滇中引水工程四华道班弃渣场自动化安全监测设置研究.pdf

云南水力发电YUNNAN WATER POWER327第 39 卷第 8 期0 引言由于大型弃渣场容易在降水、大风和重力作用下发生侵蚀、失稳，因此容易引发水土流失1，同时成为工程建设和运行期间的重大安全风险源。特别是深圳光明新区弃渣场特大滑坡事故发生后，造成了重大人员及财产损失，弃渣场安全稳定问题受到更高的关注，各级管理部门开始重视弃渣场安全监测和稳定评估工作。因此，1 套可靠高效的弃渣场安全监测系统对实时掌握渣场稳定状态，评估安全动态，从而能及时采取措施，对可能发生的弃渣场滑坡“治早治小”，避免安全事故发生2。随着自动化、物联网和仿真技术的发展，为水利工程的运行管理开辟了新的道路，提高了水利工程运行管理的信息化水平3。滇中引水工程四华道班弃渣场自动化安全监测设置研究沙松龄1，和健雄2，杨银秋2（1.云南省滇中引水工程有限公司，云南昆明 650200；2.云南省滇中引水工程建设管理局，云南 昆明 650200）摘要：弃渣场作为工程的重要组成部分，其安全稳定性与工程、环境和周边人民生命财产密切相关，因此实时掌握弃渣场的安全性和稳定性情况非常重要。通过对滇中引水工程四华道班弃渣场的实际情况，构建了 1 套适用于四华道班弃渣场的自动化安全监测系统：在重要断面上布设表面自动监测点监测弃渣场表面整体变形情况；重要监测断面上钻设测斜兼测压管，对渣场内部滑动变形和浸润线变化进行监测，实时掌握弃渣场变化状态。该系统可以提高渣场安全监测的可靠性和科学性，也是数字孪生技术与水利工程运行管理的融合。关键词：弃渣场；监测；自动化；数字孪生中图分类号：TV698.1文献标识码：A文章编号：1006-3951(2023)08-0327-04DOI：10.3969/j.issn.1006-3951.2023.08.078Research on Automatic Safety Monitoring Setup of Sihuadaoban Waste Dump of Central Yunnan Water Diversion ProjectSHA Song-ling1,HE Jian-xiong2,YANG Yin-qiu2(1.Yunnan Dianzhong Water Diversion Engineering Co.,Ltd.,Kunming 650200,China;2.Yunnan Dianzhong Water Diversion Project Construction Administration,Kunming 650200,China)Abstract:As an important component of engineering,the safety and stability of waste disposal sites are closely related to the project,the environment,and the lives and properties of surrounding people.Therefore,it is very important to have a real-time understanding of the safety and stability of waste disposal sites.Combined with the actual situation of Sihua Daoban waste disposal site of Central Yunnan Water Diversion Project,an automatic safety monitoring system suitable for Sihua Daoban waste disposal site is constructed.It sets up surface automatic monitoring points on important sections to monitor the overall deformation of the surface of the waste disposal area,and drills inclinometers and pressure pipes on important monitoring sections to monitor the internal sliding deformation and infiltration line changes of the waste disposal area,and real-time grasp the changes in the status of the waste disposal area.This system can improve the reliability and scientificity of slag yard safety monitoring,and is also the integration of digital twin technology and water conservancy engineering operation management.Key words:waste disposal area;monitor;automation;digital twin收稿日期：2022-12-15作者简介：沙松龄（1990-），男，云南丽江人，工程师，主要从事水利建设管理工作。