唐宜盛+++达娃+++席隆海+++杨飞
摘 要：根据近年土石坝安全监测技术发展，结合高海拔、高寒、高烈度特点，列举西藏地区某规划建设300m级心墙堆石坝工程实例，对安全监测设计和施工过程中的各监测项目、气象修正、系统防雷、电源布置、监测自动化进行全面论述，指出监测的重点、难点并提出应对措施。
关键词：心墙堆石坝；安全监测；监测项目；监测自动化
引言
近年来，由于土石坝充分利用当地材料、节约投资、工期相对较短等优势，在国内外坝工建设上广泛采用。据不完全统计，世界上已建和在建的坝高在230m以上的当地材料坝共有15座，其中14座采用了土质心墙防渗型式，其中300m级高坝1座，详见表1。施工期和运行期的安全监测可以获取大坝运行性态的第一手资料，从而了解和掌握大坝安全状况，确保工程安全，但中国目前尚无300m级心墙堆石坝施工和运行经验，本文结合西藏地区高寒高烈度特点，对超高心墙堆石坝安全监测进行分析和思考。
心墙堆石坝安全监测量分为环境量和效应量两类，环境量包括库水位、水温、气温、气压、降水（降雨和降雪）、地震等，效应量包括位移、偏转、渗流压力、渗流量、应力、应变等。
1 项目概况
西藏地区某规划建设的水电站位于澜沧江上游河段，根据当地气象资料统计，多年平均气温4.8℃，极端最高气温26.1℃，极端最低气温-24.6℃；多年平均相对湿度61.1%，多年平均降水量575.4mm，多年平均蒸发量1632mm。电站工程建设的场地基本烈度为Ⅶ度，工程抗震设防类别为甲类，设计工况时取100年超越概率2%的地震动参数0.32g，校核工况时取基准期100年超越概率1%的地震动参数0.41g。电站规划挡水建筑物为心墙堆石坝，最大坝高315m，大坝从上游至下游分区为上游堆石区、上游过渡料区、上游反滤料区、心墙区、下游反滤料区、下游过渡料区、下游堆石区。
心墙堆石坝安全监测量分为环境量和效应量两类，环境量包括库水位、水温、气温、气压、降水（降雨和降雪）、地震等，效应量包括位移、偏转、渗流压力、渗流量、应力、应变等。结合工程实际，按照DL/T5259的有关规定，心墙堆石坝监测项目有巡视检查、环境量监测、变形监测、渗流监测、压力（应力）监测、监测自动化。巡视检查包括按照各类检查规定程序进行现场填表和记录，必要时附有略图、素描、照片或录像；环境量监测包括气温、上下游水位、库水温、降水、冰压、地震等；变形监测包括表面变形、内部变形、坝基深部变形、结构缝及堆石体与防浪墙接缝开合度等；渗流变形作为心墙堆石坝重点监测项目包括浸润线、渗流压力、渗流量、绕坝渗流、渗流水质、防渗效果监测等；压力（应力）监测包括土压力监测、混凝土垫层应力监测；监测自动化是为连续稳定获得心墙堆石坝永久监测项目数据，将各测点组网集成，从而实现在工控机上数据采集和资料整理整编。
2 安全监测思考
2.1 环境量监测
环境量如水位、冰压等变化会引起坝体变形、渗流等效应量变化，加之西藏地区高海拔、气候干燥、昼夜温差大和冬季极端低温气候影响，很多监测仪器（弦式）测值也需要进行气温、气压等气象修正，除需在坝址位置建立一个环境量监测站外，还应在大坝坝坡不同高程观测房适当位置增设气温、气压传感器。
考虑到坝体渗流总量准确性对判别心墙堆石坝渗流稳定的重要性，建议在下游坝后量水堰处建立简易气象站，主要监测降水和蒸发两环境量，为计算总体渗漏量剔除气候影响因子。坝址场地基本烈度为Ⅶ度，心墙堆石坝有必要建立强震监测系统进行地震反应监测和坝体抗震措施监测，以掌握心墙堆石坝在地震荷载作用下的反应和检验抗震措施发挥的效果。
2.2 变形监测
2.2.1 断面选择
