糯扎渡特高心墙堆石坝安全监测关键技术研究

来源：核心期刊咨询网时间：2020-01-17 10:2812

摘要：摘要：糯扎渡特高心墙堆石坝安全监测具有监测规模大、仪器种类多、超常规和监测施工难度大、自动化系统复杂等特点，给安全监测的设计和实施带来挑战。鉴于此，提出了安全监测安装施工技术，基于TCP/IP协议及网络的安全监测自动化系统组网技术，自动化系统集

　　摘要：糯扎渡特高心墙堆石坝安全监测具有监测规模大、仪器种类多、超常规和监测施工难度大、自动化系统复杂等特点，给安全监测的设计和实施带来挑战。鉴于此，提出了安全监测安装施工技术，基于TCP/IP协议及网络的安全监测自动化系统组网技术，自动化系统集成、三维可视化设计与系统开发、自动化系统应急预案与预警自动触发技术和特高心墙堆石坝安全监测资料分析等关键技术。以上技术的应用成功解决了糯扎渡水电站现场安全监测技术难题，提高了枢纽工程安全监测自动化的整体水平，降低了工程成本，提高了工程质量。该技术完备性好、可行性高，安全监测自动化研究成果已被《水利水电安全监测设计规范》所采用;开发研制的专项监测设备或监测技术具备技术前瞻性，将推动监测技术的发展。

　　关键词：安全监测;监测自动化系统;三维可视化;安全预警;高心墙堆石坝;糯扎渡水电站
 

　　《三峡大学学报(自然科学版)》原名《武汉水利电力大学(宜昌)学报》是三峡大学主办的以水电工程技术为主的学术刊物。

　　

　　1 工程概况

　　糯扎渡水电站位于云南省普洱市翠云区和澜沧县交界处的澜沧江下游干流上，是澜沧江中下游河段8个梯级规划的第五级。最大坝高261.5 m，坝顶长630.06 m，总库容为237.03億m3，是亚洲最高、世界第三高的心墙堆石坝电站。坝体基本剖面中央为砾质土直心墙，心墙两侧为反滤层，反滤层以外为堆石体坝壳。坝顶宽度为18 m，心墙基础最低建基面高程为560.0 m，坝顶高程为821.5 m。

　　糯扎渡心墙堆石坝重点监测内容为大坝各部位的变形分布、不均匀变形、防渗效果评价、应力分布等[1]。具体监测项目及方法如表1所示。

　　2 关键技术难题

　　糯扎渡特高心墙堆石坝安全监测布置有两个特点：① 安全监测规模大、种类多、监测仪器突破常规，电站总安装埋设仪器仪表喜超过8 000支，其中部分传感器的使用超规范、超量程。② 监测施工难度大、自动化系统复杂。糯扎渡水电站安全监测自动化共接入传感器超过4 000支(除失效和临时性测点外)，是国内首个监测自动化系统在建设期同步实施、与工程同步竣工的工程;涉及内外观监测和其他接入项目共10个子系统，传感器类型繁多，同时要实现信息传输快、集中管理、操作维护简便、实时自动等功能需求，迫切需要技术创新。

　　基于上述监测布置特点，糯扎渡水电站安全监测主要面临的技术难题如下：

　　(1)减少传感器电缆渗水。传感器电缆在高水压力下极易形成渗流通道[2]，在黏土心墙堆石坝监测施工中表现得尤为明显。如何有效防止水沿电缆渗透是传感器电缆埋设时需要考虑的关键问题。

　　(2)360°棱镜与GNSS同轴保护问题。GNSS天线与360°棱镜既需要同轴观测，也需要对其进行防盗保护，方便调节棱镜方向。目前没有成型的产品可供使用，需自主研发。

　　(3)监测自动化集成管控。传统自动化项目各子系统相互独立，糯扎渡水电站自动化包含10多个子系统。如果不进行集成管理控制，系统会出现维护性差、响应不及时、成果产出较慢等情况。

　　(4)管理的三维可视。监测成果的表达往往采用二维图表等形式，较为专业和抽象，无法直观可视地进行表达与展示。如何提升表达效果是改进监测管理的重点。

　　(5)智能化应急预案触发。传统的特殊工况应急预案采用人工的方式进行，人工收到指令后手动加密观测，耗时耗力、人工成本较大。如何实现智能化触发观测，提升系统的智能化水平是自动化系统开发的技术难点之一。

　　(6)超孔隙水压力的问题[3]。高心墙内部的超孔隙水压力较大，靠近基础垫层的渗压计表现尤为明显，分析超孔隙水压力现象以及消散机理，有助于同类型高心墙堆石坝资料分析。

　　为了糯扎渡心墙堆石坝安全监测及枢纽工程安全监测自动化系统工程的顺利建设，保证工程质量，节约工程投资，满足指导施工、反馈设计，保证实现安全监测目的，研究解决好上述安全监测关键技术难题十分重要，同时也可为类似安全监测及自动化工程提供重要借鉴作用，有助于推动安全监测行业技术进步。

　　3 关键技术创新

　　3.1 安全监测安装施工技术研究

　　3.1.1 电缆阻渗环设计研制

　　设计开发电缆阻渗环，由橡胶外套、不锈钢紧固套筒、橡胶楔及螺杆(螺帽)组成。针对渗透水沿电缆埋设方向渗透的特点，通过拧紧螺杆(螺帽)，迫使橡胶楔往不锈钢金属套筒内径小的一侧运动，不锈钢金属套筒对橡胶楔进行挤压，从而使橡胶楔紧裹电缆，达到防止渗透水沿电缆形成渗流通道的目的。通过阻渗环阻渗效果性能测试，压力表测值稳定，阻渗环阻渗效果良好(见图1)。

　　3.1.2 填筑土体测斜管保护装置研制

　　填筑土体测斜管保护装置是一种用于填筑土体内测斜管安装保护的专用设备，由钢保护板、角钢支撑架、连接环、螺纹钢顶杆、连接插销组成。利用钢板加工易拆卸、组装的保护装置替代保护圆钢桶，既能保护测斜管，又便于安装、拆卸，减少了占用土建填筑作业面的时间。该装置在糯扎渡心墙堆石坝安全监测项目中得到较好应用。

　　3.1.3 360°棱镜与GNSS接收天线安装归心盘研制

　　针对棱镜和GNSS接收天线同轴安装的目标要求，研制了360°棱镜与GNSS接收天线安装归心盘(见图2)。

　　利用内六角螺栓将精密加工的不锈钢顶板、不锈钢连接杆、不锈钢底板、不锈钢棱镜保护罩和底板调平螺杆进行组装，安装、拆卸过程简便，底板调平螺杆进行精确调平后实现360°棱镜与GNSS接收天线同轴安装，棱镜保护罩、连接杆、内六角螺栓的使用满足了防盗保护的需求(见图3)。

　　3.2 安全监测自动化系统组网技术

　　通过对常用RS485和以太网构网型式的研究分析，提出并设计了糯扎渡水电站基于TCP/IP协议及网络的安全监测自动化系统星型构网方案。该构网方案设计主要技术路线如下。

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