两条垂线均沿用原渗流监测系统测点，监测坝基渗流压力分布和坝体浸润线；１＋８０５断面布置4条监测垂线，灌浆断面前、后布置与１＋５９１断面布置和监测目的相同，下游马道垂线上布置一个坝体测点，监测坝体浸润线，下游坝脚外坝基布置一个测点，与灌浆断面前、后坝基测点形成坝基监测断面，监测本断面坝基渗流压力分布情况；１＋９１１断面灌浆断面前坝基设一个测点，下游马道和坝脚下游的两条垂线均沿用原渗流监测系统测点，本断面3测点均为坝基测点，旨在监测灌浆在坝基的防渗效果。
（３） ２＋２０１、２＋４０１、２＋５２５断面。大坝２＋２００~２＋６００桩号为坝址主河槽段，亦即最大坝高段，是大坝渗流监测的重点坝段。为此，在２＋２０１、２＋４０１、２＋５２５断面各布置一个完整监测断面，监测坝基坝体渗流压力状态。其中２＋２０１、２＋４０１断面基于原渗流断面布置，并尽量利用原系统有效测点。
上述渗流监测断面及布设渗流测点构成大坝渗流监测体系，基于其监测成果，对大坝坝基、坝体渗流压力平面分布状态进行总体评价。
３．２大坝渗流监测系统仪器选型
大坝渗流安全监测和管理自动化系统，采用分布式自动化数据采集系统，各断面测点渗流监测数据传入从站的ＭＣＵ，从站ＭＣＵ数据无线传输到设在水库管理局工程管理处总控制室控制主站。
３．２．１仪器选型原则
掌握仪器的使用条件，了解其应用历史，包括仪器应用历史、正常使用年限、使用环境、故障率、准确度、精度等；考察生产厂家的生产能力，售后保证条件；足够的可靠性、耐久性及满足工程需要的使用精度要求；必须根据工程性态的预测结果、物理量的变化范围、使用条件、使用年限及性价比确定仪器类型、型号、量程及精度等级等。
３．２．２渗流压力监测仪器
渗流压力监测仪器品种和类型较多，有振弦式、差动电阻式、电阻应变片式以及电感式、气动式等类型，国内外生产厂家知名的就有２０余家。各孔隙水压力计的性能指标和稳定性各有特点，通过性能价格比的综合比较，新立城水库大坝渗流监测所用孔隙水压力计选用美国ＧＥＯＫＯＮ公司生产的振弦式４５００系列孔隙水压力计。该类传感器全部采用受温度影响最小的不锈钢元件制造，振弦元件设在焊接成的真空密封腔内，钢弦的两端采用特殊锻压工艺技术固定，标准透水石是用带５０微米小孔的不锈钢制成，从而保证了产品的高稳定性和微型化，具有坚固耐用、外形尺寸小、安装简便、测值稳定可靠、精度和分辨率高等特点，因而在国内许多大型水利工程中得到应用，如二滩水电站、三峡水利枢纽、丹江口水电站、葛洲坝枢纽、官厅水库、黄碧庄水库、潘家口水利枢纽、万家寨引黄入晋工程、丰满水电站等近百个水利工程的安全监测，取得了较好的监测效果。
３．３测控单元（ＭＣＵ）选型
３．３．１选型原则
大坝安全监测自动化系统起步于２０世纪８０年代，在９０年代得到较大的发展，国内外均有成熟的产品问世并在实际应用中日臻完善。考虑到进口产品虽在性能上具有较大的优势，但其价位高、维护不及时且对操作管理人员要求高（英文操作软件），建议大坝测控单元选用国内产品。
３．３．２本系统建议ＭＣＵ选型
依据新立城水库大坝渗流监测系统工程的特点以及系统建设先进性的要求，数据采集单元（ＭＣＵ），选用基康仪器（北京）有限公司生产的测量控制单元ＢＧＫ－ＭＩＣＲＯ－４０ＭＣＵ。
４结语
新立城水库大坝安全监测系统的建立，实现了工程监测自动化，为指导工程安全运行提供了可靠的依据，系统整体性能国内先进国际一流，可供有关科研和设计部门借鉴。
