黄万虎 沈顺云 刘开泰

(华能甘肃水电开发有限公司，甘肃 兰州 730070)

水电站大坝的安全直接关系到水电站的安全运行和人民群众的生命财产安全。水库大坝的隐患不易被察觉，因此，必须加强对大坝的安全监测，发现问题及时处理，防患于未然，保证大坝的安全运行，避免因大坝垮塌、溃坝等造成人员伤亡，保障人民群众的生命财产安全。

水电站大坝变形监测就是利用专用的仪器和方法对变形体的变形现象进行持续观测、对变形体变形形态进行分析、对变形体变形的发展态势进行预测等的各项工作。大坝安全监测主要对水平位移、垂直位移、渗透及裂缝进行观测，这些内容称为外部观测，为了了解大坝内部结构的情况，还应对混凝土应力、钢筋应力、温度等进行观测，这些内容常称为内部观测。大坝安全监测作为大坝安全管理的抓手，可以准确掌握大坝运行环境等要素自然变化情况，实时监控水库大坝的运行状态，从而实现对大坝安全的动态管理。

传统的水电站大坝变形监测有大地测量方法(边角交会、水准测量等)、陆地摄影测量法、埋设仪器法(埋设多点位移计、倾角计、钻孔倾斜仪、伸缩仪等)，这些方法主要依靠正倒垂线、弦矢导线、全站仪边角网和精密水准等常规手段，不仅观测周期长，而且精度受人为因素影响较大，在连续性、实时性和自动化程度等方面已越来越难以满足大型水工建筑物的动态监测要求。

随着测量技术、传感技术、通信技术等的快速发展，催生出自动化变形监测技术，很好地解决了目前传统人工监测中的难题。自动化变形监测技术基于测量机器人的非接触式监测技术，在数据精度、测量效率、数据处理上都有着无与伦比的优势，已经成为安全监测技术发展趋势。

1 工程概况

白龙江喜儿沟水电站位于甘肃省舟曲县境内的白龙江干流上游，电站为径流式水电站，额定水头57.8m，总装机容量72MW，年设计发电量2.85亿kW·h。电站首部枢纽由左副坝、三孔泄洪冲沙闸、右副坝、侧向进水口等组成，最大坝高20.5m，坝顶总长度161.5m，共分8个坝段。沿坝轴线从左至右，1～6号坝段为左岸挡水坝坝段，长92m；7号坝段为泄洪冲沙闸坝段，长36m；8号坝段为右岸挡水坝坝段，长33.5m。

2 大坝外部变形监测系统现状分析

2.1 外部监测系统组成

白龙江喜儿沟水电站大坝外部安全监测主要分为大坝变形监测与进水口边坡变形监测。大坝变形监测包括坝顶水平位移监测、坝顶垂直位移监测、接缝监测。进水口边坡变形监测主要为表面变形监测与深部变形监测(见白龙江喜儿沟水电站大坝外部变形监测项目表)。

白龙江喜儿沟水电站大坝外部变形监测项目表

2.2 大坝外部变形监测

a.坝顶水平位移监测。坝顶水平位移采用视准线法观测，在坝顶下游侧布设1条视准线，每个坝段布置1个测点，共布置8个测点，编号为AL1～AL8；在两岸坝肩部位各设1个工作基点，编号为TB01、TB02。水平位移采用尼康NPL-322全站仪观测，配置飞翔牌M-450B型固定舰标1台，飞翔牌M-400AL型活定舰标1台，观测频次为1次/月。

b.坝顶垂直位移监测。坝顶垂直位移采用几何水准法观测。在每个坝段视准线测点旁布设1个水准测点，共布设9个测点，编号为LD1～LD9。在右岸基岩布设1个基岩标作为垂直位移工作基点，在大坝左岸下游约1km处的交通公路旁边布置1个岩石标作为基准点(水准原点)。坝顶垂直位移采用拓普康DL-501电子水准仪观测，配置测微器1台，三脚架1支，DS03专用铟钢尺2把，尺垫2个，观测频次为1次/月。

c.接缝监测。为了解混凝土防渗墙和坝踵连接部位贴角混凝土和坝体之间接缝的变化，在坝踵混凝土与坝前铺盖连接板部位布设4组两向测缝计，分别监测接缝水平方向和沿坝面竖向的变形，测点编号为J2-1-S-1、J2-1-S-2、J2-2-S-1、J2-2-S-2，测缝计采用差阻式传感器，观测频次为1次/月。

