摘要：大坝监测是水库安全管理的重要手段之一，是各级防汛决策支持系统的组成部分之一。结合工作实践，本文分析了影响大坝安全的主要因素，阐述了大坝安全监测的内涵、手段和分析方法的综合运用。
关键词：大坝安全监测；水库效益；运行管理
1.工程概况
黄龙带浆砌石重力坝位于流溪河支流汾田水下游。水库总库容9000万立方米，具有防洪、灌溉、发电综合效益；1976年建成投入运行。大坝坝长180米，最大坝高61.3米，坝底宽50米。分5个重力坝段和一个位于中部的溢流坝段。坝顶高程178.3，坝底高程120。正常高水位175.6。坝基主要为中粗粒斑状黑云母花岗岩，构造断裂较发育。基岩面向上游倾斜，对大坝稳定性有利。自左岸经3坝段下至溢流坝段下河床中部，有一组倾角为15—35度，局部已风化成软弱夹层的平缓裂隙。建坝时已对基岩全面固结灌浆和作防渗处理。.png)
坝基地质剖面示意图距大坝上游面4米的坝内纵向廊道，自左岸152高程起，沿岸坡至127高程河床水平段，再沿右岸坡至146高程。121高程的横向基础廊道由原导流底孔改造而成。在坝基、坝顶和两条廊道分别布设监测断面和监测点。监测系统大坝建成后，设有库水位、降雨量、坝基和坝体渗漏等观测项目。1993年设坝顶水平位移视准线测量和垂直位移精密水准测量。以上为人工观测项目。1995年开始建立“黄龙带水库大坝多目标安全监控与管理系统“。除了将库水位、降雨量和渗流监测改造为自动化遥测外，增设了坝基扬压力、倒垂线坝底水平位移、静力水准垂直位移、结构缝、坝体与基岩温度、大气温度等遥测项目。2006年增设坝顶静力水准和引张线。
2 影响大坝安全的主要因素分析
影响大坝安全的因素很多，据国际大坝委员会对1 100 座大坝失事实例的分析，大坝失事的原因为：30％是由于设计洪水位偏低和泄洪设备失灵引起洪水漫顶而失事；27％是由于地质条件复杂，基础失稳和意外结构事故；20％是由于地下渗漏引起扬压力过高、渗流量增大、渗透坡降过大；11％是由于大坝老化、建筑材料开裂、侵蚀和风化等变质以及施工质量等原因；12％是不同的特有原因所致。
从以上统计数据可以看出，影响大坝安全的因素主要有两方面：一是由设计、施工和自然因素引起的，如坝址的选定决定了地形、地质、水文条件、地震发生频率等，另外枢纽的布局、坝型及结构设计、洪水演算、地质勘探、材料选择与分区以及坝基处理、混凝土坝的温控措施、土石坝的碾压及防渗排水结构的施工、有关泄洪建筑物的机电安装等关键部位的施工都将影响大坝的安全。一旦大坝建成，这些因素就已经确定了。另一类是在运行管理中逐渐发展形成的，有一个从量变到质变的过程，如冲刷、浸蚀、混凝土的老化、金属结构的锈蚀等，设计、施工中的潜在隐患在运行过程中延续发展为破坏性的，还有管理方面的水情测报、水库运用调度、大坝及附属机电设施检查、监测手段和方法等，每个环节都事关大坝安全。
3 新的监测技术及相应仪器设备的应用
3.1 无线遥测传感技术的应用
当今水电站的建设工期一般都比较紧张，筑坝工程中的每道工序也紧密相扣，不允许有任何时间的耽误，因此安全监测仪器设备的埋设安装工作要求快速、准确、高效地完成，做到尽量少占用直线工期。无线遥测监测仪器与传统的安全监测仪器相比，它最大的优点就是节省了大量的施工时间，因此智能化的遥测仪器是未来监测的发展趋势，具有如下几个突出的优点：
（1）施工方便。在混凝土浇筑至仪器埋设位置时，将事先准备好的无线遥测仪器安装完成，待混凝土覆盖完成即可，没有其它后续工作。
（2）节省大量施工时间。众所周知，监测项目的大部分施工时间都花费在电缆的牵引和看护工作上面，由于遥测仪器的埋设安装完成后缺少电缆的牵引工作，这样就为安全监测工作节约了大量的时间。