为更好的监测心墙堆石坝的工作性态，选择具有代表性的心墙中心线为主要的监测纵断面，以河床中心线选择两个最大坝高断面作为一主一辅横断面，左右岸根据心墙堆石坝的布置情况、坝基地质条件，选择2～3个断面作为左右岸监测重要监测断面。
2.2.2 表面变形监测
表面变形监测主要以心墙堆石坝表面观测墩作为主要监测手段，为充分反映坝体各高程和左右岸协调变形情况，同时结合坝体内部变形监测布置，在坝体上下游选择具有代表性的部位设置观测墩测线，考虑视准线法监测的需要，测线两端设工作基点，工作基点与工程永久外部变形监测网联测，以求得大坝表面变形绝对值。本工程心墙堆石坝规模巨大，因此应选用技术可靠而成熟的监测手段，并在满足监测量程、精度及相关要求的情况下尽量节约投资，在施工期及初蓄期表面变形监测建议采用传统大地变形测量法。同时，考虑到本工程需布置的表面变形监测点数量较多、人工观测及数据处理工作量较大的情况，为及时采集数据并提高观测效率，在初蓄期及运行期选择具有代表性的部分测点进行改造后采用GNSS和测量机器人两种方法进行监测。
2.2.3 内部变形监测
心墙堆石坝内部变形监测项目包括沉降监测、水平位移监测、土体位移监测和不同材料接触界面错动监测，所有内部监测需通过对应的外部变形监测测点校核得出内部变形的绝对值。
大坝内部变形监测主要采用测斜仪、电磁沉降仪、弦式沉降系统、水管式沉降仪、引张线式水平位移计及剪变形计等仪器设备。测斜仪与电磁沉降仪技术较成熟，根据国内其他已建工程经验，可将两种仪器结合埋设，用来监测心墙的水平位移和沉降，即沿心墙中心线布置测斜暨电磁沉降孔，在测斜管上等间距（3m）套上电磁沉降环。由于施工期心墙沉降变形量较大，加之心墙会产生上下游向和左右岸向位移，为防止测斜管的接头阻碍沉降环随坝体一同变形，同时适应测斜管弯曲变形，建议测斜管接头采用内置式暗扣连接头，接头处带伸缩节。考虑到最大坝高断面孔深超过300m，其埋设风险大，一旦失效将无补救，建议在辅助断面同时布置弦式沉降系统或横梁式沉降仪以监测仪器埋设抗风险能力。另外施工期应注意孔口保护，防止被施工机械撞击损坏或石块掉落堵孔，避免降低监测设施的监测范围。
引张线式水平位移计和水管式沉降仪广泛用于监测下游堆石体的水平位移和沉降，技术也成熟，考虑到本工程心墙堆石坝规模较大，对于监测管线超过300m的高坝，水管式沉降仪常常会出现因线路过长带来监测精度下降、坝体不均匀沉降堵管等难题，为提高仪器精度和可靠性，将水管式沉降仪建议由改进为四管式，测读端采用采用双测管，两水管互为校核补充。由于引张线式水平位移计和水管式沉降仪每次测读前张紧铟钢丝和通水后稳定后再测读，且本工程测点数量较多，蓄水期前可对其进行自动化改造，为节约投资，在监测设备采购时就需考虑自动化改造成熟的产品，避免自动化改造时更换测读端设备，另外自动化改造时需增加自动加载装置和通水排气装置，因此观测房设计时需预留出一定的空间保证设备布置。上游堆石体内部水平位移可采用弦式沉降仪监测，但由于弦式沉降仪的测量范围不超过70m，故只能用于施工期和初蓄期，可在每支弦式沉降仪对应布置1支渗压计，监测大坝上游堆石体蓄水后的沉降，通过渗压计水头和上游水位可换算得出相应部位的沉降。考虑到本工程处于西藏高寒地区，受冬季极端气温影响，水管式沉降仪及弦式沉降仪都会受水低温结冰的影响，从而影响仪器工作，选择可靠的防冻液或保温措施是提高仪器可靠性的关键。
界面错动监测主要指岸坡与坝体接触面之间、坝体反滤与心墙之间可能发生的相对位移，一般采用布置剪变形计监测。另外根据工程经验，在大坝蓄水过程中或水库水位变动等情况下坝顶可能会产生轻微“摇头”的现象，堆石体与防浪墙间接触面可能发生相对错动，故在堆石体与防浪墙接触面布置测缝计以监测开合度变化及相对错动。
