宮山嘴水庫壩體自動化監測系統技術研究

宮山嘴水庫壩體自動化監測系統技術研究

劉恒

(遼寧省水利水電科學研究院， 沈陽110003)

本研究為遼寧省科技成果轉化專項計劃項目：水庫綜合信息化管理技術(2011302004)。

摘要：本文通過對我國自動化監測系統現狀和宮山嘴水庫概況進行調研分析，找出其中的薄弱環節，采用模塊化開放式的結構進行總體設計。構建了壩體外部變形監測系統、內部滲流監測系統和分析評價系統，分別從系統的測點布設、功能結構、監測方法等方面進行歸納總結。系統建成后，水庫管理人員可實時了解水庫大壩內部滲流與外部變形的實時信息和安全變化趨勢，為水庫防汛抗旱提供第一手資料，提高水庫運行管理水平。

關鍵詞：宮山嘴水庫；外部變形；內部滲流

中圖分類號：TV698.1

Study of Dam Automation Monitoring System Technology in

Gongshanzui Reservoir

LIU Heng

(ResearchInstituteofWaterResourcesandHydropowerofLiaoningProvince,Shenyang110003,China)

Abstract：In the paper, status quo of automation monitoring system in China and a survey of Gongshanzui reservoir are researched and analyzed, therefore weak links are discovered. Modular and open structure is adopted for overall design. Dam external deformation monitoring system, internal seepage monitoring system and analysis evaluation system are constructed. It summarizes and concludes respectively from the aspects of measuring point layout, functional structure, monitoring methods, etc. After the system is constructed, the reservoir management personnel can comprehend real-time information and safety change trends of reservoir dam internal seepage and external deformation, thereby providing first-hand information for reservoir flood control and drought resistance, and improving reservoir operation management level.

Keywords：Gongshanzui reservoir; external deformation; internal seepage

我國是世界上第一筑壩大國，同時也是世界上水庫潰壩數量最多的國家，水庫一旦垮壩將嚴重威脅人民的生命財產安全。因此，對水庫大壩的安全監測是水庫穩定運行與效益發揮的重要保證，傳統的人工觀測已無法滿足水庫現代化管理的高標準要求，必須采用自動化監測系統來實時掌握水庫大壩當前安全狀態及變化趨勢?？v觀國內外監測技術研究現狀，監測工作主體仍以人工為主，監測、分析技術力量薄弱，無法及時發現、處理隱患，形成了一大批病險水庫。土石壩監測系統技術尤為不足，在線監測分析評價相關技術尚不規范；監測系統實施關鍵技術和運行保障技術與措施尚不成熟。本研究選擇宮山嘴水庫為示范水庫開展相關研究。

1樞紐概況

宮山嘴水庫位于距建昌縣城6km的宮山咀鄉，是一座防洪、灌溉、發電、養龜、旅游等綜合利用的大(2)型水庫，庫容1.2億m3，綿延9km。水庫由大壩、溢洪道、輸水洞、電站和引水建筑物五部分組成。水庫主壩為黏土心墻砂殼壩，溢洪道為直泄陡槽式，第一輸水洞為壩內埋管結構。水庫包含梯級電站4座，8臺機組，總裝機3105kW，設計年發電量663萬kW·h，實際年發電量584萬kW·h。

2現狀分析

目前宮山嘴水庫開展的觀測均為人工觀測，人工資料整編。觀測內容主要包括水平位移觀測、垂直位移觀測、壩體滲流觀測、壩基滲流觀測。表面位移監測采用的是視準線法及水準測量法，壩體浸潤線監測采用的是測深鐘法，這種傳統的人工監測方法，監測強度大、精度低，而且監測設施已基本老化破壞，僅有斷面樁號為0+090.0、00+250(每個監測斷面設5個測點)的10個壩體滲流測點可用。

實現水庫壩體自動化安全監測的關鍵技術包括壩體外部變形監測與壩體內部滲流自動監測兩部分內容。主要是研制各種專用監測儀器，并使用一些傳統的和現代的測量儀器，動態地獲取大壩的性態資料，以便作出安全評價。它涉及自動控制、精密機械、光電、微電子、計算機、傳感和通訊等技術。大壩安全監測技術發展的特點可概括為自動化、智能化、高精度、高可靠性、實時、連續、遙控、遙測和網絡化。

3總體設計

自動化監測系統是保證大型水利樞紐工程安全運行與效益發揮的重要組成部分，本研究通過對水庫實際情況的分析與調研，采用現代化信息手段，完成壩體外部變形監測系統、壩體內部滲流系統和分析評價系統的建設。在總體結構設計上采用新的設計理念，增強系統的靈活性、可升級性和均衡性。系統組態以模塊式結構為核心，軟件設計在基于數據庫的原則下納入軟件可重用技術，適合未來發展的需求。

