碧流河水库大坝安全监测现状及升级改造探析

一、工程概况
碧流河水库位于辽宁省大连市普兰店双塔镇与庄河市荷花山镇交界的碧流河干流上，是一座以防洪、城市供水为主，兼有发电、养殖、旅游等综合效益的大Ⅱ型水利工程。工程于1975年开工，1986年竣工。水库控制流域面积2085Km²,总库容9.34亿立方米，枢纽工程由主坝（沥青砼心墙土坝、沥青砼心墙堆石坝、砼重力坝）。三座副坝，输水建筑物和泄水建筑物组成，主坝全长708.5m，最大坝高53.5m，一副坝为粘土心墙土坝，坝长22.7m，最大坝高21.7m，二副坝为均质坝，坝长380米，最大坝高9m，三副坝为沥青砼心墙堆石坝，坝长53.5米，最大坝高为10米。
二、大坝安全监测现状
为全面了解大把内外部变化情况，水库大坝监测工作起到了耳目作用，为管好、用好工程、维修工程等提供了真实、准确、可靠的第一手资料。碧流河水库大坝安全监测项目于1997年由中国与加拿大合作，对大坝安全监测系统进行改造，改造后的大坝安全监测系统分为中方、加方大坝安全监测系统，两大监测系统使用至今。
（一）中方大坝安全监测系统
中方大坝安全监测系统由国家电力公司电力自动化研究院大坝监测技术所设计、研制、生产、安装。监测项目主要有水平位移监测、挠度监测。
1、水平位移监测。水平位移监测，是利用监测仪器、设备连续测量大坝在水平方向上的变化情况（向上游移动为负，向下游移动为正）。水平位移监测由四条由引张线组成，其中两条位于坝顶，两条位于廊道中。
坝顶引张线由二十九台单项引张线仪组成，仪器编号为EX01-EX21、EX23-EX30。由于主坝全长708.5米，原设计采用一条引张线过长，受风等因素影响，引张线摆动较大，导致采集数据不稳定。为确保资料真实性，经论证在坝顶设置两条引张线。EX01-EX21单向引张线仪组成的引张线由坝右岸的倒垂线仪TP01和双线垂线仪SD01、倒垂线仪TP05控制观测。EX23-EX30单向引张线仪组成的引张线由坝左岸的倒垂线仪TP02和双向垂线仪SD01倒垂线仪TP05控制观测。
廊道内两条引张线，其中一条位于砼坝段，仪器编号为EX31-EX46，全长267.15米。由十六台单项引张线仪组成，其右段固定于廊道基岩中，左端由倒垂线仪器TP03控制观测。另一条为双向引张线，位于土坝坝段中，由四台双向引张线仪组成，仪器编号为EX01-ES04，两个端点分别由三向垂线仪器TD01- TD03控制观测。
2、挠度监测。挠度监测是借助专用监测仪器对坝体内铅垂线上不同高程测点与倒垂线之间的水平位移进行连续监测，土坝沥青砼心墙。挠度监测设备是由两组正垂线和三条倒垂线组成，其中两组正垂线分别位于土坝1#，2#竖井中，每一组正垂线有一台双向垂线坐标仪和六台单向坐标仪组成，由1#，2#竖井中倒垂线TD1和TD3控件监制。砼坝是在砼坝17#坝段中的倒垂线上安置三台双向垂线坐标仪进行挠度监制。
（二）加方大坝安全监测系统
加方大坝安全监测系统由加拿大ROCTEST公司设计、研制、生产、安装、监测项目主要有大坝变形监测、渗流监测。
1、大坝变形监测。大坝变形监测包括裂缝监测，坝体倾斜监测、裂缝监测采用仪器为振弦式测缝记，坝体倾斜监测采用仪器静力水准仪，编号C1-C13,分布于砼坝溢浆廊道5支，排水廊道2支，观测廊道6支。
2、渗流监测。渗流监测包括左、右岸绕坝渗流监测、扬压力监测、一副坝浸润线观测、二副坝渗流监测，左、右岸绕坝渗流，编号RB-1A-RB-12A，砼坝基础廊道扬压力，编号Y1-Y20,一副坝浸润线编号，K1-A-K8-A。二副坝渗流编号S1a-S7a,以上均采用振弦式渗压计进行观测。