2.3 渗流监测
坝体坝基渗流监测主要包括坝体浸润线监测、渗透压力监测、防渗效果监测、绕坝渗流监测和渗流量监测等，一般采用埋设渗压计和部署绕坝水位孔、量水堰等设备监测。考虑到渗流监测对心墙堆石坝极端重要性，建议所有渗流监测项目均进入自动化实现实时连续观测。渗流将引起周围温度场变化，因此也可以借助枢纽区内温度计、振弦式仪器温度补偿（目前大多数振弦式仪器所测温度精度在0.5℃以内）监测土体介质内、土体与岩体界面、混凝土垫层内温度场，通过长时间温度监测数据库可模拟出温度场变化从而分析出渗流变化趋势。
随着近年监测科学技术发展，光纤测温测渗流技术在坝工界广泛探索应用，在心墙堆石坝测渗漏建议在下游反滤料中沿横河向布置渗漏光纤和光电传感单元，当渗流通过时会引起周围温度场的变化，通过采集光电传感单元反馈回来的光信号或波长来判断渗流。此种方法已在国内大型土石坝科研试用，由于光纤测温测渗流又需长时间持续通电，施工期稳定电源保障是关键。国内糯扎渡电站心墙堆石坝采用分布式光纤布拉格光栅渗压传感技术监测渗流，但波段信号数据采集不稳定，数据分析结果与其他渗流监测成果存在差异，未取得较好成功经验，本工程可持续关注此项技术的发展选择性采用。
2.4 压力（应力）监测
土石坝应力监测常用的仪器是是土压力计，通过埋设不同类型的土压力计了解坝体内部应力及坝体与坝基接触面应力变化情况，判断工程的安全状况。目前土石坝稳定计算有总应力法和有效应力法，为便于后期资料分析，同时考虑到心墙料变形模量较低而坝壳料变形模量较高，心墙区可能出现拱效应，为判断心墙出现水力劈裂的可能性，在每支土压力计旁均应布设渗压计监测孔隙水压力。
2.5 监测自动化
本工程心墙堆石坝规模大，安全监测项目众多，且测点布置较分散，需要大量的人力和资源（时间、设备）进行观测、数据采集和整编分析，因此为节约资源，同时实现快速、准确的测量与数据采集，自动进行监测资料整编分析，尽早发现可能的事故隐患，必须将大坝安全监测系统与其他监测系统（引水发电系统、泄水建筑物、边坡等）组网形成安全监测自动化系统。而大坝安全监测系统除接入自动化的心墙堆石坝内观监测项目子系统外，还包括心墙堆石坝表面变形外观监测（GNSS和测量机器人）、强震监测（地震反应和抗震措施监测）、经自动化改造的引张线水平位移计和水管式沉降仪测控系统、光纤测渗漏系统四个独立系统，如何将以上五个子系统有效集成为大坝安全监测预警系统有以下几个重点与难点。
2.5.1 系统通讯组网
随着当今技术的进步发展，目前国内大坝安全监测系统大都采用分布式数据采集系统，由于本项目工程规模巨大、测点和各建筑物分布分散、监测数据传输距离长易受外界干扰等特点，监测自动化系统宜采用国内广泛应用的分布式、多级连接的网络结构型式，系统网络总线结构采用RS-485形式，根据国内大中型水电工程经验，通讯方式也采用RS-485总线通讯，但由于总线通讯方式各网络单元都赋以独立地址，且为了便于外观监测系统和强震系统接入系统并有效组网，建议自动化系统采用基于TCP/IP协议以太网通信方式，特别是在某测站或基站布置有线通讯距离较远，布线成本较高的情况下，基于TCP/IP协议以太网通信可较方便的实现无线通讯。RS-485总线通讯和以太网通讯两者比较如表2。
2.5.2 系统供电
根据工程规模，自动化系统宜采用分散供电方式，在各监测站就近接入永久供电电源，但心墙堆石坝安全监测自动化改造一般都是在蓄水期前或过程中就要完成，永久供电系统基本上还未能建成投入使用，过渡期建议采用施工临时电源分散供电方式，但临时供电电源存在电压过高及噪声问题，造成系统存在安全隐患且影响仪器设备的正常运行，导致测值失真，故在每个观测站中都需安装净化电源，对供电电源进线稳压、降噪，这将增加工程建设成本。特别是在某测站或基站布置较远，永久供电电源布置至站成本较高时考虑采用太阳能电池板供电方式。
