胡国平

(江西省水利科学研究院，江西南昌 330029)

1 概述

调查表明，在以往失事的土石坝中，30%～40%是直接由渗流破坏造成的，而大坝渗流监测方法落后、人工监测不及时、监测数据不准确、不能及时发现坝体隐患等是其失事主要原因之一，因此先进的大坝渗流监测方法和技术在工程中的地位显得日益重要，我国相关的规程、规范都对土石坝的渗流监测有着详尽的阐述和规定，渗流监测现已是中型及以上水库土石坝除险加固环节中的必测项目［1］，并随着现代计算机技术的进步，已逐步向自动化监测的方向发展。

2 渗流监测目的

渗流监测设计的目的是设计一套监测系统，通过监测获取大坝渗流、渗透压力等重要参数，掌握大坝的工作性态，实现对其在线、实时监控，为实施大坝安全预警和制定应急预案提供基础;通过分析监测数据的变化规律和有无异常现象，判定大坝的安全与否，分析异常原因和发展趋势，为项目管理者提供技术保障，为其制定适宜的大坝加固方案和运行管理计划;通过分析整理各监测物理量的规律，验证原设计及原除险加固措施，科学指导施工，同时为科研提供必要的资料。

3 渗流监测设计基本原则

1)安全监测的范围。

大坝安全监测范围包括坝体、坝基、坝肩，以及对大坝安全有重大影响的近坝区岸坡和其他与大坝安全有直接关系的建筑物和设备［2］。具体可以分为坝体渗流压力及浸润线、坝基渗流压力、绕坝渗流监测等几个方面。

2)项目布置及基本原则。

大坝渗流监测是一门需要不断研究探索的学科，它要求设计人员必须具备较广博的知识，既要精通坝工理论和设计工作，又要对监测仪器和设备的性能有充分的了解，特别是要及时掌握现代快速发展的自动化监测系统的硬软件设备的知识，并要求设计人员有较丰富的安全管理经验。一个成功的监测设计者不仅要能充分领会设计和施工中的关键问题，还要能尽量估计出大坝在今后的运行中可能出现的问题，选择适宜的监测方法，恰到好处地布置相应的监测设备，以最少的费用投入，获得最大的实际效益［3］。同时还要兼顾到监测系统的灵活性和可扩充性，以备在运行期间根据需要加以改造和完善。为确保大坝渗流安全监测系统达到预期，其基本原则可概括为:要保证自动化系统软硬件的可行性、可靠性、实用性与先进性;满足信息发布和资源共享等信息化要求，使数据采集、数据传输、数据处理和分析实现全自动化要求;具有故障诊断功能和可靠的安全性能;应满足规范要求并考虑工程实际情况监测点布置，监测点既要有代表性，又要有连续性。监测仪器设备的选型既要有安全性又要有经济性;监测项目在设计时应该有重点地进行，在施工期和运行期应区别对待。

4 渗流监测系统

1)监测仪器的选用。应根据大坝实际情况(土体特性及埋设条件等)而选用适宜土石坝渗流监测仪器及设备，目前对大中型水库大坝监测仪器主要是振弦式渗压计，尤其是采用自动化监测系统的水库。振弦式渗压计(孔隙水压力计)其原理是土隙有压水作用于承压膜上而引起钢弦应力变化，将感应到的振动频率信号传送出来，以便采取监测数据。采用高灵敏度固态压阻式压力传感器构成，用不锈钢外壳封装，在内部基片上有激光刻蚀的温度补偿电阻，温度特性好，可在0℃ ～50℃温度范围内正常使用。具有分辨率高、对压力变化反应灵敏、动态响应好、测值可靠、稳定性好和体积小等优点，广泛应用于各建筑物土体的动、静孔隙水压力观测和测压管水位计。目前市场上主要采用的是进口Geokon公司生产的振弦式仪器，比国内各厂家生产的振弦式渗压计具有一定的优势［4］。

2)监测系统的构成。大坝渗流监测的数据量测、数据采集、数据分析利用了现代信息技术中的传感器技术、通信技术和计算机技术，它们分别构成了安全监测系统中的“感官”“神经”和“头脑”［5］。整个系统由密封机箱、智能数据采集模块、电源模块、防雷模块、通信模块等组成，采用分布式结构、智能节点技术、遥测遥控技术、工业控制及计算机等技术手段来共同完成对目标的变化状况进行实时监测。中心控制单元、计算机网络和应用软件组成系统的信息接收、处理、存贮、计算分析等。其中野外测量单元是由埋设坝内的传感器(渗压计)和相关配套设施组成，按运行要求进行一定方式的自动化测量。数据采集系统主要由测量控制单元(MCU)和专业软件两部分构成，是一种智能化、模块化的多功能装置，体积小巧，结构紧凑，具有控制、测量、数据存储、防潮、防雷、抗干扰等各种功能，是分布式系统的关键设备。管理分析系统主要是由相关工程分析软件组成，并以报表、图形、过程线等形式输出数据处理结果。

该系统具有先进性、可靠性、准确性、适用性、环境适应性、兼容性和通用性、可扩性、易维修性、经济性等特点，具有选测、巡测、自报等多种数据采集方式，实现可视化数据采集，具有数据存储、查询、图形绘制、报表制作、信息发布、网络浏览、模型建立、误差分析、安全评价等功能。