*328云南水力发电2023 年第 8 期1 四华道班弃渣场概况四华道班弃渣场位于滇中引水工程石鼓水源工程，该弃渣场为沟道型弃渣场，堆高 130 m，弃渣量 255.8104 m3，工程等级 2 级，设计洪水标准 100 a，设计洪峰流量 33.3 m3/s，弃渣组成为灰岩（为主）、砂砾卵石，工期 90 个月，渣场规划顶面高程 2 040 m。四华道班弃渣场占地面积15.37 hm2，采用传统监测手段存在作业时间长、劳动强度大、安全保障低、数据处理复杂等弊端，进而需要设置 1 套覆盖面积大、简便快捷且能自动监测、安全的监测系统。四华道班弃渣场弃渣容量大、堆渣高度高，渣体主要以砂砾卵石和灰岩为主，渣体孔隙多、不均衡，易在降雨等触发因子作用下发生大变形，所以必须设置大变形下深部位移自动测量的监测措施，同时渣体内部水位和水压等因素也是重点监测对象。2 弃渣场自动化监测系统弃渣场边坡稳定性监测系统包括仪器安装、数据采集、传输和存储、数据处理、预测预报等。稳定性监测应采用先进和经济实用的技术方法。弃渣场监测内容主要包括：表面变形监测、深部变形监测、渗压监测、视频监控、巡视检查等。运用整套自动监测系统及时获取可靠、连续的渣场稳定数据和资料，分析渣场整体和局部的变化状态、趋势、规律，进而评估弃渣场整体安全性，为后续预警分析和采取措施提供重要的科学依据。2.1 渣场地表位移监测在位移变形监测技术中，传统大地测量法易受环境气候影响，且其数据处理繁杂；裂缝计、伸缩计等适用于边坡已产生裂缝的监测条件，而不适用于边坡的早期变形监测4。GNSS 自动数据采集系统可实时进行弃渣场表面数据采集，并自动将数据发送至中心控制系统，用以监测了解边坡体的水平位移、垂直位移以及变化速率，加大了坡面监测的可靠性和时效性。设计拟在该弃渣场最大堆高处布置 1 个重要监测断面，在该监测断面上每隔 1 级马道布设 1个表面位移测点，共计7个表面移测自动监测位点，全面覆盖整个弃渣场表面。GNSS 数据采集系统主要包含 GNSS 数据接收机、DTU 模块、太阳能供电板，可以通过系统设置实时采集数据并上传处理系统。2.2 边坡深部位移和水压自动监测渣体内部监测选取控制断面 3 个典型位置开展渣体内部位移和水压监测工作，分别选择坡脚处马道、渣体顶部和顶部平台 3 处，测斜管套用ABS 管，其底部 2 3 m 制作成花管，花管外壁包裹两层无纺布，安装前将渗压计用土工布和过滤料（细砂）进行包裹，将土工布包裹的渗压计放入测斜兼测压管底部，并准确测定和记录其位置高程。在柔性测斜仪与测斜孔的间隙填充细砂，实现测斜孔与柔性测斜仪变形同步。通过电缆将 3个柔性测斜仪自动采集的数据通过基站内的无线终端传输到后方分析系统内进行数据分析。采用的柔性测斜仪系统包含柔性测斜仪、采集器、无线终端等，采用自动化数据采集仪实现自动观测。拟采用柔性测斜仪可以自动采集和传输、处理数据，能准确探测渣体深部 360变形和位移情况；同时由于将测斜仪部分深入到渣场下部基岩中，其可作为上部渣体位移基准校核。同时下部渗压计可同时监测渣体内部地下水位和水压情况。2.3 自动化监测预警分析目前国内没有对弃渣场进行安全监测的工程实例，且国内还没有专门针对弃渣场安全稳定监测的设计规范5。滇中引水工程弃渣场安全监测是国内首次开展弃渣场安全监测的工程，没有规范可遵循，属于探索性工作，计划监测一定时段（不低于 1 a）后监测实施单位提供监测成果资料，设计单位、监测实施单位根据监测成果结合工程地质条件、结构形式和设计意图，逐步探索建立更科学、规范的渣场位移的预警值。目前初步暂定阈值见表 1。在自动化监测数据的基础上，开发安全监测信息管理及分析系统，建立预警分析。根据监测数据，按照监测数据的变化速率和量，将监测对象的安全状态分为 4 个等级：安全、关注、预警和危险，分别对应安全（绿）、关注沙松龄，和健雄，杨银秋 滇中引水工程四华道班弃渣场自动化安全监测设置研究3293 自动化监测数据分析评估四华道班弃渣场根据边弃渣边监测的原则进行变形监测，目前弃渣场已形成 5 个已支护和绿化的台阶，并已安装 4 个 GNSS 自动监测点，1 个自动监测斜孔。监测系统于 2022 年 12 月 5 日开始采集监测信息，监测频率为每小时采集 1 次，监测成果能在自动化监测系统中计算显示。3.1 表面位移观测成果分析观测期内4个表面位移观测点正常监测，其X、Y、H 方向监测成果见图 1 至图 3。根据监测成果，截至 2022 年 12 月 31 日，四华道班弃渣场表面变形测点实测 X 方向累计位 移 介 于-3.2 1.2 mm 之 间，Y 方 向 累 计 位移介于-1.1 1.2 mm 之间，累计垂直位移介于-6.4 3.1 mm 之间，位移变化较为平稳，无异常情况，四华道班渣场当前变形较小，该渣场变形状态还在稳定变化。