浅谈水利水电工程安全监测系统的设计

浅谈水利水电工程安全监测系统的设计【摘要】安全监测是了解水利水电工程运行状态的重要手段，通过安全监测及数据分析，可以掌握各个建筑物的工作状况，评估其安全性，预测、预报工程的运行情况，提高管理的水平，保证工程的安全可靠，为设计施工的改进提供科学依据。

本文结合某水利水电枢纽工程工程的特点，统一规划设计了全面的安全监测系统，并对该工程监测断面及测点布置、监测系统自动化设计进行了介绍，以了解工程施工及运行期的性态，保证工程的正常运行。

【关健词】水利水电枢纽工程；安全监测；自动化系统；监测设计
某水利水电枢纽工程由混凝土双曲拱坝、右岸引水发电系统等建筑物组成。

坝顶高程390.00 m，最大坝高138.00 m，电站装机2台，单机容量35 mw。

工程等别为ⅱ等，相应拦河坝、电站引水洞进口等建筑物为2级。

电站引水洞、电站厂房、开关站等建筑物为3级。

坝址区主要岩层为天河板组泥质条带灰岩、豆状灰岩，石龙洞组白云岩、白云岩夹灰岩，岩体较完整，抗压强度较高，坝基上游为石牌组砂质页岩、粉砂岩。

坝址区岩溶不发育，岩体透水性弱，断层不发育。

根据该工程特点，安全监测系统设计将按照重点、一般两个层次选择监测部位，有针对性地布设各类监测设施；充分考虑当前监测技术的发展现状，力求采用可靠、先进的监测手段，及时、准确地掌握建筑物及其基础从建设到运行全过程的安全性状，为分析、
评价工程安全和决策提供可靠依据。

监测设计力求做到施工期与永久运行期监测相结合，仪表量测与人工巡查相结合，人工采集与自动化半自动化采集相结合。

监测系统的重点则放在对两个效应量的监测上，即变形和渗流。

1安全监测的目的
该水利水电枢纽工程安全监测以确保各类建筑物在施工期、蓄水期和运行期的安全为主要目的，同时兼顾验证设计、指导施工等需要。

首先，通过对各类建筑物整体状态全过程持续的监测，采集建筑物的变形、渗流、应力应变、温度变化各效应量的初始值、基准值和各阶段变化过程的数据，及时进行分析与评价。

对危及建筑物的不安全因素及时提出处理措施，为有关部门决策提供依据。

其次，通过安全监测提供的有效数据，检验设计方案的正确性，检验施工质量是否满足设计要求。

施工期的监测，还可以检验施工方法和施工措施是否符合设计意图，也可以检验某些设计是否符合实际，从而为改进和完善施工方法和措施，优化和完善设计服务，以达到设计、施工动态结合及不断优化的目的。

此外，多项目、多功能的长期监测实践，可以为我国水利水电工程设计标准的改进和监测水平的提高提供依据。

2设计原则
根据该工程结构特点和地质条件，确定安全监测的总原则为“突出重点，兼顾全面，统一规划，逐步实施”。

选取工程中有代表性的部位作为重要监测断面，其他部位为一般监测断面。

重要监测断面观测项目齐全，仪器布置相对集中，对重要的效应量采取多种方法平行进行观测。

一般监测断面以重要物理量为主，仅布置少量仪器和测点，以掌握工程的整体工作状态或施工过程中出现的新情况。

监测项目中又以变形和渗流为主，应力应变及其他项目为辅。

该工程建设期长达4 年，监测系统不可能一次建成，特别是施工期必须采集的初始资料，不可能等待监测系统完成后才开始采集，因而必须根据施工计划和监测规划逐步实施。

但监测系统作为一个有机整体，必须在工程开始施工前进行统一规划。

3监测系统总体结构设计
该工程安全监测系统是一个由各建筑物、多种监测项目和数以百计的监测仪器、设备和计算机硬软件组成的复杂而庞大的信息采集、管理、分析、评价和反馈系统。

