武都水库右岸雾化变形体自动化安全监测方案及施工期安全监测分析

武都水库右岸雾化变形体自动化安全监测方案及施工期安全监测分析

张礼朋

张礼朋

中国水利水电第三工程局有限公司勘测设计研究院陕西710032

摘要：雾化是水利工程中的一种自然现象，雾化对工程及附近居民的生活会产生一定程度的影响，甚至造成危害，所以雾化防护很重要。本文根据武都水库大坝右岸580公路和R2公路泄洪雾化影响区岩质发育的地质环境及其变形破坏特征，采用钻孔安装固定式测斜仪对变形体进行安全监测，固定式测斜仪采用自动化监测系统，并采用无线传输，可以实时将监测数据发送至监测中心，通过监测中心的软件，对数据进行分析，减少现场工程师使用传统的人工监测方式的工作量，降低人力成本，且可在汛期的时候根据实际情况调整测量的周期和预警。

关键词：水库右岸；雾化变形体；测斜仪；自动化；监测

引言

雾化现象是高坝泄洪消能的一个负面效应，它对于水电站的安全运行、周围环境等有一定的影响。随着国家水电建设的兴起，尤其是在西部高山峡谷地区建设高坝大库，其泄洪雾化问题尤为突出。因此，深入研究雾化现象引发岩体边坡失稳的机制，并建立有效的安全监测分析方法，对于库岸岩体滑坡的安全预测有着重要的指导意义。

1、工程概况

武都水库是四川省在建的最大水利枢纽工程，也是迄今涪江上最大的水利枢纽工程，同时也是水利部、四川省重点水利工程。工程位于四川省江油市武都镇上游4公里的涪江干流，主要建筑物有拦河大坝和坝后式厂房。拦河大坝为碾压混凝土重力坝，最大坝高120米，坝顶长727米，库容5.72亿立方米；坝后式厂房装机3×5万千瓦。

2、工程地质条件

武都水库位于龙门山褶断带前山构造带的北段，处于F5、F7、F11断层之间区内主要构造线呈NE-SW向展布，主要构造形迹为北东向短轴褶皱并伴随与之平行、倾向西北的一系列迭瓦式逆冲断层，褶皱有峡口向斜，主要断裂有三条：

F5断裂位于摸Ⅳ坝轴线上游，左岸为250～350m，右岸170～250m，岩层总体产状N41°～68°E/NW（局部倒转呈SE）∠66°～78°。据平硐揭示宽度117.0m，由糜棱岩、断层泥、片状岩夹构造透镜体角砾状或块状的石英砂岩组成。破碎带内裂隙、小断层现象发育，但挤压紧密。该断层除中部具透水性外，断层上盘顶部、底部属不透水层；

F11断层出露于D11与D12的接触地带，破碎带宽11.5～23.6m，由断层泥、角砾岩砾石及块状岩组成，上、下盘影响带宽度分别为8.3m与2.0m。在汛期中，破碎带均无地下水活动，而在上下盘影响带内有地下水活动，反映了破碎带挤压紧密，透水性差；F7断层出露于F11断层下游，相距90～130m。断层呈舒缓状，破碎带宽17～20m，由角砾岩、糜棱岩、断层泥、构造块状岩组成，泥钙质胶结，挤压密实。据左岸PD4平硐揭穿该破碎带后，发现下盘影响带内T21-1白云质灰岩中发育溶洞，洞径2m无充填，表明该破碎带具隔水性能。

坝址区岩层中发育的层间剪切破碎带顺层分布，多短小，发育较为密集。F5和F11断层之间为可溶岩底层，受构造控制和地下水溶蚀与侵蚀作用，区域内岩溶极度发育，随机分布于坝区范围内。受地形地貌、地质构造、地层岩性、水文地质条件的控制，各地段和不同高程的岩溶形态不一，岩溶强度差异较大，构成了主要的不利工程地质条件。

右岸雾化变形体位于四川武都水库大坝F5断层范围内的右岸580公路和R2公路区域，该区域上世纪七十年代为附近钢铁厂垃圾填埋场，后来由于武都水库大坝工程施工，对该区域表面进行了硬化处理，作为大坝的进场公路。由于受到主汛期连续强降雨和表底孔泄洪雾化影响，使该区域地基基础松软，最终导致该区域局部滑坡和基础被流水冲蚀等情况。

