（水文学及水资源专业论文）水库安全监测自动化系统问题的研究.pdf

摘要 根据“健全完善水库安全监测设施，采用先进的监测手段对大坝进行监测” 的明确要求，以尔王庄水库进行除险加固工程为依托，开展水库安全监测自动化 系统问题的研究。 该研究对尔王庄水库大坝的渗流稳定和大坝沉降的监测进行采集点布局，甄 选精度高、耐久性能、稳定性能较好的数据采集仪器组成监测系统数据采集部分， 选择光纤通讯，以适应尔王庄水库大坝数据传输距离长，数据量大的特点，建模 拟合大坝渗流稳定，对测量数据进行分析，设定渗流预警，保障水库大坝运行安 全。配合渗流观测，合理布置环境观测点观测上下游水位、降雨量、温度、气压 等，使分析考虑的因素更全面。编制完成尔王庄水库安全监测自动化系统，系统 具备数据采集、数据分析、数据管理、数据存储、图文制作、人机对话等较完备 的功能，操作人员可以在权限范围内对本系统进行操作和管理。满足管理部门对 尔王庄水库进行安全自动化监测的目的。 尔王庄水库安全监测自动化系统采用先进的n e t 框架平台，b s 机制开发。 充分利用先进平台在数据访问、通信、分层等方面的技术优势，使其成为可伸缩、 可扩展、功能齐全、界面简洁美观、升级维护方便、自动化程度高的强大网络系 统。为水库的管理和运行提供方便和保障。 关键词：尔王庄水库安全监测自动化渗流稳定 a b s t r a c t b a s e do nt h e p e r f e c tt h es a f e t ym o n i t o r i n gi n s t a ll a t i o n so ft h er e s e r v o i ra n d m o n i t o rt h er e s e r v o i rb yt h ea d v a n c e dm o n i t o r i n gm e a s u r e ”，b ye l i m i n a t i n gt h e d a n g e ra n ds t r e n g t h e n i n gt h ew o r kf o rb a c k i n g ，t h er e s e r v o i rs h o u db er e s e a r c h e di n t h es a f e t ym o n i t o r i n ga u t o m a t i o n t h er e s e a r c hp i c k st h es p o t sa n da r r a n g e st h eg e n e r a ls i t u a t i o nf o rt h ep e r m e a t i o n s t a b i l i z a t i o na n dt h ed a ms u b s i d e n c eo ft h ee r w a n g z h u a n gr e s e r v o i r t h ed a t a a c q u i s i t i o no ft h em o n i t o r i n gs y s t e mi sc o n s i s to ft h eh i g ha c c u r a n c e ，s t r o n gd u r a b i l i t y a n dh i 。g hs t a b l ed a t aa c q u i s i t i o ni n s t r u m e n t s o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o na d j u s t st o t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h el o n gd i s t a n c ed a t at r a n s m i s s i o na n dt h el a r g ed a t aq u a n t i t yo f e r w a n g z h u a n gr e s e r v o i r b yr e s e a r c h i n gt h em e t r i c a ld a t ao ft h ed a ms u b s i d e n c e ， t r a n s f u s i o ne a r l yw a r n i n gi se s t a b l i s h e dt og u a r a n t e et h es a f e t yo ft h ed a m c o n c e r t i n g w i t ht h et r a n s f u s i o no b s e r v a t i o n ，e n v i r o n m e n to b s e r v a t i o np o i n t ss h o u db ea r r a n g e d r e a s o n a b l ys o a st oo b s e r v et h eu p s t r e a ma n