于小苇

(辽宁省水资源集团,沈阳 110003)

0 引 言

我国现有水库大坝9.8万余座,其中大中型水库0.5万余座,小型水库9.3万余座。100万m3以下库容的小(2)型水库7.5万余座。水库在供水、防洪、发电、灌溉以及改善生态环境等方面起到十分重要的作用,也是水利基础设施的重要组成部分。在运行管理中,大中型水库的运行维修养护经费通常比较充裕,监测工作也能够引起各方重视。然而,我国的小水库大多建于20世纪50～70年代,由于缺乏资金的投入,导致工程标准和质量存在缺陷,目前已有的小水库病险率已达到53.3%。2010年,吉林省大河水库因金属结构安全隐患,管理人员思想麻痹,持续暴雨,洪水漫顶溃决。2015年,湖北省崇阳县破冲口水库漫坝,小(2)型水库,黏土斜墙坝,暴雨强度太大、防洪标准不足,水位快速上涨,漫坝的产生,使大坝左岸下游产生冲坑,这处冲坑深度达几十米,宽约百米,四周有许多石块,其中最大的一块石头直径超过10m,几乎接近大坝的顶部。2021年,小浪底西沟水库由于金属结构及人为隐患,在小浪底电站的一次泄洪中,出现了一次特大漫坝事故,造成6个机组先后停工的情况。这些水库发生的事故可能是由监管存在盲区、长期失管失察、水库长期带病运行、监测缺失、工程运行管理制度不完善、值班人员履职不到位等因素导致的。作为水库运行管理单位,必须重视大坝安全监测工作,坚持必不可少的年度巡视检、特殊巡视检和日常巡视检查,汛期更应加强监测数据整编,形成完备的自身经验数据。

1 安全监测目的与内容

1.1 监测目的

大坝监测,是防灾减灾的重要举措,对可能性、危险性进行实时预警。一个成功的监测设计,既要掌握设计与施工中的要点,又要尽可能准确地预测出大坝未来运行过程中可能发生的问题,选用合适的监测手段,合理地配置监测仪器,以最小的投资,取得最大的效益。为了实现持续有效监视,监测系统必须要具有可扩充性和灵活性,以便在操作过程中及时进行必要的修改和完善,还要根据实际地质条件以及当地多年雨情、水情、汛情形成一套完整可靠的实用的数据分析方法[1]。

1.2 监测内容

1.2.1 土坝、土石混合坝

坝体渗水、坝基渗漏、管涌、流土、塌坑、滑坡等灾害非常容易造成大坝坍塌。因此,在设计坝体结构时,需要重点考虑渗透破坏和坝坡失稳问题。通过对坝体水平和垂直位移、裂隙、渗流量、土体压力、渗透线、孔隙水压力等参数的分析,可以为大坝的设计提供重要的参考。

1.2.2 混凝土坝、圬工坝

在混凝土坝、圬工坝中,监测工作是最重要的,没有监测工作就不可能保证大坝的安全运行。对于混凝土坝、圬工坝来说,由于坝体的结构特点和地质条件不同,在不同坝段需要布置不同的监测仪器,因此监测工作要根据具体情况确定监测项目和监测点的数量、位置和测点间距等。

1.2.3 泄水建筑物泄流观测以及水工建筑物观测

水坝处于易发生地震的地区,并在其周围有不稳定的岸坡,应该认真的对其进行滑坡,抗震,崩岸等监测。

1.3 安全监测的规范

现行安全监测的标准主要有:《土石坝安全监测技术规范》(SL 551-2012)、《大坝安全自动监测系统设备基本技术条件》(SL 268-2001)、《大坝安全监测仪器安装标准》(SL 531-2012)、《混凝土坝安全监测技术规范》(SL 601-2013)、《水工隧洞监测技术规范》(SL 764-2018)、《水闸监测技术规范》(SL768-2018)、《水利水电工程监测系统运行管理规范》(SL-2019)、《大坝安全监测数据表结构与标识符标准》(SL-2019)。

2 安全监测方法

运行期的大坝安全监测主要是按照要求进行周期观测, 做好巡视检查和设备维护工作,对失效仪器进行及时补埋,定期建立监控模型和拟定监控指标。对长序列监测数据开展科研工作。

2.1 巡视检查

巡视工作分为三种类型,包括特殊巡视、日常巡视和年度巡视。巡视检查工作要结合施工现场实际,制定合理的工作程序。对巡检的时间,地点,内容,方法,进行了详细的说明,并制定巡检的路线和次序。有较多的技术人员参与,明确职责和分工。检查时,必须携带所需的辅具及记录笔、本子。按有关规范要求填写表格,并将检验结果记录在案。每日巡检报告内容应简明扼要,如有需要,可附有图片和简图。年度巡检及特殊情形下的巡检报告应包括:①巡检时间;②调查的目的及任务;③检查小组成员的名单和他们的职位;④所要求的项目的检验成果;⑤逐行检验的结果的比较、分析和判断;⑥发现、分析和判断在所需检验项目之外的异常情况;⑦需要阐明的特别注意事项;⑧检查结果;⑨审查小组提出的各项建议;⑩检查小组各委员签字。