3、雾化变形体安全监测设计

2011年～2013年主汛期，由于受水库大坝表底孔泄流雾化和连续强降雨影响，使得该路段受雾化影响严重变形。后经安全监测单位监测，发现该路段岩体基础较为活跃，已经严重危机河道及右岸580公路的安全，经相关单位研究决定，一方面由施工单位对右岸受雾化影响的区域进行局部卸载和临时支护处理，确保进场公路段的安全，另一方面业主委托设计院对该雾化变形体进行永久加固处理。

由于右岸580公路和R2公路段经清挖和混凝土回填后，能从根本上改善该区域的稳定条件。但由于该区域结构复杂多变，其基础处理的难度较大、质量控制较难，最终的处理效果还需经受水库泄洪雾化和长期运行的考验。从安全角度考虑，该区域经加固处理后，基础承压力将会有显著改善，但基础的不均匀沉降，基础渗漏等对安全有决定性影响的因素还必须通过永久监测来分析和判断。为此，设计院对该雾化变形体区域专门进行了永久监测设计。

3.1测斜仪布设

对于加固处理后的雾化变形体的安全监测，根据设计要求，拟建1个边坡自动采集系统。对于边坡上的4个测斜系统，进行钻孔并安装测斜管，传感器布置在监测面位移监测孔内，每个测斜孔安装3支固定式测斜仪；对位于2个抗滑桩表面的测斜系统，每个抗滑桩安装1只表面式倾角计，所有仪器安装完毕后通过电缆连接至MCU进行自动化采集，最后通过无线GPRS/CDMA通讯方式实现与管理中心的无线传输，并通过监测系统专用软件进行分析。

3.2自动化监测系统

自动化监测系统是一种综合性的自动化远程监测系统，可对地质边坡岩土体内部沉降、倾斜、错动、土壤湿度、孔隙水压力变化、雨量等进行连续监测，及时捕捉边坡性状变化的特征信息，通过无线方式将监测数据及时发送到监测中心，为保证地质安全和整治工程设计提供信息参考。

3.2.1系统基本功能：

1）根据现场勘探，确定监测参量，配备自动化监测所需的各种测试仪器设备。

2）配备程监测单元（MCU）系统机箱、电缆及接口装置以符合实际边坡环境，系统具有电源保护装置、避雷装置等硬件设备，把信号受干扰程度降至最低，尽量减少系统的安装误差。

3）数据传输可采用无线数据传输终端方式与监测中心通讯，数据采用全透明方式，同时具有报警管理系统，简捷得知设备运行状况，完成远程控制的需要。

3.2.2系统组成

安全监测系统主要由前端测试仪器、远程监测单元与数据传输、监测中心数据处理与分析三部分构成。

3.2.3测斜仪选型

1）固定式测斜仪

对于坡体内部深层水平位移变形，采用美国JEWELL公司（原美国AGI公司）906littledippe双轴固定测斜仪来测量。

906littledipper双轴固定测斜仪由一个玻璃瓶和装入瓶内的5个内置电极组成，当传感器倾斜时，电极的浸入深度不同，电极之间的直流电阻就不同，因而四个象限的电极就可以测量平面X和Y方向的倾斜。输出信号为直流电压，并且和倾斜量及温度成正比。固定测斜仪可以多个串接安装，固定测斜仪的导向片可以用于保证传感器在管内的安装方向。

测斜仪安装在安装有ABS测斜管内，根据设计要求，测斜管其中一对导槽应垂直于滑动方向，每节测斜管垂直度偏差不应大于1°，边坡测斜管在覆盖层内的，采用粗砂回填密实。

2）表面式倾角计

抗滑桩表面采用美国JEWELL公司（原美国AGI公司）MD904-TS型倾角仪。MD900-T型双轴倾斜传感器为高精度双轴电解质倾斜传感器，适用于大坝、桥梁、核电站等大型混凝土结构或者船闸闸门等机械结构表面倾斜或者偏转测量。MD900-T型双轴倾斜传感器按测量方向分为长轴型和短轴型两种，每种都有三种不同的量程规格，每种规格都可以提供模拟信号输出和多种数字格式的信号输出（RS232或RS422），可以按需进行选购。