dd o w n s t r e a mw a t e rl e v e l ，r a i n f a l l a m o u n t ，t e m p e r a t ea n db a r o m e t r i cp r e s s u r ea n ds oo n t h i si sv e r yc o m p r e h e n s i v e f o rt h ea n a l y t i c a lf a c t o r s t h ee s t a b l i s h e de r w a n g z h u a n gr e s e r v o i rs a f e t ym o n i t o r i n g a u t o m a t i o ns y s t e mi sc o n s i s to fs u c hf u n c t i o n sa sd a t aa c q u i s i t i o n , d a t aa n a l y s i s ，d a t a m a n a g e m e n t ，d a t as t o r a g ea n dg r a p h i c s & w o r d sp r o d u c t i o n ，w h i c ha r ec o m p l e t e f u n c t i o n s o p e r a t o r sc a no p e r a t ea n dm a n a g et h i ss y s t e mi nt h ej u r i s d i c t i o ns c o p e ， w h i c hc a nm e e tt h em a n a g e m e n td e p a r m e n t sg o a lo fm o n i t o r i n gt h ee r w a n g z h u a n g r e s e r v o i rs a f e l y e r w a n g z h u a n gr e s e r v o i rs a f e t ym o n i t o r i n ga u t o m a t i o ns y s t e mu s e st h ea d v a n c e d n e tt e r r a c ea n di sd e v e l o p e db yt h eb s i n s t i t u t i o n t h r o u g ht h ef u l lu s eo ft h e a d v a n c e dt e r r a c ew h o s es u p e r i o r i t i e sa led a t a i n t e r v i e w , c o m m u n i c a t i o n a n d l a m i n a t i o n , t h i ss y s t e mw i l lb eaf o r m i d a b l en e t w o r ks y s t e mw h o s es u p e r i o r i t i e sa r e e x p a n d a b l e ，c o m p l e t ef u n c t i o n , s c c i n c ta n da r t i s t i ci n t e r f a c e ，c o n v e n i e n tm a i n t e n a n c e f o rp r o m o t i o na n dh i g hd e g r e ea u t o m a t i o n t h a ti sc o n v e n i e n ta n di n d e r n n i f i c a t o r yf o r t h ea r r a n g e m e n ta n do p e r a t i o no ft h er e s e r v o i r k e y w o r d s ：e r w a n g z h u a n gr e s e r v o i r ；s a f e t ym o n i t o r i n g ；a u t o m a t i o n ；p e r m e a t i o n s t a b i l i z a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁壅苤茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：多锨 签字日期 沙矿年矿月忻 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者虢罗碜 签字日期：矽扩年妒月以勺 导师签名： 签字日期：k 丫_ 移舻 第一章绪论 1 1 研究的背景和意义 第一章绪论 中国已建成近8 7 万座水库，中小型水库和土石坝占有相当大的比例，水利 工程中9 0 以上为土石坝。