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南一水库混凝土坝安全监控技术研究与应用

文档作者：蔡志伟，王士军2，吴维汉3，鲍亮2，葛从兵2 文档来源： 1．漳州市水利局 2 南京水利科学研究院 3．漳州市南一水库管理局		点击数：	更新时间： 2024年02月22日
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2011年第4期
南一水库混凝土坝安全监控技术研究与应用
蔡志伟 ，王士军2，吴维汉3，鲍 亮2，葛从兵2
(1．漳州市水利局，福建漳州363000；2。南京水利科学研究院，江苏南京210029；
3．漳州市南一水库管理局，福建南靖363605)
摘要：该文介绍了南一水库高混凝土坝安全监测方案研究与监控预警技术，重点探讨了GPS
监测系统与全站仪监测系统融合与应用方案和GPS在混凝土坝变形监测中应用的运行模式，
阐述了南一水库混凝土坝安全监测信息采集、管理与在线分析预警系统的总体结构与功能。系
统投入运行2年多以来，性能稳定，监测成果分析为南一水库大坝安全运行管理及洪水资源利
用等提供了重要技术支撑，取得了显著的经济效益和社会效益。
关键词：混凝土坝；安全监控；GPS；南一水库
中图分类号：TV698．1 文献标识码：B 文章编号：1002—3011(2011)04-0015—05
_l 项目背景
南一水库位于福建省南靖县境内，是九龙江西
溪上游主要水利枢纽工程，集雨面积522 km ，总
收稿日期：2011—08—25
库容1．58亿m ，属大(2)型水库。拦河大坝为混
凝土重力坝，坝顶长195．3 m，最大坝高96．8 m。
大坝于1990年3月开始施工，1992年11月蓄水运
行。水库死水位275．00 m，汛限水位296．50 m，正
常蓄水位303．50 m，设计洪水位305．55 m，校核洪
水位306．66 m。水库主要承担下游南靖县城和漳州
^ ； I、0 ^}； I、 ^ 、纬 、约 、 、 、：；' 、 喀印 、 = 、翰 、 、 ．一‘
水文、防汛、气象等信息本地渲染。 [3]李兴华．Java开发实战经典[M]．北京：清华大
． ， 、： 学出版社，2009．
’ 叼 [4]Robea Clair(著)，李强(译)．O~eetive—C2．0
福建省洪水预警报系统移动式综合分析平台整 Mac和ios开发实践指南[M]．北京：机械工业
合了现有系统多类功能，支持防汛、气象信息定制， 出版社，2011．
提供友好人机交互界面，且预留拓展空间。该平台 [5]Boring．D．(著)，何宗键(译)．Windows CE6．0
的投入使用能较好地解决系统安装维护存在的较大 开发者参考(原书第4版)[M]．北京：机械
困难，降低系统安装检修成本和系统安装维护人员 工业出版社，2009．
的操作难度，方便系统的组网电测，提高维护工作 [6]Charles Pemold．Mieroso~SilverHght Programming
效率，并能及时可靠交互相关信息。平台的应用将 f0r Windows Phone 7，MICROSOFT PR，2010．
为我省实施“预警到乡、预案到村、责任到人”的 [7]刘韬，骆娟．Visual Basie5数据库通用模块及典
防灾减灾新机制提供一种有效的技术手段，在防汛 型系统开发[M]．北京：人民邮电出版
减灾中发挥重要作用。 社，2006．
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工业出版社，2010． 汀人，高级工程师，从事水利信息化工作。
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2011年第4期
市区防洪任务，兼有发电综合效益。
为提高南一水库混凝土坝安全监测监控与预警
技术水平，提高水库管理信息化水平和能力，水利
部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院与漳：