2.5.3 系统防雷
对安全监测自动化系统造成危害的雷击主要有两种形式：直击雷和雷电电磁脉冲，为了保证安全监测自动化系统的安全畅通，有必要对防雷接地进行设计，以提高自动化系统的防雷避雷性能。根据本工程规模和其他工程经验，心墙堆石坝所有测站均可接入工程的防雷和接地设施，系统防雷设计主要从直击雷防护和雷电感应过电压防护两方面进行，直击雷的防护采用合理自动化系统设计和外部技术防雷措施（避雷针、避雷带等），雷电感应过电压防护主要从电源防雷、室外线路防雷、信号线端口隔离和通讯线路防雷等几方面进行。
2.5.4 系统集成
大坝安全监测系统包括心墙堆石坝内观监测项目子系统GNSS和测量机器人系统、强震监测系统、引张线水平位移计和水管式沉降仪测控系统、光纤测渗漏系统。上述系统将在监测管理站物理层面集成，每个系统将在各自或公用的工控机上独立运行，进行远程监测（测量）、数据采集。另外为了方便数据的统一管理，实现各系统间互访、监测数据互备份、监测资料的统一整编分析和24小时不间断运行的在线监控及分级报警功能，还要进行软件层面集成，即采用同一监测信息管理系统对上述各系统进行统一管理，这就要求管理站工作计算机和服务器共用统一的数据库，所以在软件层面集成时有两大重、难点需攻克：一是各系统采用不同编程语言开发，底层数据库格式不一，且没有统一的通讯协议或通讯协议不开放，特别是GNSS和测量机器人采用瑞士徕卡的GeoMos Monitor和GNSS Spider系统（以下将两系统数据库简称徕卡数据库），其底层数据库不开放，要实现系统集成只能在统一数据库和徕卡数据库之间再建立一个中间数据库，实现有用数据的相互提取和转换，由于徕卡数据库结构复杂，要提取有用的信息传输至统一库并且最终实现数据反馈（即监测信息管理系统可对徕卡系统实现监测命令下达），其过程涉及水工、监测、计算机、软件编程等专业，需要一定数量的技术人员协调合作才能实现。二是强震监测EDAS系统在监测到地震反应后如何根据地震效应量分级给监测信息管理系统下达巡回监测指令。大坝安全监测系统内包含监测项目及测点众多，如果每发生一次地震就全部进行一次数据采集不仅反馈数据量大，而且数据采集和传输都需要一定时间，所以需要对现场布置的多个强震仪数据进行分析后进行工况评级，根据不同工况等级选择性的对部分监测项目或测点进行即时数据采集与分析。由于地震评级分析是一门非常专一的学科，很难将地震评级分析用计算机语言进行编程，而且还需要工程设计和科研单位提出可行的分级监测管理意见，列出分级监测项目或测点，才能结合上述成果由软件编程人员实现强震监测与大坝安全监测系统通讯。
3 结束语
西藏高海拔高寒高烈度区修建300m级心墙堆石坝在国内水电站建设史上将是一次挑战，其常规安全监测项目及仪器设备均可能超规范、超量程情况，如内观监测仪器和电缆连接如何提高耐水压能力，在300m水头下正常工作等，需要国内同类型已建在建土石坝工程施工、运行经验，设计科研单位和仪器制造商大力开展科研试验和科技创新。监测自动化系统集成及信息管理系统的开发需要跨专业协调合作，安全监控预警指标需要工程经验、监测计算成果、计算机技术将定量和定性分析有机结合，综合分析，实现实时分级预警，达到指导大坝施工、运行的目的。本文仅对心墙堆石坝几项常规监测和自动化进行了简要分析和思考，尚有许多实际问题需要在施工和运行过程中结合实际提出改进和完善。
参考文献
[1]岩土工程安全监测手册（第二版）[M].北京：中国水利水电出版社.