这些水库是我国国民经济的重要基础设施，但是， 由于历史原因，这些水库大部分防洪标准低，且大多存在不同程度的质量问题。 为了确保水库大坝的安全运行，充分发挥水利工程的预期效益，对水库大坝实施 安全监测和科学管理，已成为各级水行政主管部门所面临的一个迫切需要解决的 问题。进行安全监测可以准确掌握大坝的工作状态，指导大坝运行管理，使工程 充分发挥其效益。大坝安全监测不仅是为了被监测坝的安全评估，还要验证设计 理论和选用参数的合理性；为研究大坝的设计理论提供科学依据；指导施工，有 利于其他大坝包括待建坝的安全评估。 尔王庄水库是引滦入津工程的重要组成部分，多年来为引滦输水发挥了重要 作用，为天津市城市居民和工农业用水作出了巨大的贡献。但同时水库坝体在多 年运行后出现了较严重的管涌等渗透破坏和集中渗漏现象，水库存在着安全隐 患，已严重影响水库的安全运行。一旦失事，不但会影响到天津市的供水，而且 会造成重大安全事故和经济损失。为保证水库大坝安全，确保水库正常运用，经 上级部门批准对水库进行了除险加固工程处理，同时提出了“健全完善水库安全 监测设施，采用先进的监测手段对大坝进行监测”的明确要求。这一要求为水 库大坝安全监测自动化问题的研究项目的实施奠定了基础。 1 2 水库大坝安全监测的研究进展 大坝安全自动化监测系统就是针对水库大坝的变形、位移、渗压、温度等进 行数据采集、数据管理、分析处理，系统所采集的数据经过处理后，既可以为用 户的在线分析提供决策依据，也可以提交给有关的上层结构分析软件做进一步 的分析处理，实现了大坝安全监测数据和信息的自动化管理、分析，为监测对象 提供早期安全预警报告，为大坝安全提供评估依据，保证大坝安全运行。大坝安 全监测是将数据采集、信息管理和分析评价融汇在一起的系统工程。 1 2 1 土石坝安全监测技术研究进展 第一章绪论 大坝安全监测包括人工巡视检查和仪器自动化监测。人工巡视检查包括日常 例行巡视检查和特别巡视检查，以人工的方法记录水工建筑物外形变化，水位变 化，是否存在明显破坏，并将巡视情况整理存档，作为水库运行管理和发挥水库 效益的依据。人工观测工作量大、周期长，观测成果的精度和同步性较差，尤其 是在汛期水位猛涨的情况下，适时的监测与分析计算很难做到。随着科学技术的 进步，大坝安全监测的手段有了迅速发展，由过去的人工巡视观测逐步发展到自 动化监测。其中，在人工巡视观测和自动化监测的发展中间，还存在一个中间状 态，在这个发展时期，数据观测和数据采集实现了自动化，各种用于大坝监测的 仪器承担了大部分的工作，但在数据处理方面还停留在人工处理，数据量突然加 大，数据处理工作量也随之上升，处理时间剧增，对数据的微小变化发现不及时 或无法发现，不能满足水库信息化和现代化管理的需求，因此，必须迅速发展大 坝安全自动化监测系统，以满足水库运行管理对安全和在保障安全的情况下最大 化水库效益的需求【l j 。 我国土石坝的原型监测起步于2 0 世纪5 0 年代，8 0 年代末实现了自动化监测， 之后发展迅速，但对观测仪器的要求仍以简单可靠、能取得满足精度要求的观测 成果为主。9 0 年代后大坝安全监测技术飞速发展，许多大坝完成了自动化监测系 统的更新改造，新建土石坝具有了功能较齐全的监测系统。目前土石坝安全监测 实现了数据采集、数据管理、在线分析、成果预警的计算机自动化监控。 渗流和变形是土石坝安全监测中最重要的物理量。渗流量最初采用量杯、秒 表直接在测点上量读。后来发展为用电测仪器监测，包括管口渗流量仪和量水堰 两种。前者是对排水孔进行单孔量测，应用较少；后者是汇流到量水堰进行量测。 随着监测自动化的发展，目前渗透压力遥测仪器已在工程中得到广泛应用，可以 分为振弦式、电感式、电阻式和差阻式4 类。以前的土石坝变形监测多采用水准 仪和经纬仪，现多采用全站仪和电子水准仪。如天荒坪抽水蓄能电站的表面变形 采用l e i c at c a2 0 0 3 全站仪，实现了表面变形监测的半自动化比1 。相对于三角网 人工观测而言，全站仪具有精度高、测量和数据处理时间短的优点。小浪底工程 中大坝外部变形监测采用t c a 2 0 0 3 型全站仪及d i n l 2 数字水准仪，从而实现了集数 据采集和分析于一体的自动监测系统。碧口等土石坝采用引张线与倒垂线系统实 现表面变形监测自动化1 。 、 目前，人们正在研究一些半自动渗流探测方法，如地球物理瞬变电磁法、同 位素探测法、电磁探测法等。其中由水科院研究的地球物理瞬变电磁法就己在多 个工程得到应用h 1 。在多年研究工作的基础上，k u z n e t s o vv 等提出“将温度状 态作为观测土石坝性态的指示因子 的观点晦1 。m a j o r sdg 等通过计算表明，当 心墙渗透系数小于( 2 6 ) 1 0 刁m s 时，坝体温度的变化几乎是常数，当渗透系数 2 第一章绪论 大于上述值时，可由温度的变化较准确地估计出大坝渗透性哺1 。渗流的温度监测 是利用了水的热传导系数及比热容和岩石及土体的差别较大的原理。渗流变化必 然导致温度场的变化，这一点为今后的土石坝渗流监测提供了一个新的思路。 