2.3 进水口边坡变形监测

进水口位于右岸坝肩上游，由于进水口边坡开挖高度较高而且坡度较陡，因此对进水口边坡进行变形监测。进水口边坡布置了1个监测断面，位于边坡最高位置，主要进行表面变形与深部变形监测。

a.表面变形监测。表面变形利用表部变形测点进行监测，分别布设在高程1600.50m、1580.50m、1560.50m马道位置，共布置3点，测点编号为TP01～TP03，利用坝址区施工控制网进行监测，观测频次为1次/月。

b.深部变形监测。深部变形监测与表部变形监测相对应，在高程1600.50m、1580.50m、1560.50m马道位置各布设1套3点式多点变位计(锚固点深度分别为5m、15m、30m)，测点编号为M301-S～M303-S，监测边坡深部变形，观测频次为1次/月。

3 外部监测系统存在的不足

白龙江喜儿沟水电站外部监测原来采用人工监测方式，设备设施落后，监测工作量大，观测时间比较长，劳动强度大，受天气、人、现场条件等许多因素的影响，存在人为误差(如架站、仪器高量取、对中误差、操作失误)，监测效率低下，不能适应现代企业管理的需要。

人工观测仪器的观测频率受到一定的限制，特别是在汛期或紧急情况下常常不能及时采集到与水电站安全相关的数据，更无法对数据及时进行分析处理。

人工观测周期长，而且精度受人为因素影响较大，在连续性、实时性和自动化程度等方面已越来越难以满足水电站大坝的动态监测要求。

人工观测需要建立高精度的监测网，受地形条件的影响较大，监测网的网型比较差，从而使监测点点位精度受到较大影响。

4 大坝外部变形监测自动化系统设计

4.1 设计原则

a.整体规划。考虑整个坝区，重点监测大坝表面变形(水平位移和垂直位移)和进水口边坡表面变形(水平位移和垂直位移)。

b.先进可靠。采用先进的监测技术，选用稳定可靠的仪器及设备，确保系统的可扩充性和可维护性，使其能在各种恶劣环境条件下长时间地正常运行。

c.实用高效。充分满足工程的实际需求，建立全天候监测水电站大坝和边坡运行状态的安全监测系统，使其具备采集数据准确、成果可信、操作管理简便的优点，做到自动化监测与信息管理的统一。

4.2 自动化监测系统整体架构

自动化监测系统主要由自动测量机器人、后视基准点(棱镜)、监测点(棱镜)、边坡观测点、观测网点等组成(见喜儿沟电站自动化监测系统架构图)。

喜儿沟电站自动化监测系统架构图

4.3 监测设备选型

数据采集系统是安全监测自动化系统最为关键的组成部分，而监测设备是数据采集系统的主体设备，监测设备的性能和质量直接影响着变形监测系统的精度、稳定性及可靠性。因此监测设备的选型应该考虑到测角精度、测距精度、自动照准棱镜的距离和精度、稳定性、小视场技术等。

a.测量机器人。喜儿沟水电站测量机器人采用TM600.5″R1000型测量机器人。TM60精密监测机器人集成了徕卡测量高精度的测角和测距系统，自动照准距离达3000m，测角精度最高达0.5″，配合9.4′小视场角分辨率，确保了其无与伦比的监测精度。此外，全新的AutoLearn自主学习功能、ATRplus自动照准技术和IP65超高防尘防水等级，保障了仪器在恶劣环境下高效率、全天候地完成监测工作。

