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摘要：根据巴基斯坦卡洛特水电站地质条件和结构特点，考虑水电站在施工期、蓄水期和运行期对安全监测系统自动化的需求，在工程安全监测设计时，合理选择监测部位，有针对性地布设各类监测仪器，以监控各建筑物在全生命周期的安全状况，为评价建筑物的稳定性和安全度提供数据支撑。卡洛特水电站安全监测设计以变形和渗流为监测重点，组建了一套完善高效的安全监测及自动化监测系统，可有效监控工程的安全，是工程安全施工和动态设计的重要保证。
关键词：安全监测系统;监测设计;自动化监测系统设计;变形;渗流;卡洛特水电站;巴基斯坦
中图法分类号：TV698 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.03.014
1 工程背景
卡洛特水電站位于巴基斯坦旁遮普省卡洛特区域，是吉拉姆河流域水电规划项目的第四级。该电站工程由沥青混凝土心墙堆石坝、泄洪冲沙建筑物、引水发电建筑物、导流建筑物等组成，其中沥青混凝土心墙堆石坝最大坝高95.5 m。
该工程规模大，设计施工技术复杂，且自动化程度要求高。在安全监测设计中，需要考虑监测建筑物及建筑物的基础，依照2个层次选择重点监测部位和一般监测部位，有针对性地选择和布设监测设施。同时，应结合目前监测技术发展情况，通过可靠且先进的监测仪器和监测方法，准确地获取建筑物及基础的监测数据，为分析和评价建筑物安全性态和制定处理决策提供依据。
2 监测设计原则
根据卡洛特水电站枢纽布置、地质条件、结构特点和施工安排，确定安全监测系统以“全面兼顾、重点突出、统一规划，逐步实施”为设计原则。监测项目以一种监测手段为主，同时通过其他手段互相校验，监测设计需要兼顾施工期的临时监测和永久监测，做到仪器监测与人工巡视检查相结合，人工采集与自动化监测系统相结合[1-2]。
根据工程结构特点和地质条件，选取具有代表性的断面作为重点监测部位。在重点监测部位，集中布置监测仪器，监测项目应考虑齐全。一般部位只需监测重要的物理量（变形或渗流），少量且合理布设测点，从而掌握工程整体性态或施工过程中出现的各种状况。主要监测项目为变形和渗流，并辅以应力应变监测。
3 监测断面的选择
为做好卡洛特水电站工程安全监测工作，快速准确地量化敏感部位的工作状态，宏观且全面地掌握整个工程的运行状况，将监测部位划分为2个层次：重点部位（断面）、一般部位（断面）。根据各建筑物布置情况、地质条件及结构特点，选择下列部位作为工程的重点监测部位：沥青混凝土心墙堆石坝最大坝高断面及左右侧约80 m间隔监测断面、溢洪控制段3号坝段、溢洪控制段8号坝段、2号引水发电系统、4号引水发电系统、溢洪道左右岸边坡、电站进出口边坡、导流洞进出口边坡、2号导流洞。一般监测部位是重要监测部位的延伸和补充，是为了从整体了解建筑物的工作状态，或施工过程中的新情况，或用来验证设计中的关键研究项目，而布置监测项目和测点的零散监测部位。
4 主要监测项目
卡洛特水电站为大Ⅱ等大（2）型工程，大坝、泄水建筑物、电站引水及尾水系统、电站厂房等主要永久性水工建筑物为2级建筑物，按照DL/T5259-2010《土石坝安全监测技术规范》等监测规范的要求，选定各主要建筑物监测项目如下。
（1） 沥青混凝土心墙坝。主要监测大坝表面变形、坝体内部变形、心墙与填筑料间的错动、心墙挠度变形、大坝内部渗流压力、坝基渗流压力、绕坝渗流、水质分析、心墙应力应变、心墙底部压应力及坝体填筑料压力等。
（2） 泄洪冲沙建筑物。以控制段作为监测重点，主要监测坝顶表面变形、坝基变形、结合面和裂缝开度、坝基扬压力、坝体和坝基渗漏量、绕坝渗流、水质分析、结构混凝土应力、钢筋应力、锚索预应力及大体积混凝土温度等。
（3） 引水发电建筑物。主要监测进水塔的表面变形和基础沉降、引水隧洞围岩的表面及深部变形、引水隧洞围岩与衬砌的开度、主厂房基础沉降、主厂房与边坡岩体的开度、引水隧洞外水压力、主厂房外围地下水位、排水洞排水量、结构混凝土应力、钢筋应力、钢板应力及大体积混凝土温度等。
（4） 工程边坡。主要监测边坡表面及深部变形、边坡岩体裂隙开度、边坡地下水位、支护锚杆应力及锚索预应力等。
（5） 导流建筑物。主要监测土石围堰的表面变形与边坡测移、围堰堰体浸润线、围堰背水侧漏水量、导流洞的表面及深部变形、围岩与衬砌的开度、衬砌结构混凝土应力及钢筋应力等。
5 监测系统总体构成
卡洛特水电站安全监测系统是一个复杂而庞大的信息采集、管理、分析、评价和反馈系统，由多种建筑物、多种监测项目和成千上万的监测仪器、设备和计算机软硬件组成。安全监测系统总体结构可以概括为：一个整体系统，若干监测对象，多种监测项目，上千监测仪器;监测中心统一监控，设计单位提供技术支持，业主单位决策 （见图1）。
卡洛特水电站安全监测系统的运行可分为3个部分：数据采集、数据管理、数据分析和建筑物安全评估。数据采集包括自动化采集装置、人工采集和人工巡视检查。数据管理是对源数据的基本处理和存储管理。数据分析及建筑物安全评估主要是初步分析数据的规律，确定其合理性，然后初步评价建筑物安全。这3个运行环节依次进行，相互衔接。