时域反射法( t d r ) 是指在需要监测的部位埋设同轴电缆，若堤坝发生滑动， 滑动部位会使电缆变形，通过采用时域反射仪测量电缆变形情况可以找出坝体变 形所在的部位。光时域反射法( o t d r ) 是指在需要监测的部位埋设光缆，其测量原 理与时域反射法相似。若沿坝纵向埋设同轴电缆或光缆，可以在较大范围内监测 大坝的位移口。然而，因测量技术的限制和经济上的原因，目前上述测量技术 有的只能采用人工方法进行测量，有的尚在实验阶段，但研究为人们指明了空间 或面监测的方向，与常规监测结合起来可以发挥全面监测大坝和与之相互印证的 作用。为解决安全监测自动化系统防雷击、防电磁干扰问题，近年来出现了光纤 传感器哺1 ，它应用光干涉原理制成敏感元件，将变形、渗透压力等物理量变换为 光纤信号并通过光缆传输，克服了差阻式、振弦式等仪器的弱点。 1 2 2 土石坝安全监测资料的合理性分析和模型分析 土石坝安全监测资料的合理性分析主要包括对资料的误差处理和不同测量 仪器的归一化处理。目前，主要基于最小二乘理论处理监测数据的粗差，常用的 方法有数据探测法和稳健估计法。前者假定平差系统只存在一个粗差观测值，并 将该粗差纳入函数模型，用统计假设检验方法检测粗差并剔除粗差；后者通过变 权使观测中正常方差和异常大方差对参数产生不同影响，以达到定位粗差和削弱 其对参数解的不良影响。此外，粗差处理还常用统计量检验法，如格拉布斯准则、 狄克逊准则、肖维勒准则、t 检验准则、f 检验准则等。此外，k a l m a n 等提出了一 种递推式滤波方法。徐洪钟等阳1 将小波分析应用到大坝观测数据粗差探测中，把 大坝观测序列看作由不同频率成分组成的数字信号序列，把粗差看作信号的奇异 点，采用小波分析的信号奇异性理论进行粗差探测。史玉峰等n 们用信息熵原理通 过对观测数据求置信区间进行测量数据的粗差识别。针对采用不用仪器得到的监 测数据，为保持资料的完整性并使得样本较多，向衍n u 采用单位阶跃函数建立统 计模型，从而实现对不同测量仪器监测数据的归一化处理。马福恒等n 2 1 采用投影 追踪赋权方法处理观测资料，进行大坝安全分析。 工程数据处理领域认为多因素监测信息中常常会出现一个或多个严重偏离 目标真值的数据( 通常称为野值) ，今后土石坝安全监测资料合理性分析的发展方 向，一是基于数理统计的残差分析，二是基于概率的随机模糊诊断技术研究。 土石坝的安全监测资料分析要比混凝土坝复杂得多，主要表现在：结构、 材料及边界条件的物理力学特性和参数更加复杂，难以准确模拟计算；渗流 第一章绪论 更加复杂，存在渗透破坏以及渗流场、应力场、温度场的三场耦合问题；破坏 形式和破坏机理研究还不够深入，材料的蠕变和突变特性还有待进一步研究； 观测资料不仅与坝型、结构、材料和荷载有关，还与施工过程、施工进度、施工 方法、运行管理等因素有关。 国外的大坝监控模型研究起步较早。国外在5 0 年代以前主要对监测值作定性 分析。意大利的t o n i n i ( 1 9 5 6 ) 首次将影响大坝位移的因素分成水压、温度、时效 三部分，并对水压分量、温度分量均以三次多项式来表示。r o c h a ( 1 9 5 8 ) 等人采 用大坝横断面各层平均温度和温度梯度作为温度因子，并以函数式来表示水位因 子n 引。s i l v e r a 弓i 入了幂函数来表示时效变化。b o n a l d i 等提出了混凝土大坝变形 的确定性模型和混合模型，即将理论计算值( 运用有限元计算) 与实测数据有机地 结合起来n 钔。m a r a z i o ( 1 9 8 0 ) 等首先用有限元法计算水压、温度、时效分量，然 后建立回归模型n 副。p e d r o 等采用定量和定性分析相结合的方法对监测序列建模。 g u e d e s 应用多元线性回归( 高斯一马尔柯夫概率函数模型) 来拟合原因量与效应 量的关系，这种方法能分离各个分量，并且能确定原因量和效应量的最佳经验公 式。 在国内，徐竹青等n 6 1 基于灰色理论，建立了沉降状态的灰色模型。徐晖等n 刀 应用灰色理论对土石坝观测资料的灰色关联度、灰色建模及灰色预测作了研究。 郦能惠等n 8 1 基于土石坝变形与孔隙水压力产生机理的分析，研究了较合理的统计 分析方法。张乾飞n 卅通过三维渗流有限元分析，分离了大坝坝体、坝基以及两岸 岩体的渗流量，并建立了基于三维渗流有限元计算的土石坝渗流确定性模型。徐 洪钟等陋们将模糊数学与神经网络相结合，把构成组合模型的各个子模型作为网络 学习矩阵的输入，建立土石坝的沉降组合模型，采用自适应模糊神经网络进行组 合预报。邓念武等瞳1 1 运用b p 人工神经网络模型克服了模型必须是基本观测量的线 性和非线性组合的局限性，将b p 模型应用于土石坝空间位移分析，实现大坝空间 位移的拟合和预报。唐彤芝等昭明考虑库水位升降速率及各因子耦合的影响，建立 了面板堆石坝沉降统计预报模型。高杰探讨了模糊聚类分析方法在土石坝安全 监测中的应用问题，建立了模糊聚类分析模型，以监控大坝的运行性态。刘正云 等乜钔考虑土石坝时效模型应该具有力学依据，根据土的固结理论，研究了一种较 优的收敛非线性土石坝时效模型。何勇军等雎酗应用人工神经网络原理研究了模型 的输入、输出因子和模型结构。