MD900-T型双轴倾斜传感器采用采用铝制烤漆外壳和防水设计，带有温度补偿测量功能，适合在各种恶劣环境中进行应用。

传感器的布置：表面式测斜仪直接安装在桩顶的表面通过螺栓固定。安装时通过水平尺在桩顶确定安装的水平面或通过安装支架确定一个安装水平面，通过传感器上的4个固定螺丝，安装紧固。

3.2.4数据采集系统

数据采集系统，采用远程监测单元（DTMCU80）。

1）DTMCU的组成及工作原理

远程监测单元（DTMCU80）系统主要由数据采集器、电源系统、GPRS/CDMA无线数据传输终端、防雷器件、接线与通讯接口、防水密封防护机箱等组成。

远程监测单元的工作原理为：各种传感器信号按顺序接入输入信号模块中，经由防雷模块处理后，进入DT采集器中传感器采集通道，采集的数据通过PRS/CDMA无线传输模块连接后，便可按TCP/IP协议远程与数据存储与处理系统进行通讯了。

2）DTMCU的功能特性

DT数据采集单元（MCU）以澳大利亚dataTakerDT80数据采集器为核心，是最新一代的监测产品，专门用于各类工程安全自动化监测，具有性能稳定、技术先进、质量可靠、耐用、精度高等特点，各项技术指标均满足监测的国家规范及标准要求。

DTMCU的技术指标

通道数：DTMCU80主机测量模块具有5个4线制通道（10个2线制通道）。通过扩展箱，最多可扩展到100个4线制通道。

采样对象：支持电压、电流、频率、电阻、桥路、温度等信号。

标准信号测量范围：电压：±30V，电流：0～20mA。数字信号测量类型：RS232、RS422、RS485、SDI-12、开关量和高频计数等。

数据存储容量：提供128M的内部存储空间，可存储10，000，000个数据点的数据。

工作环境：工作温度：-45℃～+70℃，相对湿度≤95%，采用优质品牌机箱防护，结构坚固，适合墙、柱、线杆或机柜内安装；防护等级：IP66，系统防雷电感应：≥1500W。

电源管理：工作电压宽范围10～30VDC，采用交、直流两种供电方式，具有6V4AHr免维护蓄电池，支持24小时不间断运行，可控制休眠状态模式，可正常工作30天以上。

3.2.5数据传输系统

本监测项目采用DT无线数据传输系统进行通讯。DT无线数据传输系统主要有无线数据传输模块模块，通过无线GPRS/CDMA网络再连通到Internet互联网络，将数据传输到监测中心固定端电脑或服务器上。

DT-GPRS/CDMADTU可为用户提供高速、永远在线、透明数据传输的虚拟专用数据通信网络，利用手机GPRS网络或CDMA网络平台实现数据信息的透明传输。支持根据域名和IP地址访问中心多种工作模式选择，支持串口软件升级和远程维护，使用方便、灵活，特别适用于间断的、突发性的和频繁的、点多分散、中小流量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。

3.2.6电源系统

本项目采取24V太阳能供电方式，太阳能供电系统采用太阳能板和蓄电池组合的浮充供电。系统由太阳能阵、汇流盒、太阳能控制器等组成，太阳能阵采用单晶硅板，同时需要考虑和蓄电池组的容量相互匹配，保证太阳能阵可以完全给蓄电池组充满电。

太阳能电源系统为MCU系统及传感器供电，包括有蓄电池、5A智能充电控制器及支撑杆。根据传感器及监测单元的能耗情况，选用40W功率的太阳能板及48AH蓄电池。

DT智能可编程数据采集单元输入电压范围为：11-28Vdc，电压输入范围较宽，有利于适应现场的环境。同时，智能可编程数据采集单元内部具有电池，当有外部供电时可自动为内部电池充电。