（3）为后期的观测工作提供更大的方便。在自动化系统投入使用之前，可以通过先进的无线通讯技术，采用智能化数据采集设备直接进行遥控监测，这样监测人员不需前往工地就可采集到第一手监测数据。在自动化系统投入使用之后可更加方便地实现无人值守观测，只需事先在监测软件中设定观测时间，因此无线遥测仪器的发展对安全监测工作的发展将是一个质的飞跃。
（4）极大地提高仪器的完好率。在仪器埋设完成后，采用无线遥测仪器可保证减少因电缆损坏而造成的仪器失效。在安全监测工程中，经统计由于电缆因素而造成的仪器失效率占仪器总失效率的90%以上，因此减少了电缆的牵引工作能够极大地提高仪器的完好率。
3.2 光纤技术的应用
分布式传感型光纤监测系统的特点是，利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件。光纤总线不仅起传光作用，还起传感作用。采用分布式传感型光纤监测系统有下列优点：
（1）信息量大。分布式传感型光纤监测系统能在整个连续光纤的长度上，以距离的连续函数形式传感出被测参数随光纤长度方向的变化，即光纤任一点都是“传感器”，它的信息量可以说是海量信息。如果将光纤按一定的网络铺设，可实现对大坝安全的全方位监测，可以克服传统点式监测容易漏测和渗流难以定位的弊端，极大地提高大坝安全监测的有效性。
（2）结构简单，可靠性高。光纤传感器是以光信号作为载体，光纤为媒质，且光纤的纤芯材料为二氧化硅，因此，该传感器具有耐腐蚀，抗电磁干扰，防雷击等特点。由于分布式传感型光纤监测系统的光纤总线不仅具有传光作用，而且具有传感作用，因此结构异常简单，方便施工，潜在故障少，可维护性好，可靠性高。
（3）使用方便。光纤本身轻细纤柔，光纤传感器的体积小，重量轻，不仅便于布设安装，而且对埋设部位的材料性能和力学参数影响甚小，能实现无损埋设。光纤埋设后，测点可根据需要改变设定，可以取2m距离为一个测点，也可以取1m距离为一个测点等。因此，在病害定位监测时极其方便。
（4）性价比高。目前，光纤价格不高，一条光纤的测点又可达成百上千个，因此，每一个测点的价格就远远低于传统单测点的价格，性能价格比相当高。分布式光纤监测系统相对于电信号为基础的传感监测系统和点式光纤监测系统而言，无论是从监测技术的难度、监测量的内容及指标，还是从监测的场合和范围都提高到了一个新的阶段。目前在建的水电站中如三峡、索风营水电站、景洪水电站、三板溪水电站、水布垭水电站、坦肯水电站、锦屏一级水电站、瀑布沟水电站、拉西瓦水电站等等，都正在或计划采用分布式光纤监测系统。
4 把各种监测手段和方法有机结合起来，提高监测水平
基于大坝本身的特殊性、工作环境的复杂性、材料的非线性（特别是土石坝）等特点，使安全监测的难度增大。就仪器监测来讲，目前还只能做到“点监测”，如测缝计只能发现通过测点的裂（接）缝开度的变化，而不能发现测点以外裂缝开度的变化；变形、渗流等测点监测到的是坝体、坝基的局部反应，因而难以就个别现象进行综合分析判断。正是基于这些因素，大坝监测必须采取多种有效的方法和手段，并从多个角度综合分析，达到“从局部到整体”验证，从而得出客观、有说服力的安全监测评价结论。
4．1 把巡视检查和仪器监测结合起来
巡视检查和仪器监测是大坝安全监测两个相互补充、密不可分的部分，二者结合实现了监测面上和点上的相互兼顾印证。前者按照一定的检查范围和要求，采用目测对大坝外观表面特别是一些明显的隐患进行检查，以便做到早发现、早处理。后者主要借助观测仪器按规范要求进行必要的点监测。对大坝表面及内部的隐患，如土石坝的洞穴、暗缝、软弱夹层等，很难通过简单的人工检查发现，必须借助于高密度电阻率法、中间梯度法、瞬态面波法等先进仪器和技术进行检查，从而完成对其定位及严重程度的判定。
4．2 把自动监测和人工观测结合起来