建立了渗流自学习神经网络监控模型。用于大坝 渗流分析、大坝安全运行监视和预报。杨杰等陷叼在一阶单变量灰色线性模型g m ( 1 ， 1 ) 基础上，引入使平均相对误差最小的灰元口作为模型参数。建立了灰色模型 g m ( 1 ，1 ；a ) 。王初生等乜7 3 根据土石坝坝基水文地质特征的差异性以及渗流场的 非平面性，将多元回归数学模型应用于坝基渗透稳定性预测中，讨论了影响水库 4 第一章绪论 正常运行的坝基渗流问题。裴向军等口町将灰色理论应用于土石坝的渗流量预报。 1 3 主要研究内容 尔王庄水库是一座以供水调蓄为主要目的的平原水库，水库大坝为均质土 坝，为解决这种类型大坝的安全监测自动化系统问题，需解决下列问题： ( 1 ) 确定大坝安全监测的主要观测项目为大坝渗流和大坝沉降变形； ( 2 ) 根据水库所在地的地质、水文、气象等条件，合理布置监测点，以便 真实、全面的反映水库大坝实际的工作情况； ( 3 ) 布置环境测点。观测上下游水位、降雨量、温度、气压等，充分考虑 环境变量对水库大坝安全稳定的影响； ( 4 ) 建立有平原水库特色的监测模型； ( 5 ) 建立水库预警预测模型。对一些特殊的演变现象和迅速变化的现象进 行及时的跟踪分析，实现从静态到动态的仿真模拟和预测报警； ( 6 ) 选择精度高、稳定性好、耐久性满足要求的仪器进行数据采集； ( 7 ) 选择高效、保密、稳定的数据传输方式； ( 8 ) 建立自动化程度高的强大网络系统； ( 9 ) 提供友好的人机对话界面，便于用户从不同的侧面观察和分析监测信 息，从不同的角度控制监测系统，以便及时处理险情。 第二章尔王庄水库概况 2 1 基本情况 第二章尔王庄水库概况 尔王庄水库位于天津市宝坻区南部大白庄乡与尔王庄乡境内，引滦明渠中段 右侧，是引滦线路中距天津市区最近的一座中型平原水库。一方面，它具有调蓄 作用，调节水量的供求关系，可提高对天津市供水的保证率，另一方面，在上游 停水时或引滦明渠护砌、渠道清淤、泵站维修及水闸维修时又可作为向下游供水 的水源。 水库于1 9 8 2 年8 月兴建，1 9 8 3 年7 月竣工并蓄水。水库集水面积约为 1 1 0 3 k m 2 ，总库容4 5 3 0 万m 3 ，兴利库容3 8 6 8 万i l l 3 ，死库容6 6 2 万m 3 。原设计 正常蓄水位5 5 m ( 黄海高程，下同) ，死水位2 0 m ，库底平均高程1 4 m 。是一 座以调蓄为主，兼有蓄供水作用的中型平原水库。 水库大坝全长1 4 2 9 7 k m ，原设计堤顶高程7 0 4 m ，顶宽7 m ，堤顶设防浪墙， 防浪墙项部高程为8 2 4 m 。堤身为碾压式均质土堤，上下游堤坡坡比均为l ：3 。 上游为浆砌石护坡，下游为草皮护坡，最下游为引滦明渠和截渗渠( 图2 1 ) 。 截 景 明 才。 图2 - 1 尔王庄水库平面图 6 输 虞 幺 ，。夕 第二章尔王庄水库概况 2 2 大坝地质概况 尔王庄水库库区地势低洼、地形平坦，西部地势略高，东部略低，倾向东南， 地面坡度为1 1 0 0 0 0 。地貌单元属华北冲积平原一部分，本地区覆盖第四系深厚 土层，约达5 0 0 0 m 。库区内有两条近东西向古河道穿过，一条中心位置在桩号 3 + 0 0 0 对应桩号1 2 + 7 0 0 ，宽度约为6 0 0 - - 1 1 0 0 m ；另条中心位置在桩号6 + 0 0 0 对应桩号8 + 8 5 0 ，宽度约为4 0 0 一6 0 0 m ，古河道地段河床深度8 - - 1 2 m 。河床底 部多为粉砂，颗粒粗，含小贝壳，渗透系数较大，一般为6 8 x1 0 一c m s 。 2 2 1 坝身土体概况 ( 1 ) 堤身土体组成及其物理力学性质 水库大坝全长1 4 2 9 7 k m ，堤身土体主要由粘土、粉质粘土组成。不同堤段 的土层分布略有差别。 粘土多为灰褐色或灰黑色，较硬，有锈斑，不均匀，有少量草根和有机质， 部分夹石子。其物理力学指标一般范围如下： 干容重r d = 1 5 6 k n m 3 - 1 6 5 k n m 3 ，含水量w = 1 1 9 0 3 1 0 0 ，孔隙比e - - 0 4 3 3 - - 0 9 19 ： 压缩系数a v l 一2 = 0 1 0 0 - 4 ) 6 5 0 m p a 1 ，压缩模量e s l 2 = 2 8 8 1 6 3 6 m p a ； 直剪总应力强度：c = 3 2 - 4 4 k p a ，o = 1 2 5 2 5 5 度； 三轴有效应力强度：c = 2 0 - 4 0 k p a ，o = 1 7 2 0 度： 由于土体不均一，渗透系数变化较大，在8 1 0 气2 1 0 。3 c m s 之间。其中桩 号9 + 0 0 0 1 0 + 0 0 0 ，由于粘土中夹有粉砂，其渗透系数高达2 1 0 一c m s ，桩号 8 + 4 5 0 9 + 0 0 0 之间最小为8 1 0 击c m s ，其他桩号为6 1 0 气7 1 0 。5 c m s 不等。 粉质粘土多为灰黄色，有锈斑，不均匀。