[2]沈嗣元，马能武.超高心墙堆石坝安全监测工程的创新技术探讨[J].人民长江，2010（20）.
[3]DL/T5259-2010.土石坝安全监测技术规范[S].
作者简介：唐宜盛（1986-），男，汉族，四川宜宾人，四川大学水利水电工程专业，本科，助理工程师，主要从事水电工程建设管理工作。
2.5.4 系统集成
大坝安全监测系统包括心墙堆石坝内观监测项目子系统GNSS和测量机器人系统、强震监测系统、引张线水平位移计和水管式沉降仪测控系统、光纤测渗漏系统。上述系统将在监测管理站物理层面集成，每个系统将在各自或公用的工控机上独立运行，进行远程监测（测量）、数据采集。另外为了方便数据的统一管理，实现各系统间互访、监测数据互备份、监测资料的统一整编分析和24小时不间断运行的在线监控及分级报警功能，还要进行软件层面集成，即采用同一监测信息管理系统对上述各系统进行统一管理，这就要求管理站工作计算机和服务器共用统一的数据库，所以在软件层面集成时有两大重、难点需攻克：一是各系统采用不同编程语言开发，底层数据库格式不一，且没有统一的通讯协议或通讯协议不开放，特别是GNSS和测量机器人采用瑞士徕卡的GeoMos Monitor和GNSS Spider系统（以下将两系统数据库简称徕卡数据库），其底层数据库不开放，要实现系统集成只能在统一数据库和徕卡数据库之间再建立一个中间数据库，实现有用数据的相互提取和转换，由于徕卡数据库结构复杂，要提取有用的信息传输至统一库并且最终实现数据反馈（即监测信息管理系统可对徕卡系统实现监测命令下达），其过程涉及水工、监测、计算机、软件编程等专业，需要一定数量的技术人员协调合作才能实现。二是强震监测EDAS系统在监测到地震反应后如何根据地震效应量分级给监测信息管理系统下达巡回监测指令。大坝安全监测系统内包含监测项目及测点众多，如果每发生一次地震就全部进行一次数据采集不仅反馈数据量大，而且数据采集和传输都需要一定时间，所以需要对现场布置的多个强震仪数据进行分析后进行工况评级，根据不同工况等级选择性的对部分监测项目或测点进行即时数据采集与分析。由于地震评级分析是一门非常专一的学科，很难将地震评级分析用计算机语言进行编程，而且还需要工程设计和科研单位提出可行的分级监测管理意见，列出分级监测项目或测点，才能结合上述成果由软件编程人员实现强震监测与大坝安全监测系统通讯。
3 结束语
西藏高海拔高寒高烈度区修建300m级心墙堆石坝在国内水电站建设史上将是一次挑战，其常规安全监测项目及仪器设备均可能超规范、超量程情况，如内观监测仪器和电缆连接如何提高耐水压能力，在300m水头下正常工作等，需要国内同类型已建在建土石坝工程施工、运行经验，设计科研单位和仪器制造商大力开展科研试验和科技创新。监测自动化系统集成及信息管理系统的开发需要跨专业协调合作，安全监控预警指标需要工程经验、监测计算成果、计算机技术将定量和定性分析有机结合，综合分析，实现实时分级预警，达到指导大坝施工、运行的目的。本文仅对心墙堆石坝几项常规监测和自动化进行了简要分析和思考，尚有许多实际问题需要在施工和运行过程中结合实际提出改进和完善。
参考文献
[1]岩土工程安全监测手册（第二版）[M].北京：中国水利水电出版社.