它的总体结构可以概括为：“一个整体系统、两个子系统、三大环节、二级监控，设计单位提供技术支持，业主单位决策”。

针对该工程建设期较长，各建筑物分区布置，运用相对独立的特点，将各建筑物分别独立形成安全监测子系统.以满足施工期安全监测要求；工程完工后，各安全监测子系统将成为整个工程安全监测系统的有机组成部分，由工程安全监控中心统一管理。

整个工程安全监控系统共设两个子系统，从左至右依次是：大坝子系统、电站子系统。

该工程安全监测系统的运行可分为3个环节：数据采集、数据管理、资料分析及建筑物安全度评价。

数据采集包括mcu自动采集、人工采集和巡视检查。

数据管理包括对原始数据的可靠性检验和必要的处理及存储管理。

资料分析及建筑物安全度评价包括初步分析其规律性和合理性，对建筑物安全度作出初步评价。

使用数学模型，运用多种分析理论，对建筑物的工作性态和安全度作出综合判断和评价。

这3个运行环节是依次进行、相互衔接的。

一般来说，前两个环节是由子系统监测站完成的；后一个环节是由工程安全监控中心完成的。

工程正常运行的情况下，安全监测系统将定期报告各建筑物运行情况；对危及工程安全的非正常工作状态，会及时向管理部门发出预警。

施工过程中，安全监测系统还将监测成果和分析报告送交设计和施工单位，以便及时优化设计或采取必要的措施，确保建筑物的施工与运行安全。

4监测断面及测点布置
该水利水电枢纽工程由混凝土双曲拱坝、右岸引水发电系统等建筑物组成。

拱坝以监测表面变形、内部变形、基础变形、渗流、接缝、坝体温度和坝体应力应变为主。

电站以监测进水口边坡安全、地下厂房围岩变形，岩锚梁安全和引水洞结构安全为主。

另外，在左、右岸坝肩布设了少量监测设施。

4.1混凝土双曲拱坝
坝体的变形监测包括表面变形和内部变形及挠度监测，该工程
表面变形采用水平、垂直位移监测网和精密水准点进行监测；坝体内部变形监测则采用双金属标、正、倒垂线。

横缝和接缝监测也是拱坝的主要监测内容，在坝体混凝土和左、右岸岩石接缝处布设了大量的基岩变形计和测缝计，另外在5条横缝上分8—12个高程布设了约40支测缝计。

在3号坝段和4号坝段各布设了一个重要监测断面，主要监测坝基变形、坝体变形、渗流压力、坝体温度和应力应变等，主要的监测设施有：精密水准点、双金属标、正、倒垂线、基岩变形计、渗压计、温度计、七向应变计、二向应变计、钢筋计、无应力计等。

另外在坝体基础灌浆廊道、左、右岸灌浆平洞内还布设了测压管、量水堰等。

用来监测坝体渗流和渗漏量。

4.2引水发电系统
在进水口边坡和引水隧洞各布设了1个监测断面，主要监测边坡的内部变形和引水隧洞的渗流压力。

地下厂房是引水发电系统的监测重点，在主厂房、副厂房和安装场共布设了4个监测断面，主要监测岩锚梁变形、围岩和接缝变形、渗流、锚杆应力等。

引水发电系统主要的监测设施有：精密水准点、测斜管、多点位移计、测缝计、收敛计、锚杆应力计和渗压计等。

4.3左、右岸坝肩
在左坝肩l号和2号抗剪洞内布设了应变计、无应力计和测缝计，监测抗剪洞混凝土的应力应变、分缝及接缝变化情况，共约30个各类测点。

在右岸300—345 m高程下游坝肩的地质缺陷处理区，选择4根锚索进行锚固力监测，共4台锚索测力计。

5监测系统自动化设计
5.1组成与结构
工程自动化监测系统是一个大的信息网络系统，采用二级监控、一级决策和技术支持的分级结构模式，系统层次分明，各级任务明确，便于进行操作、管理和统一调控。