工程安全监测系统以翔实精确的监测数据为基础，以符合工程实际的分析解释为依据，始终对各建筑物的工作状态和安全进行评估，对保证工程的正常运行起着重要作用。
6 安全监测自动化设计
6.1 自动化系统项目及测点选择
卡洛特水电站安全监测系统覆盖了沥青混凝土心墙堆石坝、泄洪冲沙建筑物、引水发电建筑物、导流建筑物、工程边坡等部位。为了使监测系统能及时提供大量的有效数据供分析和决策，以满足工程对实时监测和快速反馈的要求，并尽可能减少后期监测工作中的人力投入，拟将大部分持续监测测点（扣除少量临时性测点、施工期测点、零星分布测点和失效测点）接入工程自动化系统。需接入自动化系统的监测仪器具体种类如下。 （1）變形监测仪器。垂线座标仪、双金属标仪、引张线仪、测缝计、位错计、静力水准仪、水管式沉降仪、钢丝位移计、多点位移计及基岩变形计等。
（2）渗流渗压监测仪器。渗压计、测压管及量水堰水位计。
（3）应力应变监测仪器。应变计、无应力计、温度计、钢筋计、钢板计、锚杆应力计及锚索测力计等。
（4）环境量监测仪器。水位计等。
（5）强震监测仪器。三分量加速度计。
6.2 自动化系统网络结构
根据卡洛特水电站各建筑物布置和运用相对独立，监测仪器多且分散的特点，监测自动化系统初步拟定采用环上多分支网络结构，其网络结构及配置见图2。
自动化监测系统为智能型分布式网络结构，主要由安全监测管理站、沥青混凝土心墙堆石坝自动化采集单元（MCU）群、泄洪排沙建筑物及两岸边坡MCU群、引水发电系统及进出口边坡（含导流洞进出口边坡）MCU群、各自动采集传感器及人工采集数据离线输入及分析等组成。卡洛特水电站监测管理站与其他现地管理机构一起，设在工程现场管理大楼内。各MCU群分别设在监测仪器相对集中的各建筑物现地观测站内，监测管理站及各MCU群通过光纤交换机接入光纤环网，并按监测管理站的指令进行数据采集和信息交换。对于未进入自动化系统的监测测点，采取用人工方式采集数据，并离线录入工程数据管理系统。
7 结 语
在卡洛特水电站建设和运营期间，安全监测系统可有效监测各建筑物及边坡运行状态和安全状态，直接指导、反馈工程问题，为工程问题处理决策提供数据支撑。建立完善、先进的安全监测系统，及时埋设监测设施进行监测，并分析和反馈监测结果，是工程安全施工和动态设计的重要保证。同时，应当根据现场开挖所揭示的实际地质条件和有关建筑物的实际施工方式对监测布局进行优化，使监测系统布置方案更加合理，结构更加优化。
参考文献：
[1] 张宇，史波，曹健. 倒垂系统在边坡变形监测控制网中的应用[J]. 水利水电快报，2019，40（12）：18-21.
[2] 索丽生，刘宁. 水工设计手册[J]. 北京：中国水利水电出版社，2013.
（编辑：李 慧）
Design of safety monitoring and automatic monitoring system for Karot Hydropower Station in Pakistan
DING Lin，DU Zekuai，PENG Shaocai
（ Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）
Abstract： According to the geological conditions and structural characteristics of Karot Hydropower Station and considering the automation requirements of the monitoring system during construction， impoundment and operation periods， in the design and arrangement stages of safety monitoring system， the monitoring points were selected reasonably and various monitoring devices were arranged accordingly for monitoring the safety status of the buildings during the full life cycle to provide data support for evaluating the stability and safety of the buildings. The design focused on deformation and seepage monitoring and a perfect and efficient automatic safety monitoring system was established， which can effectively monitor the safety status of the project and ensure the safe construction and dynamic design.