其物理力学指标一般范围如下： 干容重r d = 1 3 8 k n m 3 1 4 6 k n m 3 ，含水量w = 2 2 8 0 - 4 2 8 0 ，孔隙比e = 0 6 9 3 1 2 4 1 ： 压缩系数a v l 2 = 0 1 7 0 0 7 1 0 a 1 ， 直剪总应力强度：c = 1 4 0 2 7 0 k p a ， 压缩模量e s l 一2 - - - 2 3 2 - 11 0 7 m p a ； 0 = 6 0 - - 1 3 0 度； 三轴有效应力强度：c7 - - 2 4 3 5 5 1 k p a ，西= 1 9 8 - 2 6 8 度； 渗透系数变化不大，在7 1 0 - 4 7 x1 0 5 c r r g s 之间。 ( 2 ) 堤身土体质量评价 水库大坝各段堤身填土主要为粘土、粉质粘土，局部含粉土，粉砂，堤身干 容重多处达不到设计要求( 1 6 0 k n m 3 ) ，天然含水量普遍高于设计控制含水量 ( 1 5 2 4 ) ，渗透系数变化较大，说明填筑质量普遍较差。 第二章尔王庄水库概况 2 2 2 坝基地质条件 库区所见地层均为第四系全新地层，按其成因划分为三个相变，其沉积规律 为陆相海相陆相。 第一陆相层( q 1 4 a 1 ) 主要为粘土、粉质粘土、粉土，层底高程3 7 2 1 1 7 6 0 m 。 粘土：呈灰一灰绿色，稍软，部分不均匀，部分有锈斑，夹粉土薄层、石子。 粉质粘土：灰黄色，黄绿色，部分不均匀，有铁锈，钙斑； 粉砂：灰黄色，稍硬。 第一海相层( q 2 4 m 1 ) 主要为粉土、粉质粘土、粉砂、细砂等，层底高程 1 0 5 6 0 - 8 0 9 1 m 。 粉土：灰色，深灰色，析水斜层理，夹粘薄层，较易吸水； 粉质粘土：灰色，灰黑色，不均匀； 淤泥质粉质粘土：灰色，软，不均匀，部分互层土； 粉砂：灰色，黄灰色，易析水，部分项部水平层理，不均匀，部分上部夹粉 脉，下部较粗； 细砂：灰色，均匀。 第二陆相层( q 1 4 a 1 ) 主要为粘土、粉质粘土、粉砂、粉土、细砂，层底高 程3 4 o o l 1 4 1 0 8 m 。 粘土：灰白色，黄灰色，黄褐色，稍硬，有锈斑，局部不均匀 粉质粘土：灰白灰黄灰绿，锈染重； 粉砂：黄褐色，密实，有锈染； 粉土：黄色，稍硬，不均匀呈透镜体； 细砂：灰黄色，呈透镜体。 2 9 1 第三章安全监测的布点问题 第三章安全监测的布点问题 尔王庄水库自1 9 8 5 年以来陆续布设了2 4 个渗流观测断面，测点8 8 个，由于年 久失修、保护不善，加上工程施工或人为破坏，测压管损坏严重，大部分已失效。 根据水库大坝地质情况及存在问题，需要重新布置渗流监测点。采用先进的 仪器设备、利用先进的监测手段，建立安全监测自动化系统，及时获取可靠全面 的监测数据，并对监测资料进行及时准确的分析，使水库大坝运行处于受控状态， 保证水库的安全运行。 3 1 原测点布置及存在的问题 3 1 1 渗流观测 ( 1 ) 原渗流测点布置 水库大坝在填筑时没有埋设相应的渗流观测设施，水库运行初期，没有渗流 观测资料。水库管理处为掌握水库大坝在运行期间堤身及堤基的渗流情况，于 1 9 8 5 年根据堤体和堤基地质情况及其存在的问题，分别在8 个断面的水库大坝及 戗台上埋设t 2 4 支测压管，每个断面布置三支测压管，其布置见表3 1 。 表3 11 9 8 5 年布置测压管位置表 距防浪墙的距离( m ) 断面桩号测压管底高程( m ) abc 0 + 9 2 71 0 09 5 02 2 5 测压管底未深入堤基 2 + 9 2 61 0 09 5 02 2 4测压管底未深入堤基 4 + 9 1 71 0 09 2 01 8 5 0 测压管底未深入堤基 6 + 9 2 11 o o1 0 o o2 3 o o 测压管底未深入堤基 8 + 4 5 23 0 8 55 1 3 56 5 3 2测压管底深入堤基( 高程不详) 9 + 9 2 01 6 5 03 6 5 05 6 5 0测压管底深入堤基( 高程不详) 1 l + 9 1 61 6 5 0 3 6 5 05 6 5 0 测压管底深入堤基( 高程不详) 1 3 + 4 0 21 6 5 03 6 5 05 6 5 0 测压管底深入堤基( 高程不详) 注：所有测压管均在防浪墙下游侧。 9 第三章安全监测的布点问题 1 9 9 6 年，由中国华水水电开发总公司山东分公司分别在1 6 个断面埋设了6 4 支测压管，每个断面布设四支测压管，其布置见表3 2 。 