州市南一水库管理局开展了南一水库混凝土坝安全
监控技术与应用研究。研究内容包括：南一水库混
凝土坝安全监测方案与监控预警技术研究；GPS监
测系统与全站仪监测系统融合与应用方案和GPS运
行模式研究；南一水库混凝土坝安全监测信息采集、
管理与在线分析预警系统研发。
2 大坝安全监控体系研究
2．1 安全监测内容
依据国内外混凝土坝安全监测研究成果及南一
水库大坝特点，在考虑利用原有监测设施及监测资
料连续条件下，安全监测内容包括：变形监测(坝
顶水平垂直位移、坝体水平垂直位移、裂缝)，渗
流监测(渗流量、坝基扬压力、绕坝渗流、坝基集
水井水位)，应力应变及温度监测(混凝土应力、
应变、温度)和环境量监测(上下游水位、降水
量、库区水温、气温、气压)。
2．2 监测项目布设
2．2．1 变形监测
(1)坝顶水平位移及垂直位移监测。考虑资料
连续，坝顶表面变形监测沿用原有9个监测点。由
于大坝为折线，坝顶水平位移采用交会法测量，水
平变形控制网由8个基准点构成，其中坝肩右岸山
体布置5点，坝肩左岸山体布置3点，利用全站仪
进行自动化监测。如图1所示。
图1 南一水库大坝表面变形监测平面布置示意图
(2)坝体廊道水平位移及垂直位移监测。坝体
廊道内水平位移仍采用引张线监测，利用原有10个
测点位置，每个测点配置遥测引张线仪1台。2 、
7 坝段各安装一条倒垂线，用于引张线的基准测量，
配置倒垂装置各1套，各安装1台垂线坐标仪。垂
直位移采用静力水准方法，在2 、3 、4 、5 、6 、
7 每个坝段各布置1个测点，共6个测点，每个测
点安装I台静力水准仪。7 坝段设置双金属管标，
作为垂直位移测量基准。如图2所示。
(3)坝基接缝及坝体裂缝监测。南一水库原设
有坝基接缝开合度监测测缝计，将部分能正常工作
的测缝计接入自动化系统。坝内廊道0+043．5处存
在较大的裂缝，布置一只测缝计监测裂缝开度。
2．2．2 渗流监测
(1)坝基扬压力监测。平行坝轴线方向布置1
个纵向监测断面，每个坝段1个测点，纵断面轴线
位于主排水幕线上，测点孔位位于两个排水孔中间
位置，建基面以下lm处。大坝布置5个横向监测
断面扬压力监测，桩号分别为0+036．75、0+
046．95、0+070．5、0+99和0+138。每个横断面
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16
图2 南一水库大坝内部变形监测布置示意图
2011年第4期
图3 南一水库大坝扬压力监测布置示意图
靠近上游面的第1个测点以纵断面在该坝段的测点
替代。详见图3。
(2)绕坝渗流监测。右岸地质条件较好，未进
行绕渗监测。左岸地质条件较差，设置4个测点，
分别监测防渗刺墙防渗效果和未进行防渗处理部位
的绕渗情况。
(3)渗漏量监测。渗漏量采用量水堰监测，两
岸渗流和河床渗流分区监测。0+100断面272 m廊
道(WE1)、O+038断面272 m廊道(WE2)、灌浆
排水廊道(WE3)、辅助排水廊道坝基渗流量
(wE4)等4处设置量水堰测量渗漏量。0+043．5
裂缝(WE5)、右岸402勘测探洞(WE6)各增设1
处量水堰监测渗漏量。
(4)集水井水位监测。坝基集水井内设置1只
渗压计监测集水井水位，水位达到警戒点时，监测
管理中心产生声光报警。
2．2．3 应力应变及坝体温度监测
施工期在0+067、0+103等断面埋设监测仪
器，将其中正常工作的应力应变及坝体温度仪器接
人测控单元，实现自动化监测。
2．2．4 环境量监测
(1)上、下游水位与坝址降雨量监测。水库已
设置了上、下游水位与坝址降雨量的自动化测量，
此3项环境量监测项目直接从水情数据库中取数。
(2)库区水温监测。上游水位井内自正常蓄水
位303．50 nl高程以下10 cm至死水位275．00 m高
程以下20 em问点布置温度计7只、死水位以下lO
111处布置1只，共8只温度计测量库水温。
(3)气温与气压监测。监测管理站屋顶设置一
个百叶箱，内置气压计和温度计各1只，用于坝区
气压、气温测量。
2．3 安全监控模型与预警技术
结合南一水库大坝实际情况，分别建立了大坝