4外部變形監測

外部變形監測主要是從整體和局部監測大壩所處環境、大壩本身及局部位置隨時間的變化，即確定測點在某一時刻的空間位置或特定方向的位移。

4.1系統功能

本研究根據工程的實際情況，水平位移采用全站儀、豎向位移采用電子水準儀視準線法進行測量，采集的數據自動輸入并存儲至計算機中，進行數據的顯示、分析、整編和存檔等。

4.2系統結構

系統在0+097斷面、0+240斷面和0+350斷面分別設置水平和豎向位移觀測點，在壩體兩端各變形測點縱斷面的延長線上布設工作基點和校核基點各1個。表面變形測點為豎向和水平向共用測點。工作基點和校核基點各6個，構成變形觀測的基準網。由于水庫環境所限，工作基點與校核基點位置選擇有些困難，根據現場的地理位置，在滿足《土石壩安全監測技術規范》(SL 60—94)的基礎上選定。

a. 工作基點。在每一縱排測點兩端的岸坡上各布設1個，采用整體鋼筋混凝土結構，立柱高度為1.2m，強制對中底盤的對中誤差小于0.1mm，設在其相應的基巖上，保證兩側基點、校核基點的通視。

b. 校核基點。建在山體穩定的基巖上，保證校核基點與工作基點之間通視，定期校測，校核基點的結構及埋設要求與工作基點相同。

c. 變形監測點。測點采用墩式結構，同時兼作豎向和橫向水平位移觀測的測點，墩頂高出壩面0.15m，設有強制對中底盤，其對中誤差均應小于0.2mm。

4.3監測方法

a. 水平位移控制網、監測網的建立。在主壩左、右端測點的縱斷面的延長線上各建立1個工作基點和1個校核基點，由6個基點組成四邊形水平位移控制網。用全站儀進行基點的水平坐標定位。監測網由主壩兩端的工作基點及壩上9個水平位移監測點組成。9個水平位移監測點在原位置恢復。

b. 水平位移監測方法。將全站儀布設在某工作基點上，以另一個工作基點為后視方向，儀器按各測點的初始坐標自動尋找目標點，自動進行下一個點的監測及記錄，采集的數據在計算中心進行后處理，得到各點的水平位移量。

c. 垂直位移監測方法。用數碼水準儀及測尺，沿壩兩岸起測基點與壩上各位移標點(水平位移標點與垂直位移標點共用一點)組成附合水準路線。按國家三等水準測量(GB 12898—91)方法進行監測。

4.4變形觀測軟件

b. 數據庫管理功能。包括數據修改以及人工數據添加處理、數據顯示以及打印設置、動態更新數據庫等功能。有權限的用戶可在網絡計算機上使用Excel報表編輯器編輯、修改、打印數據庫數據，支持用戶二次開發。

c. 查詢檢索。查詢檢索大壩位移歷史及實時數據。

d. 數據分析功能。根據測量的數據對大壩安全情況進行客觀分析，得出大壩安全情況的結論。

5內部滲流監測

滲流安全問題在大壩整體安全中占有重要地位，滲透水流除浸濕土壤降低其強度指標外，當滲透力大到一定程度時，將導致壩坡滑動、防滲體被擊穿、壩基的管涌與流土等重大滲流事故，直接威脅大壩的運行安全。

5.1測點布設

本研究在水庫原有10個完好測點基礎上，增設6個繞壩滲流測點、3個第一輸水洞線與壩接縫處滲流壓力測點，總計19個測點，對各滲流壓力測點實現自動化監測。

方案一：采用慣性傳感器：可采用慣性傳感器進行慣性導航來確定小車的路程。作為不需外部依賴的導航方式，慣性導航有著特殊的優勢，在飛行器定位等有著廣泛的應用。但由于我們僅為二維平面的運動，且通過加速度進行兩次積分計算路程勢必會造成較大的誤差，而通過濾波等手段處理則大大增加了程序的復雜性且未必能較好的消除誤差。

a. 在正常工作斷面0+090.0、00+250處，每個監測斷面設5個測點，共計10個測點，測壓管內安裝滲壓計進行壩體壩基滲流壓力監測。

b. 在原點號201、202、203、291、292、293共6個繞壩滲流測點的右側，距原測點0.5m處重新鉆孔，鉆至死水位以下1.5m處埋管，在管底安裝滲壓計進行繞壩滲流壓力監測。

c. 在原第一輸水洞線與壩接縫處點號115、125、135共3個滲流測點的右側，距原測點0.5m處重新鉆孔，鉆至輸水洞底高程以下2m處埋管，在管底安裝滲壓計進行滲流壓力監測。