[2]沈嗣元，马能武.超高心墙堆石坝安全监测工程的创新技术探讨[J].人民长江，2010（20）.
[3]DL/T5259-2010.土石坝安全监测技术规范[S].
作者简介：唐宜盛（1986-），男，汉族，四川宜宾人，四川大学水利水电工程专业，本科，助理工程师，主要从事水电工程建设管理工作。
2.5.4 系统集成
大坝安全监测系统包括心墙堆石坝内观监测项目子系统GNSS和测量机器人系统、强震监测系统、引张线水平位移计和水管式沉降仪测控系统、光纤测渗漏系统。上述系统将在监测管理站物理层面集成，每个系统将在各自或公用的工控机上独立运行，进行远程监测（测量）、数据采集。另外为了方便数据的统一管理，实现各系统间互访、监测数据互备份、监测资料的统一整编分析和24小时不间断运行的在线监控及分级报警功能，还要进行软件层面集成，即采用同一监测信息管理系统对上述各系统进行统一管理，这就要求管理站工作计算机和服务器共用统一的数据库，所以在软件层面集成时有两大重、难点需攻克：一是各系统采用不同编程语言开发，底层数据库格式不一，且没有统一的通讯协议或通讯协议不开放，特别是GNSS和测量机器人采用瑞士徕卡的GeoMos Monitor和GNSS Spider系统（以下将两系统数据库简称徕卡数据库），其底层数据库不开放，要实现系统集成只能在统一数据库和徕卡数据库之间再建立一个中间数据库，实现有用数据的相互提取和转换，由于徕卡数据库结构复杂，要提取有用的信息传输至统一库并且最终实现数据反馈（即监测信息管理系统可对徕卡系统实现监测命令下达），其过程涉及水工、监测、计算机、软件编程等专业，需要一定数量的技术人员协调合作才能实现。二是强震监测EDAS系统在监测到地震反应后如何根据地震效应量分级给监测信息管理系统下达巡回监测指令。大坝安全监测系统内包含监测项目及测点众多，如果每发生一次地震就全部进行一次数据采集不仅反馈数据量大，而且数据采集和传输都需要一定时间，所以需要对现场布置的多个强震仪数据进行分析后进行工况评级，根据不同工况等级选择性的对部分监测项目或测点进行即时数据采集与分析。由于地震评级分析是一门非常专一的学科，很难将地震评级分析用计算机语言进行编程，而且还需要工程设计和科研单位提出可行的分级监测管理意见，列出分级监测项目或测点，才能结合上述成果由软件编程人员实现强震监测与大坝安全监测系统通讯。
3 结束语
西藏高海拔高寒高烈度区修建300m级心墙堆石坝在国内水电站建设史上将是一次挑战，其常规安全监测项目及仪器设备均可能超规范、超量程情况，如内观监测仪器和电缆连接如何提高耐水压能力，在300m水头下正常工作等，需要国内同类型已建在建土石坝工程施工、运行经验，设计科研单位和仪器制造商大力开展科研试验和科技创新。监测自动化系统集成及信息管理系统的开发需要跨专业协调合作，安全监控预警指标需要工程经验、监测计算成果、计算机技术将定量和定性分析有机结合，综合分析，实现实时分级预警，达到指导大坝施工、运行的目的。本文仅对心墙堆石坝几项常规监测和自动化进行了简要分析和思考，尚有许多实际问题需要在施工和运行过程中结合实际提出改进和完善。
参考文献
[1]岩土工程安全监测手册（第二版）[M].北京：中国水利水电出版社.
[2]沈嗣元，马能武.超高心墙堆石坝安全监测工程的创新技术探讨[J].人民长江，2010（20）.
[3]DL/T5259-2010.土石坝安全监测技术规范[S].
作者简介：唐宜盛（1986-），男，汉族，四川宜宾人，四川大学水利水电工程专业，本科，助理工程师，主要从事水电工程建设管理工作。