3.2 测斜孔监测成果分析目前已经设置第 1 个测斜孔，深度为 36 m，观测期间监测成果见表 3、表 4 及图 4。表 1 暂定预警值表监测数据项正常蓝色黄色橙色累计/mm速率/（mm/d）累计/mm速率/（mm/d）累计/mm速率/（mm/d）累计/mm速率持续天数/d持续天数/d持续天数/d持续天数/d表面位移监测数据a 25225 a 50550 a 1008100 a 150155432深部监测数据（h 为深度：m）b 10/h0.01h10/h b 20/h0.02h20/h b 30/h0.03h30/h b0.05h4322表 2 预警等级分析处理表警级正常蓝色黄色橙色处理措施 不做处理。1）信息发布给相关级别人员2）现场管理人员核查监测信息的可靠性，并进行现场勘察，检查监测设备是否异常、渗水的浑浊程度等3）现场管理人员分析降雨等环境因素4）现场管理人员综合分析水位和变形、渗压等其它监测数据5）适当增加监测频率和巡视次数，关注发展趋势56）可委托设计单位或高校对异常监测仪器及资料进行分析评价1）信息发布给相关级别人员2）（2 6）同左7）须委托设计单位或高校对异常部位监测资料进行分析评价8）可委托设计或高校根据实测资料、设计及科研成果对工程对象开展反演等分析计算，编制工程安全评价报告9）组织管理、设计等相关专家进行会商，分析异常原因，并采取相应对策1）信息发布给相关级别人员2）（2 9）同左10）须委托设计或高校根据实测资料、设计及科研成果对工程对象开展反演等分析计算，编制工程安全评价报告11）组织水工、地质、监测等相关专业专家召开专题会议，讨论和分析工程对象的安全性、异常原因及对策等12）必要时应适时采取停工、疏散等措施，彻查异常原因，并采取有效措施?图 1 四华道班弃渣场 X 方向位移-时间过程曲线图?图 2 四华道班弃渣场 Y 方向位移-时间过程曲线图 提醒级（蓝）、注意检查级（黄）、公司会商级（橙）。不同级别警情可按如下措施进行处理，但不限于；关注提醒级，应在一定时期内核查、确认；注意检查级，立即安排检查、核实；公司会商级，在现场情况查明后，应组织有关各方进行专题会商评价。预警等级分析处理表见 2。?图 3 四华道班弃渣场 H 方向位移-时间过程曲线图330云南水力发电2023 年第 8 期表 3 四华道班弃渣场测斜孔 X 方向变形监测成果汇总表测点编号孔口高程/m孔深/m基准值日期单点最大水平位移/mm最大值日期最大值测点深度/m当前值日期11 960362022/12/133.8782022/12/310.22022/12/31表 4 四华道班弃渣场测斜孔 Y 方向变形监测成果汇总表测点编号孔口高程/m孔深/m基准值日期单点最大水平位移/mm最大值日期最大值测点深度/m当前值日期11 960362022/12/139.5072022/12/311.22022/12/31四华道班弃渣场 1 号测斜孔孔口实测 X 方向单点累计最大单向变形 3.878 mm，Y 方向单点累计最大单向变形 9.507 mm；变形变化稳定，无异常情况，四华道班弃渣场当前深部变形较小，该渣场变形状态还在稳定增大。监测期内 1 号渗压计初始值读数为 70.23 kPa，在监测期内，孔内水位变化趋势不大，下降了0.06 m，由于观测期处于旱季，无外界水量补给，较初始水位略微下降，见表 5。表 5 1 号孔水位变化情况表日期孔压/kPa与初始水位差/m12.572.1212.2073.46-0.0212.3174.54-0.06由于弃渣场为边弃渣边监测，监测数据也显示渣体在自重下稳定沉降，表面位移数据处于稳定增加状态，数据变化速率较小，变化值也较小，判定渣场整体处于稳定状态。4 结束语弃渣场易产生坍塌和滑移，对人员及工程安全造成危害。四华道班弃渣场作为大型重点监测渣场，失稳后对工程影响较大，所以建立 1 套安全、高效的自动化安全监测系统是非常有必要的。弃渣场自动安全监测系统能在现场及时采集渣体表面水平位移和渣体沉降数据、渣体内部水压数据、渣体内部位移数据等；将采集的监测数据实时传输到后方安全监测信息管理及分析系统中，通过自动化数据存储、处理、分析和输出，利用分析的数据和收集的资料对弃渣场安全稳定情况进行评估和预警，联合管理各方进行会商和调查，必要时采取相应的控制措施，从而做好渣场安全运行管理工作，提升弃渣场现代化管理水平，也可以作为数字孪生技术在水利工程运行管理当中应用的典范。参考文献：1张建龙，刘殿海，王珏，等.抽水蓄能电站弃渣场自动化监测设置研究J.水电与抽水蓄能，2021,（2）:11-15.2陈尚林，叶诚耿，陈少博.基于 OTDR 和 GBMS 的弃渣场边坡自动化监测系统J.大坝与安全，2020,（1）:26-31.3 蒋亚东，石焱文.数字孪生技术在水利工程运行管理中的应用 J.科技通报，2019，35（11）:5-9.4王和芬，晏欣.滇中引水工程弃渣场安全监测设计及应用J.水利建设与管理，2022，42（11）:1-5+11.5冯小磊，刘德军，洪孝信.糯扎渡特高心墙堆石坝安全监测关键技术研究J.水利水电快报，2019，40（11）:24-29.?图 4 测斜孔监测成果剖面图