以上两大监测系统现已运行13年。中方大坝安全监测系统从采取在现场布置的MCU，通过YKC遥控转换箱对各类传感器的信号进行数据采集，暂存于MCU中，并根据中控室主机的命令向主机传送数据，进行处理和分析运行方式，与人工比测方式测出的数据一致，两者误差甚小，从而说明监测数据真实、可靠。从历年的水平位移的测值过程线、人工比测值过程线、库水位变化过程线和气温过程线可看出，当库水位、气温升高，使坝产生向下游位移，反之，向上游位移。但位移数据极小，变化不明显，结论为产生水平位移，挠度变化主要受库水位、温度影响。
加方大坝安全监测系统中的变形监测值均小于1mm，主要受温度、库水位影响，左右岸绕坝渗流、坝体渗流、浸润线观测结果分析，渗流量大小与库水位变化有关，具有与库水位变化同步、趋势相似等特点。扬压力监测其渗压等数大小，主要受地质条件影响，截至目前为止均小于允许的最大渗压系数0.3。大坝沉陷观测中的土坝、砼坝、堆石坝以及上下游坝肩、基础廊道等沉陷量很小，可忽略不计，从关系曲线上看近似一条水平线。
综上所述，碧流河水库大坝通过长期连续监测资料分析数据来看是安全、稳定的，其数据变化是在允许值范围内的。
三、存在问题
虽然碧流河水库中方、加方安全监测系统系统运行正常、安全、稳定，但仍存在以下问题应急需解决。
1、通讯故障多加方通讯系统为有线通讯，通讯方式采用以MCU1为主接收站，MCU2、MCU3通过MCU1转发的方式，与计算机进行通讯，当MCU1出现故障，MCU2 、MCU3将不能和监控计算机进行通信，在实际运行过程中，经常出现故障，导致该系统全部瘫痪。
2、雷击损害严重。每当雷雨季节均遭受雷击，导致系统设备损失，加之有些设备已停止生产（备用设备已用完）。如出现此事故，无法更换。
3、日常运行工作量大。为减少雷击次数，每次降雨时必须关闭系统运行，给日常管理带来极大的不便。
4、采集、整编软件落后。中加项目中的监测软件为DOS版本，且是英文界面，对于操作人员的素质要求较高，加之整编软件office97已淘汰落后。如监测系统软件出现问题，将使观测资料全部丢失，导致观测资料的整编、分析无法进行。
四、升级改造方案
随着计算机、通讯、自动采集和控制技术的快速发展，大坝安全监测系统也得到了长足的发展，无论是传感器、自动化设备，还是数据采集、资料整编、分析软件都有较大进步。从技术层面上讲，我认为碧流河水库大坝安全监测自动化监测系统应进行升级改造。
1、更换测量控制单元（MCU）。MCU具有维修复杂，维修周期长，厂房已不再生产，加之防雷性能差等特点，建议采用南京水利科学研究院研制的THSMS-1型测量控制单元，它吸收了原有的优点，克服了原有的缺点，在此基础上研制出来的，适用于大中型水利工程，系统采用集成度高、模块化的结构。能在恶劣气候条件下保持系统长期稳定可靠工作。同时大大提高防雷性能，并且已在全国几十座水库上应用，效果较好。
2、有线通讯改为光纤通讯。原MCU通信，采用有线通信方式。由于通信线路较长，常遭雷击，导致有线通信设备，甚至MCU损坏，而系统中断监测，数据损失。如将有线通信改为光纤通信（组成双环自愈光纤网），可大大提高通信的可靠性，从而降低遭受雷击的概率。
3、更换水位计和雨量计。原加方安装编码水位计、雨量计，以监测上游水位及降雨量情况，但在运行过程中经常出现故障，非专业人员无法排除，建议使用浮子式水位计，来获得上游水位的数据。雨量计采用国家防总推荐的0.5mm标准雨量计，从而解决非我国标准口径、测量需转换、测量精度差等问题。
4、安装新的数据采集软件和资料整编新的采集软件和资料整编，软件是在WIN2000平台上，基于WEB的方式，在任何地方只要登陆到该计算机上，就能够查询到当前和历史的测量数据、图表等，从而实现远程通讯，同时开发相应的分析软件，以实时分析大坝安全状况。

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