5 监测资料分析及方法

根据相应的规程、规范规定，应对渗流监测资料进行整编分析，使之达到经常化、正规化、标准化，其分析成果是安全评价的主要依据。目前规范上推荐并应用比较广泛的分析方法主要有比较法、作图法、特征值统计法和数学模型法，并形成分析报告，分析成果对大坝当前的工作状态包括整体安全性和局部存在问题作出综合评估并为进一步追查原因、加强安全管理和监测乃至采取防范措施提出指导性意见。以上分析方法均属于正分析范畴，其结果受制于土工试验获得的物理力学参数的可靠性和准确性。为了克服这种参数受外界条件影响的局限性，可根据实测数据，以渗流模型理论为依据，用反演分析得出土石坝的渗透系数和渗流场，将其成果再次应用数值计算得出土石坝的实际渗流性态，作为判断土石坝渗流安全的标准。目前市场上已开发了大坝原型观测资料的分析评价系统软件，该软件集中了大坝原型观测资料的各种分析技术(包括统计分析、反馈分析、有限元分析、灰色理论)，实现了与观测仪器数据采集的接口，实现对观测资料的实时监控、数据库管理与整编、资料的图形处理、综合分析与评价，并运用各种数学模型、分析理论预测大坝未来发展性状。

6 工程渗流监测布置实例

1)工程概况。七一水库位于江西省玉山县境内，坐落于鄱阳湖水系信江支流。始建于1958年7月1日，1960年3月基本建成并发挥效益，后经1970年～1974年、1984年～1987年，2009年～2011年三次加固扩建达现有工程规模。坝址以上控制流域面积324．0 km2，总库容22 862 ×104m3，设计灌溉面积 19．92 万亩，电站装机9 250 kW，是一座以灌溉为主，兼有防洪、发电、养殖、旅游等综合效益的大(二)型水库。枢纽工程主要挡水建筑物主坝、副坝为心墙坝，主坝坝顶长430．0 m，坝顶宽12．0 m，最大坝高56．68 m;副坝坝顶长135．0 m，坝顶宽 8．0 m ～12．0 m，最大坝高24．5 m。为了使水库主副坝能在有效的监控下安全运行，2010年～2011年由我院安装了七一水库大坝安全监测系统。在主、副坝各断面布置了渗流监测仪器设备，以监测大坝渗流状态的变化，评价大坝渗流安全。2)渗流安全监测系统。七一水库大坝渗流监测系统由安装在坝体和坝基内的GK4500S振弦式渗压计、水工专用电缆、自动采集系统(MCU×2套)、通讯和电源控制电缆、中央控制器系统(CCU)、计算机系统组成(见图1)。监测内容主要有坝体渗流浸润线、坝基渗透和绕坝渗流监测三部分。主坝在(0+080，0+140，0+200，0+260，0+320，0+370)布置了六个浸润线监测断面，测压管编号 0+080 为 P1-1，UP1-1，UP1-2，UP1-3，UP1-4，UP1-5;0+140 为 UP2-1;0+200 为 P3-1，UP3-1，UP3-2，UP3-3，UP3-4;0+260 为 UP4-1;0+320 为 P5-1，UP5-1，UP5-2，UP5-3，UP5-4，UP5-5;0+370 为 UP6-1，UP6-2。其中 P1-1，UP1-1，P3-1，UP3-1，P5-1，UP5-1布置在坝体塑性混凝土心墙前，UP1-5，UP5-5，UP6-2为混凝土心墙后坝基观测点，测压管深入坝基1．0 m，用以监测坝基渗流情况，断面其他测点均布置在坝体塑性混凝土心墙后;同时在左坝肩布置了6根绕坝渗流测压管，在右坝肩布置了3根绕坝渗流测压管以监测大坝绕坝渗流情况。共安装了30支渗压计;副坝同理在左右坝肩各布置两个测点，在坝体分四个断面分混凝土心墙前、后布置坝体及坝基观测点，共安装了18支渗压计。

图1 七一水库大坝渗流监测自动化系统示意图

7 结语

大坝渗流安全监测是水库运行管理中的重要环节之一，而自动化监测是检验大坝安全运行的有效手段，通过该系统一年多的试运行，其故障率极低，监测资料精确可靠，运行维护方便，能满足大坝渗流安全监测的实际需要，是一套能长期运行的实用化系统。通过渗流监测可以使水利主管部门及时掌握大坝的实际状态，进行大坝安全评价，提高运行水平，充分发挥经济效益和社会效益。

［1］黄敏武，罗少彤．广东水库大坝——土石坝安全监测［J］．吉林水利，2006，291(9):34-36．

［2］何玉春，谢明勇．水库大坝安全观测与运行管理［J］．水利技术监督，2009(1):71-72．

［3］胡 军．土石坝自动化安全监测系统设计［J］．水电能源科学，2010，28(4):127-129．

［4］方卫华，李燕辉．土石坝安全监测综述［J］．四川水力发电，2004，23(4):68-71．

［5］周 扬，刘顶明．大坝安全监测仪器应用问题探讨［J］．水电自动化与大坝监测，2009，33(2):41-44．