2.2 安全监测资料分析

2.2.1 安全监测系统

大坝监测是指施工开始前,直接或借用特殊的仪器设备,对建筑物自身及基础岩体的蓄水、施工、运行整个过程进行的测量和分析。仪器埋没,数据的采集,数据的处理3个主要步骤。在进行仪器埋设时,首先要考虑仪器的安装问题。在工程建设中,由于施工技术和施工工艺的限制,往往难以将仪器安装在地面上,这时需要使用一定的支架将仪器固定在基础上。数据采集(包括传输)指的是在规定的时间或者是定期,用自动设备或者是人工的方式,将测量得到的数据或者资料进行收集,进行短暂的储存,然后集中传送到近坝区或者远处的监测中心。数据分析是指根据监测数据及分析结果,结合现场实际,对监测数据进行安全评价,并给出合理的评价结论。主要是对建筑物及有关岩体的性能变化和安全状况进行评估。当发现有可能危害到建筑物安全的异常情况时,要及时做出预报,并对其进行分级分类报警,提出相应的对策,为主管部门的决策提供依据[2-4]。

2.2.2 监测成果分析

根据一定的方法,将采集到的信号转换为监测的物理量,如扬压力、渗漏量、水平位移、垂直位移、应力等。物理量的符号应该符合标准。应该统一同一类型的物理量的正负号、单位,特别是不同监测手段得到的位移,应该尽量使用同样的坐标系、正负号和单位。

2.2.2.1 监测资料的误差处理与分析

水库大坝安全监测工作在水利工程建设中起着至关重要的作用,是水利工程建设是否具有科学性的重要依据。为了保证坝体监测能够准确地反映坝体的真实状态,在使用坝体安全监测数据进行正反分析之前,必须对原始测量数据进行处理和误差分析。根据误差的大小,通常可以把误差分为3种类型:随机误差、系统误差和粗差。在实际测量中,要排除粗差,消除或弱化系统偏差,使得只含有随机误差的观测值。测量值范围检验分析法、数学模型分析法和统计检验法都是常见的误差分析方法。

2.2.2.2 监测资料与大坝运行性态的模型分析

监测资料的分析通常可分为比较法、作图法、特征值统计法、影响因素分析法和模型分析法等。模型分析法是最能实际的反映出原始测值资料的用途。

1)位移的分析模型:在水压力、泥沙压力、扬压力和温度的共同作用下,坝体各点发生位移,可分为水平位移、垂直位移和侧向水平位移。水压、温度和时效等因素对大坝位移影响最大。因此,位移的统计模型主要由水压分量 、时效分量和温度分量组成。

2)渗流监测量统计模型:大坝的渗流监测主要有渗透压力(或扬压力),渗流量(或排水量),以及坝体周围的渗流情况等。在坝体渗流监测中,除了要考虑水压、温度和时间效应,还要考虑雨水对坝体渗流的影响。所以,水位(或渗流量)的统计模型主要是由水压、温度、降雨和时效分量构成。

3)变形模型:大坝的变形主要受水压、温度以及时效的影响,因此,可将大坝变形表示成表示水平位移的水压、温度和时效分量组合的形式。通常,采用有限元方法对水压力成分进行数值模拟,对温度成分和老化成分进行统计建模,再通过最小二乘方法对待定参数进行求解,从而获得混合模型。

3 不同时期水库大坝的监测重点

3.1 施工期监测资料分析的重点工作是

仪器埋设方法正确;仪器成活率;反馈设计、指导施工;基准值选取恰当。

3.2 蓄水初期监测资料分析的重点是

所有仪器埋设完毕;有条件的实现自动化监测;捕捉蓄水过程中各监测量变化情况;发现异常及时反馈并采取措施;所有监测项目均需关注并加密观测。

3.3 运行期监测资料分析的重点是

按照要求进行周期观测;做好巡视检查和设备维护工作;对失效仪器进行及时补埋;定期建立监控模型和拟定监控指标;对长序列监测资料开展科研工作。

4 总 结

大坝安全监测目的就是利用一切手段,确保大坝以较少的投入来保证长期、稳定、安全的运行,实现效益的最大化。大坝安全监测有校核设计、改进施工和评价大坝安全状况的作用,且重在评价大坝安全。大坝安全监测的微观意义是为了准确掌握大坝性态;宏观意义是为了更好的发挥工程效益、节约工程投资。大坝安全监测不仅是为了被监测坝的安全评估,还要有利于其他大坝包括待建坝的安全评估。