b.棱镜。喜儿沟水电站采用由GPR1圆棱镜和GPH1棱镜单框组成的棱镜组。GPR1圆棱镜具有特殊反射涂层，光学性能强，适用GPH1和GPH3单框，对中精度1.0mm，测程3500m，可保证监测数据的准确性和可靠性。

c.棱镜保护罩。喜儿沟水电站棱镜保护罩为半密闭式金属保护罩。该棱镜保护罩壳体一次性冲压成型，壳体表面做双层防锈喷塑处理，经久耐用，防止反光干扰监测。底盘采用高强度铝合金材料，内置固定底盘，与对中盘无缝连接固定，强制归心，监测方向0°～360°可调。

5 大坝外部变形监测自动化系统应用情况

5.1 实施效果

外观位移监测点覆盖监测对象主要结构部位，形成了完整的、可直观地体现出监测对象整体及局部重点部位外部变形特征的变形监测网。系统对所得监测数据具有自动分析功能，且分析成果科学、快捷，能够为总结坝体变形规律和及时掌握重大安全隐患提供可靠依据。

测点布置科学合理，符合相关规范及安全条件，同时监测设备运行稳定，满足连续正常运行需要，监控成果丰富、实时、可靠。具有灵活多变的数据报表输出功能，能够根据需要输出外业测量报表，简单方便。能够对测量数据进行平差，并进行回归分析，保证所有的数据准确无误，让用户对监测点的变化情况一目了然。

5.2 自动化监测与传统人工监测对比

a.数据采集便捷性。人工监测需定期去项目现场采集数据；自动化监测只需要第一次安装测试时采集数据，此后都是设备通过无线信号传输。

b.受现场环境影响程度。人工监测受现场能见度以及雨雾天气的影响较大，同时受交通条件制约；自动化监测不受复杂气象环境和项目现场偏僻及交通限制的影响。

c.数据可靠性。人工监测很多时候靠肉眼去采集数据，数据误差取决于技术人员的经验，即便现场仪器测量数据，也受人为记录或者测量误差的影响；自动化监测采集的数据所采即所现，完全不受人为因素影响。

d.数据完整性。人工监测数据是由一些点组成的，靠点去模拟线，从而推断病害发展趋势，不能掌握点与点之间的结构物状态；自动化监测的数据则有实时性、全生命周期的特点，每个时间节点的数据都会采集到，所采集的数据是一条线，不会漏掉每个时间点的数据，发生异常时第一时间发出预警。

e.数据真实性。通过人工监测和自动化监测对水库大坝表面沉降位移数据进行比对，自动化监测与人工监测结果的变化趋势是一致的，同一位置处自动化监测结果和人工监测结果的变化规律是一致的，一般情况下自动化监测结果与人工监测结果之间差异为2～4mm，主要原因是自动化对于目标的反应相对于人工监测来说更加灵敏。

6 结 语

水电站大坝运行过程中，坝体受强大的水荷载作用，会产生变形，外观自动化监测系统可随时掌握水电站大坝的变形性态和变形量，对掌握水电站安全情况，提高大坝运行安全水平具有非常重要的意义。自动化监测相对于人工监测来说对目标反应更加灵敏，大坝外观监测自动化系统加强了观测数据的实时性和准确性，减少了人为因素造成的不良影响，可大大提升水电站大坝外观监测数据的精准度。水电站大坝自动化监测大大降低了观测人员的劳动强度。人工监测每年都会投入大量的人工进行测量、数据分析等工作。建立自动化的监测系统后，每年只需进行少量的维护工作，既能获取到数据，又能降低总体成本，提高了水电站安全管理水平，降低了观测成本投入。

喜儿沟电站外观监测采用自动监测后，不但能够及时采集到与水电站安全相关的观测数据，而且能够及时进行分析处理，可以随时查看监测区域的位移趋势、监测点的动态变形情况，迅速了解水电站的运行状态。电站外观监测自动化系统效率高、精度高、易操作，可在同类型水电站大坝外观监测中普遍推广应用。