位移统计模型、位移时空分布模型、接缝开合度统
计模型、坝基扬压力统计模型及渗流量统计模型等。
其中坝体位移模型和接缝开合度模型考虑水压、温
度和时效因子。位移时空分布模型不仅考虑水压、
温度、时效因子，还考虑测点的位置(x，Y，z)
因子。坝基扬压力、渗流量统计模型考虑上、下游
水位、降雨、温度及时效等因子。
根据南一水库大坝实际情况和工程特点，南一
大坝预警监控指标的拟定采用置信区间估计法。根
据监测资料，通过对影响因素和因子模型的分析，
建立监测效应量与影响因子之间的统计模型。然后
用模型计算在各种荷载作用下监测效应量(E)与
实测值E的差值(它一E)，那么该值有1一 的概
率在置信带(△ =±iS)范围之内。一般取 =
5％ 。i=3。
当I E—E I<3S且无明显趋势性变化，可认
为运行正常或安全；若有趋势性变化，应加强观测
和分析，查找原因。
当l E—E I≥3S时，测值异常。若无明显趋
势性变化，加强观测和分析，查找原因；若有明显
趋势性变化，则为严重异常，应加强观测和分析，
在查找原因的同时，采取适当措施。
因此，相应监测量的监控指标为
E =宦±3S
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2011年第4期
3 GPS在大坝安全变形监测中的应用研究
3．1 GPS与全站仪监测融合应用方案研究
全站仪观测受气候、环境等条件影响，而GPS
具有全天候、在线、高精度、连续监测的优点，因
此，大坝表面变形监测同时采用GPS技术。左岸设
置1个GPS基准站(GPS1)，坝上设置3个监测站
(GPS2、GPS3、GPS4)，右岸设置1个监测站
(GPS5)，每个GPS观测墩设有棱镜，可以利用全
站仪观测。
全站仪监测采用8处基准点建立的本地控制网
图4 GPS与全站仪同心
观测结构观测墩
坐标，GPS采用WGS一84坐标。GPS位移量是
WGS一84坐标系下的测量值，棱镜初始坐标是本地
控制网下的坐标值，不属同一坐标系。为改变GPS
观测墩外的连接棱镜的偏心状态，加工将棱镜与
GPS天线同心的结构装置，即GPS天线在上，棱镜
在天线下，二者通过特殊的金属结构稳固连接成一
个相对位置不变的刚体结构。棱镜与GPS天线在同
一平面上的中心投影重合，两套系统采用统一的
WGS一84坐标系，实现全站仪与GPS监测三维坐标
与变形的同步监测。详见图4、图5。
3．2 GPS运行模式研究
GPS运行模式直接影响观测精度。2009年7月
至9月期间，进行不同观测时段下(10 s、1 h、6
h、12 h、24 h)后处理数据精度内符合对比分析。
选取GPS2监测点在不同观测时段的数据进行分析，
其中10 s监测选取2009年7月3日22：00至24：00
间2小时数据，1 h、6 h、12 h、24 h监测成果均选
取2009年7月13 13～19 13 l周内数据分析。
不同观测时段的成果数据比较分析如下： (1)
10 s观测时段下，监测值波动在±50．0 mm范围以
内。(2)l h观测时段下，监测值波动在4-10．O mm
以内。(3)6 h观测时段下，监测值波动在±3．0
mln范围以内。(4)12 h观测时段下，GPS系统的
内符合精度大幅度提升，监测数据内符合精度在
±1．5 mm范围以内。(5)24 h观测时段下，GPS系
统的监测数据内符合精度水平位移在±1．0 mm范围
】8
图5 GPS与全站仪同心结构构造图
以内，竖向位移在±1．0 mm以内，达到项目设计技
术指标要求。
根据不同观测时段测量结果分析，GPS信号采
集时间越长，测量精度越高；水平位移测量精度高
于竖向位移测量精度。根据已有GPS监测资料分
析，GPS系统在大坝安全监测中应用是可行的，监
测精度可满足有关规范要求。建议水库大坝13常监
测时观测时段为24 h，汛期及其它应急条件下监测
时观测时段可提高到6 h。
4 南一水库混凝土坝安全实时监控预警系统研发
4．1 系统结构
南一水库混凝土坝安全实时监控预警系统包括
信息实时采集系统和信息管理分析预警系统，前者
由监测仪器、数据采集装置、通信装置和中央控制