Key words： safety monitoring system; monitoring design; automatic monitoring system design; deformation; seepage; Karot Hydropower Station; Pakistan
关键词：安全监测系统;监测设计;自动化监测系统设计;变形;渗流;卡洛特水电站;巴基斯坦
中图法分类号：TV698 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.03.014
1 工程背景
卡洛特水電站位于巴基斯坦旁遮普省卡洛特区域，是吉拉姆河流域水电规划项目的第四级。该电站工程由沥青混凝土心墙堆石坝、泄洪冲沙建筑物、引水发电建筑物、导流建筑物等组成，其中沥青混凝土心墙堆石坝最大坝高95.5 m。
该工程规模大，设计施工技术复杂，且自动化程度要求高。在安全监测设计中，需要考虑监测建筑物及建筑物的基础，依照2个层次选择重点监测部位和一般监测部位，有针对性地选择和布设监测设施。同时，应结合目前监测技术发展情况，通过可靠且先进的监测仪器和监测方法，准确地获取建筑物及基础的监测数据，为分析和评价建筑物安全性态和制定处理决策提供依据。
2 监测设计原则
根据卡洛特水电站枢纽布置、地质条件、结构特点和施工安排，确定安全监测系统以“全面兼顾、重点突出、统一规划，逐步实施”为设计原则。监测项目以一种监测手段为主，同时通过其他手段互相校验，监测设计需要兼顾施工期的临时监测和永久监测，做到仪器监测与人工巡视检查相结合，人工采集与自动化监测系统相结合[1-2]。
根据工程结构特点和地质条件，选取具有代表性的断面作为重点监测部位。在重点监测部位，集中布置监测仪器，监测项目应考虑齐全。一般部位只需监测重要的物理量（变形或渗流），少量且合理布设测点，从而掌握工程整体性态或施工过程中出现的各种状况。主要监测项目为变形和渗流，并辅以应力应变监测。
3 监测断面的选择
为做好卡洛特水电站工程安全监测工作，快速准确地量化敏感部位的工作状态，宏观且全面地掌握整个工程的运行状况，将监测部位划分为2个层次：重点部位（断面）、一般部位（断面）。根据各建筑物布置情况、地质条件及结构特点，选择下列部位作为工程的重点监测部位：沥青混凝土心墙堆石坝最大坝高断面及左右侧约80 m间隔监测断面、溢洪控制段3号坝段、溢洪控制段8号坝段、2号引水发电系统、4号引水发电系统、溢洪道左右岸边坡、电站进出口边坡、导流洞进出口边坡、2号导流洞。一般监测部位是重要监测部位的延伸和补充，是为了从整体了解建筑物的工作状态，或施工过程中的新情况，或用来验证设计中的关键研究项目，而布置监测项目和测点的零散监测部位。
4 主要监测项目
卡洛特水电站为大Ⅱ等大（2）型工程，大坝、泄水建筑物、电站引水及尾水系统、电站厂房等主要永久性水工建筑物为2级建筑物，按照DL/T5259-2010《土石坝安全监测技术规范》等监测规范的要求，选定各主要建筑物监测项目如下。
（1） 沥青混凝土心墙坝。主要监测大坝表面变形、坝体内部变形、心墙与填筑料间的错动、心墙挠度变形、大坝内部渗流压力、坝基渗流压力、绕坝渗流、水质分析、心墙应力应变、心墙底部压应力及坝体填筑料压力等。
（2） 泄洪冲沙建筑物。以控制段作为监测重点，主要监测坝顶表面变形、坝基变形、结合面和裂缝开度、坝基扬压力、坝体和坝基渗漏量、绕坝渗流、水质分析、结构混凝土应力、钢筋应力、锚索预应力及大体积混凝土温度等。
（3） 引水发电建筑物。主要监测进水塔的表面变形和基础沉降、引水隧洞围岩的表面及深部变形、引水隧洞围岩与衬砌的开度、主厂房基础沉降、主厂房与边坡岩体的开度、引水隧洞外水压力、主厂房外围地下水位、排水洞排水量、结构混凝土应力、钢筋应力、钢板应力及大体积混凝土温度等。
（4） 工程边坡。主要监测边坡表面及深部变形、边坡岩体裂隙开度、边坡地下水位、支护锚杆应力及锚索预应力等。
（5） 导流建筑物。主要监测土石围堰的表面变形与边坡测移、围堰堰体浸润线、围堰背水侧漏水量、导流洞的表面及深部变形、围岩与衬砌的开度、衬砌结构混凝土应力及钢筋应力等。
5 监测系统总体构成
卡洛特水电站安全监测系统是一个复杂而庞大的信息采集、管理、分析、评价和反馈系统，由多种建筑物、多种监测项目和成千上万的监测仪器、设备和计算机软硬件组成。安全监测系统总体结构可以概括为：一个整体系统，若干监测对象，多种监测项目，上千监测仪器;监测中心统一监控，设计单位提供技术支持，业主单位决策 （见图1）。
卡洛特水电站安全监测系统的运行可分为3个部分：数据采集、数据管理、数据分析和建筑物安全评估。数据采集包括自动化采集装置、人工采集和人工巡视检查。数据管理是对源数据的基本处理和存储管理。数据分析及建筑物安全评估主要是初步分析数据的规律，确定其合理性，然后初步评价建筑物安全。这3个运行环节依次进行，相互衔接。
工程安全监测系统以翔实精确的监测数据为基础，以符合工程实际的分析解释为依据，始终对各建筑物的工作状态和安全进行评估，对保证工程的正常运行起着重要作用。
6 安全监测自动化设计
6.1 自动化系统项目及测点选择