表3 21 9 9 6 年布置测压管位置表 距防浪墙的距离( m ) 断面桩号测压管底高程( m ) a b cd 1 + 0 0 00 9 97 0 61 9 9 34 1 8 77 2 + 0 0 00 9 27 1 51 9 9 24 1 9 67 3 + 0 0 01 0 07 0 62 0 0 44 2 0 1 6 3 + 0 1 01 0 08 0 41 5 9 02 4 + 0 0 01 o o7 0 72 0 0 74 2 0 47 5 + 0 0 01 1 47 1 51 9 7 04 1 7 7 7 6 + 0 0 0 o 9 66 8 11 9 9 84 1 7 71 0 6 + 0 2 01 0 58 0 41 6 3 52 7 + 0 0 00 9 47 1 01 9 7 94 1 6 6 1 0 8 + 0 0 00 9 77 0 21 9 8 84 1 9 47 8 + 8 5 00 9 27 0 51 9 8 14 1 7 6 7 9 + 6 0 01 0 07 0 92 0 0 9 4 1 2 87 1 0 + 8 0 00 9 47 0 6 2 0 0 04 2 1 56 1 1 + 7 3 0o 9 87 0 l2 0 0 54 2 0 27 1 2 + 8 0 01 0 47 0 82 0 1 3 4 2 2 11 0 1 4 + 0 0 00 9 97 0 81 9 9 5 4 2 2 15 注：所有测压管均在防浪墙下游侧。 ( 2 ) 观测情况 测压管水位采用测深钟法人工测量。 观测次数：1 9 9 1 年之前，观测时间主要有1 9 8 5 年7 1 2 月、1 9 8 6 年3 7 月、 1 9 8 7 年2 6 月和1 9 9 1 年8 1 1 月，有时2 天测一次，有时1 0 天测。次。1 9 9 6 年至今， 一般l o 天测一次，这期间的观测数据连续性相对要好一些。 ( 3 ) 存在问题 由于坝体为均质土坝，渗透系数较小，利用测压管监测坝体渗压力，滞后时 间长，不满足( 4 - 石坝安全监测技术规范要求。 部分测压管已淤堵损坏，且测压管密封差，受降雨影响明显。 l o 第三章安全监测的布点问题 监测设施仍采用人工观测，监测系统的智能化程度偏低，不能满足水库信息 化和现代化管理需求。 3 1 2 沉降位移观测 ( 1 ) 原沉降位移观测点布置 水库在建设时没有埋设位移观测设施，建成运行后，于1 9 9 2 年，在水库库区 布设了3 8 个观测点，主要用来观测堤体的沉降位移。其中防浪墙上游侧布置1 2 个测点，下游侧布置1 9 个测点，另外在管理处大门口东侧和管理处院内布置2 个 测点，在水库大门东围墙、1 存闸闸房南侧、2 闸闸房门口各布置1 个测点，在西 杜庄扬水站及和平养鸡场附近布置2 个起测基点。 ( 2 ) 观测情况 沉降位移观测采用水准法测量。分别在1 9 9 2 年l o 月、1 9 9 3 年8 月、1 9 9 5 年8 月、1 9 9 8 年6 月和2 0 0 1 年8 月进行了5 次观测，观测数据不连续。 ( 3 ) 存在问题 自1 9 9 2 年后，起测基点没有经过三级以上基准点的校测，测量结果仅能反映 水库大坝的相对沉降量。 另外，经过多年运行，部分测点存在标点锈蚀、测墩混凝土碳化或倾斜等破 坏现象。 3 2 安全监测系统监测点布置 根据土石坝安全监测技术规范( s l 6 0 9 4 ) 的要求，在整理和分析尔王 庄水库已有资料的基础上，结合平原水库的特点和实际运行情况，进行尔王庄水 库大坝安全监测设计。 3 2 1 渗流监测点布置 根据土石坝安全监测技术规范( s l 6 0 9 4 ) 的要求，对于渗透系数小于 l o m s 的均质土坝，宜采用埋设孔隙水压力计的方法观测渗流压力，以减少测 压管滞后时间的影响。1 3 0 j 考虑到现有的测压管大部分损坏或失效，且测压管深度也不满足自动化监测 要求，因此，本次更新完善不再利用原有的测压管，而对测压管进行重新布设。 测压管布置主要根据水库大坝地质条件和除险加固工程措施，并参考原测压 第三章安全监测的布点问题 管位置来确定。布置的重点主要是第一海相层粉砂层、细砂层，古河床位置及渗 漏严重部位和高喷防渗处理位置。更新完善后，拟布设监测断面2 3 个，共计9 2 个测点。其中1 + 0 0 0 、2 + 0 0 0 断面存在粉砂层或细砂层，位置高程高，运行过程中 曾出现渗漏；3 + 0 0 0 、6 + 0 0 0 、8 + 8 5 0 、9 + 1 0 0 、9 + 4 5 0 、1 2 + 8 0 0 断面为古河床位置， 4 + 0 0 0 、5 + 0 0 0 、1 0 + 8 0 0 、l1 + 3 0 5 、11 + 5 7 0 、1 2 + 0 0 0 、1 3 + 4 0 0 断面存在粉砂层、 并出现渗漏、裂缝等问题，8 + 4 5 0 为2 闸位置，7 + 0 0 0 、8 + 0 0 0 、1 4 + 0 0 0 随原断面 布置，3 + 0 1 0 、6 + 0 2 0 、9 + 4 7 0 、1 2 + 8 2 0 四个监测断面的测压管管底位于堤身或堤 后戗台内，便于日后堤基内测压管测值与堤身测值相比较。每个断面布设测压管 4 支，均布置在防浪墙下游侧。除部分监测断面外，其它监测断面4 个测点距防浪 墙的距离分别为1 5 0 m 、8 5 0 m 、2 0 o o m 、4 2 o o m 。根据地形地质条件及库区两条 古河道的情况确定测压管管底以深入堤基为主。新测压管的位置见表3 3 。 