大坝自动监测系统具有测量快、便于分析、可靠性高、可备份等特点，可以大大缩短数据采集的周期，减少人工资料整编分析的繁冗，提高大坝观测的工作效率，减轻劳动强度。由于自动化系统测点种类多、分布广、线路长，易受高低气温、高湿度、强雷电、大风、鼠害等不利环境干扰，易出现短路、断接、接触不良、元器件损坏等系统故障，造成监测中断或监测精度降低，此时采取人工观测方式可保证监测数据连续，校验系统精度，辅助故障处理。在系统运行、检修期间，通过人工比测来校验自动检测值，减小系统误差，提高数据采集的可靠性，为系统维护提供参考依据。
4．3 把定性监测和定量监测结合起来
通过定期巡视检查，以目测或摄像头探测记录，比较某部位外表各种异常现象变化和发展趋势，同时结合仪器监测以及数据分析比较，初步判断大坝某部位安全性是否出现异常，如大坝表面某部位出现塌陷、裂缝或渗漏，可结合变形、渗流、应力应变等各个项目的监测结果综合分析判断；也可以将传统的变形、渗流、应力应变及温度监测同面波法、超声波、CT、水质分析等结合起来，多个角度、多个层面地进行数据分析。如土石坝渗流问题分析，不仅要对大坝坝体、坝基、绕坝渗流情况进行定性监测分析，还要结合一些定量观测，比如：测压管（计）的状况、坝后渗流量的监测，以及坝后渗流水质的检测分析，观察坝后渗流水与库水颜色、水质是否相同，是否存在化学管涌或机械管涌或流土液化现象，地下水是否有浸蚀现象。通过定性、定量综合分析、比较，全方位、立体化地反映被监测对象的性态变化，从而做出比较客观准确的判断。
4．4 把监测资料分析与大坝安全综合评价结合起来
目前，大坝监测资料分析方法主要有常规分析法和数学模型分析法，常规分析比较常用的是比较法和作图法。监测资料分析通过计算比较并绘制观测值的过程线、分布图和相关图，或者建立原因量（如库水位、气温等）与效应量（如位移、渗流压力等）之间的数学模型，揭示观测量的变化趋势以及空间上的分布特点、与主要因素的相关关系或数学物理关系，从而寻找观测物理量随水库运行状态的变化规律。然后比照大坝设计标准（稳定、强度），校核坝体结构强度及稳定，判断大坝安全性态是否正常。
事实上，单纯凭监测指标来判别大坝安全往往不完善，因为目前的监测指标主要依靠系统、人工监测和理论计算确定。前者受仪器、人为等因素影响大，后者由于计算理论、数学模型和边界条件的假定，误差也较大，实际应用也值得商榷。如对于土石坝，当上游库水位骤升或骤降时，测压管水位可能出现三种情况：①不会超过监控指标；②变化滞后时间较长；③个别没有明显变化，但此时上游坝体有可能失稳。上世纪90 年代初，水利部开展的水库大坝安全鉴定就是根据设计复核、坝基隐患、坝体稳定、泄洪消能、库区淤积及近坝库岸滑坡等方面对大坝结构性态和安全状况进行全面检查和评价，实践证明是成功有效的。因此，有必要把大坝监测资料分析方法与大坝安全鉴定的经验结合起来，达到全面客观评估大坝安全性态的目的。
结语
一个水电站从建设完工之日起，其安全调度管理工作的主要依据就是大坝安全监测数据，由此可见安全监测工作的重要性，随着现代科学技术的发展，现代化的安全监测技术与安全监测设备已成为安全监测工作发展的迫切需要，因此，未来现代化的安全监测技术必将取代传统的监测方法。由于很多现代化的监测技术才起步，研究实施工作也刚刚开始，这样就为广大的安全监测工作者提供了广阔的发展空间，相信这一天马上就会到来。
参考文献：
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[3]盛金宝，冯靖宇，彭雪辉.小型水库风险分析方法研究[J].水利水运工程学报，2013，（l）：28一35.
论文作者:陈赞亮
论文发表刊物:《基层建设》2016年13期
论文发表时间:2016/10/17
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