卡洛特水电站安全监测系统覆盖了沥青混凝土心墙堆石坝、泄洪冲沙建筑物、引水发电建筑物、导流建筑物、工程边坡等部位。为了使监测系统能及时提供大量的有效数据供分析和决策，以满足工程对实时监测和快速反馈的要求，并尽可能减少后期监测工作中的人力投入，拟将大部分持续监测测点（扣除少量临时性测点、施工期测点、零星分布测点和失效测点）接入工程自动化系统。需接入自动化系统的监测仪器具体种类如下。 （1）變形监测仪器。垂线座标仪、双金属标仪、引张线仪、测缝计、位错计、静力水准仪、水管式沉降仪、钢丝位移计、多点位移计及基岩变形计等。
（2）渗流渗压监测仪器。渗压计、测压管及量水堰水位计。
（3）应力应变监测仪器。应变计、无应力计、温度计、钢筋计、钢板计、锚杆应力计及锚索测力计等。
（4）环境量监测仪器。水位计等。
（5）强震监测仪器。三分量加速度计。
6.2 自动化系统网络结构
根据卡洛特水电站各建筑物布置和运用相对独立，监测仪器多且分散的特点，监测自动化系统初步拟定采用环上多分支网络结构，其网络结构及配置见图2。
自动化监测系统为智能型分布式网络结构，主要由安全监测管理站、沥青混凝土心墙堆石坝自动化采集单元（MCU）群、泄洪排沙建筑物及两岸边坡MCU群、引水发电系统及进出口边坡（含导流洞进出口边坡）MCU群、各自动采集传感器及人工采集数据离线输入及分析等组成。卡洛特水电站监测管理站与其他现地管理机构一起，设在工程现场管理大楼内。各MCU群分别设在监测仪器相对集中的各建筑物现地观测站内，监测管理站及各MCU群通过光纤交换机接入光纤环网，并按监测管理站的指令进行数据采集和信息交换。对于未进入自动化系统的监测测点，采取用人工方式采集数据，并离线录入工程数据管理系统。
7 结 语
在卡洛特水电站建设和运营期间，安全监测系统可有效监测各建筑物及边坡运行状态和安全状态，直接指导、反馈工程问题，为工程问题处理决策提供数据支撑。建立完善、先进的安全监测系统，及时埋设监测设施进行监测，并分析和反馈监测结果，是工程安全施工和动态设计的重要保证。同时，应当根据现场开挖所揭示的实际地质条件和有关建筑物的实际施工方式对监测布局进行优化，使监测系统布置方案更加合理，结构更加优化。
参考文献：
[1] 张宇，史波，曹健. 倒垂系统在边坡变形监测控制网中的应用[J]. 水利水电快报，2019，40（12）：18-21.
[2] 索丽生，刘宁. 水工设计手册[J]. 北京：中国水利水电出版社，2013.
（编辑：李 慧）
Design of safety monitoring and automatic monitoring system for Karot Hydropower Station in Pakistan
DING Lin，DU Zekuai，PENG Shaocai
（ Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）
Abstract： According to the geological conditions and structural characteristics of Karot Hydropower Station and considering the automation requirements of the monitoring system during construction， impoundment and operation periods， in the design and arrangement stages of safety monitoring system， the monitoring points were selected reasonably and various monitoring devices were arranged accordingly for monitoring the safety status of the buildings during the full life cycle to provide data support for evaluating the stability and safety of the buildings. The design focused on deformation and seepage monitoring and a perfect and efficient automatic safety monitoring system was established， which can effectively monitor the safety status of the project and ensure the safe construction and dynamic design.
Key words： safety monitoring system; monitoring design; automatic monitoring system design; deformation; seepage; Karot Hydropower Station; Pakistan