表3 3 渗流监测测压管位置表 距防浪墙的距离( m ) 序号断面桩号 a bcd 1l + 0 0 01 5 0 8 5 02 0 0 04 2 0 0 22 + 0 0 01 5 0 8 5 02 0 0 0 4 2 0 0 33 + 0 0 01 5 08 5 02 0 0 04 2 0 0 43 + 0 1 01 5 08 5 02 0 0 04 2 0 0 54 + 0 0 01 5 08 5 02 0 0 04 2 o o 65 + 0 0 01 5 08 5 02 0 0 04 2 o o 76 + 0 0 01 5 08 5 02 0 0 04 2 0 0 86 + 0 2 01 5 08 5 0 2 0 0 0 4 2 0 0 97 + 0 0 01 5 0 8 5 0 2 0 o o 4 2 o o 1 0 8 + 0 0 0 1 5 0 8 5 0 2 0 o o4 2 0 0 1 1 8 + 4 5 01 0 0 03 0 0 05 0 0 06 5 o o 1 28 + 8 5 01 5 08 5 02 0 o o4 2 0 0 1 39 + 1 0 01 5 08 5 02 0 o o4 2 o o 1 49 + 4 5 01 5 08 5 02 0 o o 4 2 0 0 1 59 + 4 7 01 5 08 5 02 0 o o4 2 0 0 1 61 0 + 8 0 01 5 08 5 02 0 0 04 2 0 0 1 71 l + 3 0 51 5 08 5 02 0 0 04 2 0 0 1 8l l + 5 7 01 5 08 5 02 0 o o4 2 0 0 1 91 2 + 0 0 01 5 08 5 02 0 0 04 2 0 0 1 2 第三章安全监测的布点问题 2 01 2 + 8 0 01 5 0 8 5 02 0 0 04 2 0 0 2 11 2 + 8 2 01 5 08 5 02 0 0 04 2 0 0 2 21 3 + 4 0 01 5 0 8 5 02 0 0 04 2 0 0 2 31 4 + 0 0 01 5 08 5 02 0 0 0 4 2 0 0 3 2 2 沉降位移监测点布置 ( 1 ) 断面布置 沉降位移测点布置主要根据水库大坝长度、测点间距及库区建筑物等因素确 定的。由于尔王庄水库为等工程，水库大坝为三级建筑物，且水库大坝高度不 足1 0 米，并已运行2 0 余年，沉降已基本完成，根据观测精度、观测工作量及经济 性，测点数量不宜太多。考虑到上述因素及资料的连续性，本阶段测点数量仍为 3 8 个，测点位置基本不变。沉降位移观测点布置见表3 _ 4 。 表3 - 4 沉降位移观测点分布情况表 测点测点 所在桩号位置 所在桩号位置 编号编号 g 1 一号路东侧 g 2 98 + 4 5 0 防浪墙上游侧 g 21 + 0 0 0 防浪墙上游侧g 2 18 + 4 5 0 防浪墙下游侧 g 31 + 0 0 0 防浪墙下游侧 g 2 28 + 9 0 0 防浪墙上游侧 g 42 + 0 0 0 下游坝肩处 g 2 38 + 9 0 0 防浪墙下游侧 g 53 + 3 0 0防浪墙上游侧g 2 49 + 8 0 0防浪墙上游侧 g 63 + 3 0 0 防浪墙下游侧 g 2 59 + 8 0 0 防浪墙下游侧 g 7 西杜庄扬水站后截渗沟边 g 2 61 l + 0 0 0 防浪墙下游侧 g 84 + 1 0 0防浪墙上游侧g 2 71 1 + 4 0 0防浪墙上游侧 g 94 + 1 0 0 防浪墙下游侧 g 2 81 1 + 4 0 0 防浪墙下游侧 g 1 0 和平养鸡场截渗沟起测基点 g 2 91 2 + 4 0 0 防浪墙上游侧 g 1 15 + 0 0 0 下游坝肩处 g 3 01 2 + 4 0 0防浪墙下游侧 g 1 25 + 0 0 0下游坡坡角处g 3 11 3 + 2 0 0防浪墙上游侧 g 1 35 + 8 0 0 防浪墙上游侧 g 3 21 3 + 2 0 0 防浪墙下游侧 g 1 45 + 8 0 0 防浪墙下游侧 g 3 31 4 + 0 0 0 g 1 56 + 7 0 0防浪墙上游侧g 3 4l j i 闸闸房南侧 g 1 66 + 7 0 0 防浪墙下游侧 g 3 5 2 j f i 闸闸房门口 第三章安全监测的布点问题 g 1 77 + 5 0 0 防浪墙上游侧 g 3 68 + 0 0 0 g 1 87 + 5 0 0防浪墙下游侧b m l南锅炉房对过 g 1 98 + 0 0 0 下游坝肩处 b m 2 管理处大门口东侧 ( 2 ) 沉降监测设计 沉降位移监测可以采用人工测量，也可实现自动化监测。若采用自动化监测， 目前常用的自动化监测仪器是静力水准仪( 或相类似的连通装置) ，每个测点装 设一台，相邻两台仪器之间由连通管相连，管内为可流动的液体。这样，在水库 大坝上对每个测点的保护和连通管的防冻、抗老化保护就十分困难，一旦任意一 段连通管保护不善导致失效或破坏，均会造成整个沉降位移观测无效，且投资将 明显增加。 人工观测即在每个测点处设置一个混凝土观测墩，墩顶埋设观测标点。观测 方法仍采用水准法量测。观测前，可从大白庄国家i 级水准点校测起测基点，其 观测精度完全满足要求。人工观测不需对测点进行特殊保护，投资相对会省很多， 而且测量数据可直接输入自动化监测系统中