系统组成。
2011年第4期
4．2 监测仪器
南一水库监测项目多，监测仪器包括全站仪、
GPS、引张线仪、垂线坐标仪、双金属坐标仪、静
力水准仪、测缝计、孔隙水压力计、量水堰计、温
度计和气压计等。
4．3 数据采集装置
通过性能比较，数据采集装置选用南京水利科
学研究院研制生产的IHSMS—I型智能分布式水利
工程安全监测测量控制单元，具有参数设置、数据
通信与测量、数据存储、系统自检、供电、抗雷击
和电磁干扰等功能。
4．4 通信装置
系统采用信号电缆与光纤结合的通信方式：监
测站MCU与监测点传感器之间通过信号电缆采集数
据，监测管理站与监测站MCU之间通过光纤实现双
向数据通信，监测管理中心站以及外网用户通过设
立在监测管理站的服务器实现系统数据通信。
4．5 中央控制系统
中央控制系统由监控主机(系统服务器)通讯
及电源设备、大坝安全监控分析与预警系统软件组
成，具有控制、数据自校和报警、人工数据录入、
数据远程访问等功能。
大坝安全监控分析与预警系统对GPS实时测量
数据、全站仪自动测量数据及内观监测系统测量数
据进行整合、管理与分析，实现监测资料实时分析
与预警。系统采用浏览器／服务器结构和智能客户端
相结合的技术，开发框架采用Microsoft．NET，开发
语言为C#，开发工具为Microsoft Visual Studio．NET。
信息管理按照《混凝土坝安全监测技术规范》
(DL／T5178—2003)、《混凝土坝安全监测资料整编
规范》(DL／T5209—2005)及相关规程要求，由资
料维护、报表打印、图形绘制等模块组成。资料维
护包括基本资料查询、添加、修改、删除，监测数
据添加、查询、修改、删除、计算、异常数据处理，
数据备份和恢复。报表打印包括基本资料表和统计
表。图形绘制包括过程线、相关线、断面分布图等。
资料分析预警对竖向位移、水平位移、接缝、
坝体温度、坝基扬压力、绕坝渗流、渗流量等监测
数据建立位移统计模型、位移时空分布模型、接缝
开合度统计模型、坝基扬压力统计模型和渗流量统
计模型等，结合现场巡查，进行位移、开合度、扬
压力、渗流量实时在线分析，综合分析大坝安全性
态与发展趋势；采用上述监控模型检验实时监测数
据，发现异常数据及时报警，以便工程技术人员及
时确定异常数据产生的原因，确保大坝安全。
5 结语
针对南一水库高混凝土坝特点，研究了南一水
库高混凝土坝多维、多方式、多途径的综合性安全
监测方案与监控预警技术，提出了GPS与全站仪监
测融合与应用方案，研制适用于GPS与全站仪监测
的混凝土坝表面变形监测点同心结构，实现了监测
点GPS与全站仪监测信息对接；融合GPS、全站仪
外部变形监测及内部变形监测的数据采集、信息管
理与分析预警等技术，研发了水库混凝土坝安全监
控分析和预警系统；提出了GPS系统在水库大坝安
全监测应用技术，创建了满足混凝土坝变形监测精
度的GPS运行模式。系统自2008年8月投入运行以
来，性能稳定，通过监测成果分析南一水库工程安
全，在汛期为南一水库安全运行管理及动态汛限水
位控制等提供了重要技术支撑，取得了显著的经济
效益和社会效益，其成果可推广应用于其它类似
工程。
参考文献
[1]混凝土坝安全监测技术规范(DL／T 5178—
2003)[s]．北京：中国电力出版社，2003．
[2]全球定位系统(GPS)测量规范(GB／T 183l4—
2001)[s]．北京：中国标准出版社，2001．
[3]葛从兵，鲍亮．基于智能客户端的大坝变形监
测资料整编与分析系统[J]．水利水电科技进
展，2010，(5)．
[4]鲍亮．福建漳州南一水库形变监测系统综述
[J]．测绘通报，2008，(9)．
[5]鲍亮．南一水库GPS静态监测系统选址测试
[J]．测绘通报，2009，(7)．
[6]吴维汉．南一水库大坝内部监测资料分析[J]．
水利科技，2011，(2)．
第一作者简介：蔡志伟(1965一)，男，福建龙
海人，高级工程师，从事水利水电X-程设计、管理
工作。
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