5.2系統結構與組網方案

水庫大壩長達510m，大壩與溢洪道分離布設，壩上管理樓位于大壩右岸與溢洪道之間，管理樓可俯視大壩，各大壩浸潤線、繞壩滲流測壓管處與管理樓間可實現無遮擋通視。

本研究采用分層分布開放式結構無線網絡方式構建系統結構，分層分布式結構是當今大壩自動化觀測系統中普遍應用的系統體系結構，即將系統劃分為信號采集層、數據傳輸層、數據處理層、展示層，層與層之間通過先進的總線式結構、數字化數據傳輸、處理與展示實現高穩定、高可靠、高性能的監測系統，直接減少接線數量、節點數量、線路長度，提高數據傳輸的抗干擾能力和數據分析效率。

采用無線傳輸組網方案，隨著現代通訊技術的發展與不斷成熟，無線傳輸方式已逐漸成為主流，由于無需敷設有線線路，避免了敷設線路引起的資源耗費，可大大降低工程建設投資與運行管理費用。同時，由于無線傳輸為全數字信號傳遞過程，解決了有線傳輸無法解決的線路老化、信號失穩、雷電對設備影響等問題。此外，配合微功耗設計，系統可采用鋰電池、太陽能板供電，解決了有線供電無法解決的電源質量對設備的影響問題，特別適用于外部自然環境惡劣、電源質量不高、對大壩主體完好程度要求很高的水庫大壩監測系統。因此，主采集終端(無線網絡協調器)設于壩上管理樓內，各大壩測點設無線網絡滲壓傳感器，監測數據采用無線IP網方式傳輸至此，最終數據均匯集到壩上管理樓，實現入庫、處理、分析與輸出，同時利用水庫管理局局域網實現共享。

5.3系統功能

監測中心站使用無線網絡協調器連接安全監測計算機，通過配置監控和系統軟件可以實現自動數據接收、數據本地存儲、遠程數據轉發(GPRS/SMS)、數據統計、圖表分析、報表打印、超限報警、測站電壓低落報警等功能。

a. 數據采集。中心可以設置定時巡測時間、巡測間隔，選測數據采集終端和監測傳感器，可以設置數據采集終端測量密度。定時自動將分中心站計算機的時鐘寫入數據采集站，以保證數據采集站內實時時鐘與分中心站同步。操作人員可通過中心站計算機下發命令，讀取數據采集站當前的數據；可通過中心站計算機下發命令，讀取數據采集站內特定日期的自記數據；可通過中心站計算機下發命令，向數據采集站寫入采集數據、發送數據的時間控制參數等。

b. 采集數據的處理。將數據幀的地址信息轉化為特定的點號、站名；將一幀中多個采集數據轉換為最小采集數據單元；對采集數據進行率定；合成新的采集數據，比如測壓管水位加入海拔高程，根據水庫水位合成庫容數據，由水位、閘位數據合成流量數據等。對異常數據按照設計標準進行排異處理，實時了解壩體和設備的運行狀態。

c. 采集數據存儲。將處理過的采集數據存入采集數據原始數據庫。數據入庫有以下幾種方式：?周期方式：每間隔設定的時間周期，定時向數據庫寫入采集數據；采用該種方式寫入數據庫的參數有滲壓、滲流量、水位、流量等；?事件觸發方式：當一個采集參數發生一定量的變化時，將該采集數據寫入數據庫；采用該種方式寫數據庫的參數有水位數據、報警數據等；?二者結合方式：當采集參數發生變化時，將該采集數據寫入數據庫。當在一定時間間隔內沒有產生入庫條件時，以周期方式寫數據庫。

6分析評價系統

監測系統是數據來源的基礎，分析評價系統則是大壩安全監測的核心。系統實現了對監測數據的數據分析與安全評價，為水庫管理人員提供實時信息。系統包括數據管理、查詢顯示、壩體平面、斷面分析、數據分析和安全評價等十余項功能。其中壩體平面監測實現了對大壩全部觀測點的顯示，窗體中可顯示各測點在壩面中的位置。并可通過鼠標交互查詢測管當前觀測值，同時可利用放大鏡功能查詢壩體平面細部。圖中通過“刷新”按鈕刷新選擇時間的觀測數據。用戶還可以通過選擇來指定歷史觀測數據進行顯示。浸潤線分析實現了對大壩斷面觀測點的顯示，并繪制相應的設計浸潤線和實測單位線，窗體中可顯示各測點觀測值。系統界面如圖1、下頁圖2所示。

圖1　壩體平面監測界面

圖2　浸潤線分析界面

7結語

本研究通過現代化的技術手段實現了水庫控制運用管理的現代化、信息化綜合支持，完成了宮山嘴水庫外部變形監測系統和內部滲流監測系統的建設，分別實現了大壩外部變形與內部滲流的數據分析與安全評價。水庫管理人員通過該系統可實時了解水庫當前安全狀態和變化趨勢，實現對水庫的健康管理，充分發揮水庫效能。通過多個汛期的實際運行檢驗，全面取代了水庫傳統的人工觀測方法，為水庫的管理水平帶來了質的飛躍。

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