整个系统由大坝监测子系统和地下电站监测子系统组成，采用开放型分层分布式智能化网络结构。

整个系统分为两个监控层次：第1层监控是将分布于大坝和地下电站的各类传感器就近引入相应的mcu（测量控制单元），由测量控制单元进行第1级监控；第2层监控是将分布于各部位的mcu接人工程安全监控中心，由安全监控中心进行第2级监控。

5.2监测项目及测点选择
工程安全监测系统覆盖了各建筑物及其基础，项目多而杂。

对于接入自动化系统的监测仪器，首先应力求少而精，突出重点断面（部位）的监测项目和测点，并确保这些项目和测点能实时监测，长期可靠运行。

其次要求在关键断面（部位）能够采集到足够的重要信息，以便建立安全监控模型。

按照目前国内国际公认的“以变形和渗流监测为重点，适当的配置一些应力应变测点”的原则或思路，并根据该工程监测设施具体布设情况，初步考虑将大坝和电站的重点监测断面（部位）和可实现自动化测量的全部变形监测仪器、渗流监测仪器和约l/3—1/2的应力应变监测仪器接入自动化系统。

考虑到左、右岸坝肩不是监测的重点，因此这两个部位的监测设施不进入自动化系统，这样既
能突出关键项目和测点，又能有效控制自动化系统的规模。

经比选研究，拟接入自动化系统的监测仪器主要有以下几种：（1）变形监测仪器。

双金属标仪、垂线座标仪、倾斜仪、多点位移计、基岩变形计等。

（2）渗流渗压监测仪器。

渗压计、测压管、量水堰计。

（3）应力应变监测仪器。

无应力计、、温度计、测缝计、钢筋计及锚杆应力计等。

5.3监测设施
2、第l层监控设施。

第l层监控设施由分布于大坝和地下电站的各个mcu和接入mcu的传感器组成。

大坝部位配置8台mcu，接入的仪器包括垂线座标仪、渗压计、基岩变形计、测缝计、钢筋计、裂缝计、温度计、应变计、无应力计等。

地下电站部位配置4台mcu，接入的仪器包括多点位移计、锚杆应力计、锚索测力计、渗压计、测缝计等。

（2）第2层监控设施布置。

第2层监控由安全监控中心来实现，监控中心由2台监控主机、1台激光打印机、1台复印机、2台刻录机、2台ups电源、2台防雷击隔离电源、2台网络适配器、l 套监控管理软件组成。

安全监控中心主要功能包括管理整个安全监测系统的图纸与文件，以及所有的仪器、仪表资料；控制和接收各mcu传送来的信息，并且按照不同的监测项目进行分类管理；根据资料绘制各种图形，编制表格，并进行管理；对工程性状进行分析，提供整个工程定期的安全监测月报、年报，以及汛期及异常情况下的日报或紧急报告等。

6 结语
安全监测系统是监测建筑物及其基础、边坡、洞室运行状态和工程安全状态的耳目，可为业主提供决策依据。

建立一个可靠、高效能实时分析、快速反馈的安全监测系统，是一个复杂的系统工程，涉及多个专业和学科，需要统筹考虑、精心设计，以使监测系统的总体结构优化、布置方案合理。

该工程的安全监测设计，遵照“突出重点、兼顾全面、统一规划、逐步实施”的总原则，在确保有效监控工程安全的前提下，确立了“以变形和渗流监测为重点，仪器布置少而精”的设计思想，经过分建筑物、分部位、分项目的反复比较和精心研究，建立起一套集中、精简、高效的安全监测系统。

该系统既有监视工程安全的灵敏“耳目”，又有分析判断工程安全程度的智能“头脑”，它将在工程施工中逐步建立、逐渐完善，运行水平将日趋提高，对该水利水电枢纽工程的安全运行必将发挥重要作用。

参考文献：
[1]赵旭光，孙亚权.基于可编程控制器的水电机组水利参数自动检测系统[j].湖北水力发电，2004（1）.
[2]兰福江.石山口水库大坝安全监测自动化系统建设探讨[j].河南水利与南水北调；2010年（5）.。