3.2.7防雷保护及接地

安装在户外的监测系统的关键部件均需经过防雷保护，采用专用电源防雷器对电源进行D级电涌防护，输入信号接入保护等级为IP00的信号防雷板进行过压保护。数据传输通过防雷器后与发射天线联接。系统与大地之间应用专用防雷接地线连接，确保整个系统不遭受雷击和其它高电压破坏。

接地装置采用非常可靠的产品，从“引雷入地”的观点出发，工频接地电阻值不大于4Ω，装置的安装将按相关标准执行。

3.2.8数据处理与分析系统

监测中心主机需安装在具有能够直连到公网的网络环境内，以便更迅捷的通过互联网或DTU手机网络对数据采集器传送来的数据进行传输、分析、处理、监测、记录或导出。监控中心还可按需配置打印机、服务器等相关设备。在主机内安装“DTs边坡监测”软件。实现自动化采集后，减少现场工程师使用传统的人工监测方式的工作量，降低人力成本，可在汛期的时候根据实际情况调整测量的周期和预警。

4、观测资料分析

根据情况，在这里选取CL1测斜仪所在的监测断面进行分析，CL1测斜仪为孔内安装3支测斜仪，深度距离孔口分别为3m、7m、12m。仪器的数据采集频率按照规范要求执行，在“DTs边坡监测”软件中设置好监测频次，定期将数据通过云端下载到电脑主机上。本工程采用的测斜仪的量程为±30°，仪器默认铅垂方向为0°，测斜仪直接采集的数据为累计偏移角度。

根据规定垂直于水流方向向左岸为Y+，顺水流方向向下游为X+。从整编图可以看出，测斜仪在2014年11月22日安装时就已经出现偏差，出现偏差的主要原因是由于测斜孔施工和安装ABS测斜管造成的，其中顺水流向最大偏差为-1.6225°（仪器编号：CL1-3-X），顺水流向最大偏差为0.9778°（仪器编号：CL1-1-Y），根据设计要求安装偏差不得大于2°，因此安装符合设计要求。

通过连续观测数据可知，顺水流向累计最大偏移角度为-1.6228°（仪器编号：CL1-3-X），偏向上游岸；垂直水流向累计最大偏移角度为0.9874°（仪器编号：CL1-1-Y），偏向左岸方向，从整编图上可以看出，数据曲线平直，观测周期内基本上没有发生大的跳动，说明仪器所在的位置相对偏移量较小，证明该区域仍在安全范围以内，没有出现明显的突变地带，该区域附近的岩体处在相对稳定的状态，说明该区域加固处理效果明显。由于观测时间较短，数据较少，该区域的稳定还需要长时间的观测数据才能得到验证。

5、结束语

（1）武都水库右岸雾化变形体地质条件复杂，风化卸荷严重，受雾化作用影响坡内节理裂隙、错动带和小断层发育，边坡强卸荷岩体呈碎裂～次块状结构。边坡已有的变形失稳模式为块体失稳和坡体浅表部的滑移压致拉裂变形。

（2）从安全角度考虑，该区域经加固处理后，基础承压力有显著改善，但基础的不均匀沉降，基础渗漏等对安全有决定性影响的因素还必须通过永久监测来分析和判断。因此通过设计在雾化变形体区域内的6套倾斜监测设施，对雾化变形体进行安全监测。安全监测数据采用无线传输系统，将数据实时传输到监测中心主机上，并通过监测系统专用软件进行分析。减少现场工程师使用传统的人工监测方式的工作量，降低人力成本，可在汛期的时候根据实际情况调整测量的周期和预警。

（3）通过对雾化变形体的连续监测数据可以看出，该区域经过加固处理后，滑坡等地质情况有了明显改善，确保了该区域地层结构的稳定，通过实时安全监测，也可以动态掌握雾化变形体在运营状态下的变形特点，对以后的雾化变形体具有很好的参考作用，可为类似工程提供实际借鉴。

参考文献：

[1]李君军，等.龙开口水电站枢纽工程安全监测设计[J].水力发电.2013（02）.

[2]刘韬，等.GPS自动化监测技术在接娘坪变形体中的应用[J].程地质学报.2014（03）.

[3]田金苓，易正晖.大坝变形监测自动化系统可行性研究[J].科技创新导报.2011（34）.