大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)應用探討

程洪波

（泉州市山美水庫管理處 362000）

1 工程概況

山美水庫位于福建省南安市晉江支流東溪中游,水庫總庫容6.55億m3，正常蓄水位96.48m，設計洪水位98.78m，校核洪水位100.70m。山美水庫是一座以灌溉為主，結(jié)合防洪、供水、發(fā)電等綜合利用的大（2）型水利樞紐工程。

水庫樞紐工程由主壩、副壩、溢洪道、引水隧洞及地下廠房、壩后廠房等組成。主壩為粘土心墻壩，粘土心墻頂寬5m，頂部高程104.48m，壩頂長315m，壩頂寬8m，最大壩高75.5m，壩頂高程105.48m。為了及時了解大壩的運行性態(tài)、發(fā)展趨勢和安全隱患，提高水庫大壩運行管理水平，山美水庫管理處委托南京水利科學研究院為山美水庫大壩安裝了一套功能實用、技術(shù)先進、性能可靠、結(jié)構(gòu)開放的大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)，該系統(tǒng)能在線或離線分析大壩安全運行性態(tài)，為管理單位和上級主管部門實時提供輔助決策信息，實現(xiàn)水庫管理信息化、現(xiàn)代化。

水庫大壩監(jiān)測項目主要包括主壩變形監(jiān)測、主壩滲流監(jiān)測、副壩滲流監(jiān)測和環(huán)境量監(jiān)測等。

2 大壩自動化監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成及功能

2.1 監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

大壩監(jiān)測系統(tǒng)由各種類型傳感器，測量控制單元和中央控制室組成。傳感器包括測縫計、孔隙水壓力計、流量計、上游水位計和氣壓計等；測量控制單元（MCU）系統(tǒng)設在大壩左壩頭觀測房，用于對各種傳感器進行數(shù)據(jù)采集和存儲，并與中央控制室計算機連接通訊，發(fā)送指令和數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)實時監(jiān)測；中央控制室設在水庫管理處辦公樓，它與測量控制單元通過光纖傳輸體統(tǒng)，實現(xiàn)雙向通訊，配有數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理分析軟件，可進行在線監(jiān)控或離線監(jiān)控。

大壩監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 大壩監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 監(jiān)測系統(tǒng)功能

2.2.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)采集功能

監(jiān)測系統(tǒng)可對輸出為頻率、電壓、電流、脈沖及數(shù)字編碼等信號的傳感器進行常規(guī)巡測、定時巡測、常規(guī)選測和人工測量。

2.2.2 數(shù)據(jù)通信與資源共享功能

測量控制單元與中央控制室之間具有雙向通訊功能，中央控制室不僅可以向測量控制單元發(fā)出指令，而且隨時接受測量控制單元采集的數(shù)據(jù)，中央控制室與外界通過多種媒介實現(xiàn)雙向通訊，達到資源分級共享。

2.2.3 資料維護與管理功能

監(jiān)測系統(tǒng)對各種監(jiān)測項目的考證資料和監(jiān)測資料具有維護與管理功能，包括資料錄入、修改、刪除、查詢，以及對考證資料和監(jiān)測資料按年份進行備份或恢復等功能，以保證資料的連續(xù)性和完整性。

2.2.4 資料整編與分析功能

監(jiān)測系統(tǒng)按SL169—96《土石壩安全監(jiān)測資料整編規(guī)程》的要求對監(jiān)測資料及時制成圖表進行整編，并結(jié)合工程實際情況建立分析模型，實現(xiàn)在線處理或離線處理，對工程安全評價提供信息。

2.2.5 系統(tǒng)自檢功能

系統(tǒng)具有自檢功能，當設備發(fā)生故障時，系統(tǒng)會自動報警，顯示故障信息，及時提醒管理人員進行維修。

2.2.6 系統(tǒng)防雷功能

利用壩體測壓管的外殼接地電阻小的優(yōu)點，將傳感器避雷器接地與測壓管的外殼焊接起來連成一個整體，使中央控制室與測量控制單元建筑物形成均壓等電位接地網(wǎng)，達到系統(tǒng)防雷功能。

3 大壩自動化監(jiān)測系統(tǒng)應用

3.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

依靠大壩自動監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集軟件實現(xiàn)計算機與測量控制單元（MCU）通訊，完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集任務。其數(shù)據(jù)采集原理及程序如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集原理及程序

3.1.1 MCU自檢

MCU自檢是將計算機與MCU連接，計算機使MCU進行自檢，并將自檢結(jié)果再返回至計算機，顯示給操作人員，達到遠程診斷MCU的目的。自檢內(nèi)容包括：通信、MCU內(nèi)部溫度、MCU工作電壓、MCU充電電壓、MCU測量模塊和通道等。

3.1.2 參數(shù)設置

在MCU正常工作之前，要根據(jù)工程的具體情況，需要對MCU的參數(shù)和數(shù)據(jù)庫中的各測點指標進行設置。設置的項目包括通信速率、系統(tǒng)時間等。

3.1.3 單點測量

單點測量主要針對某種儀器中某個測點進行的各種電測量（如孔隙水壓力計的頻率和溫度）和相關(guān)儀器測量（如測量測壓管內(nèi)的孔隙水壓力計，還要測量氣壓計），計算出工程物理量，并將測量數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫，需要時可以進行打印。

3.1.4 巡回測量

巡回測量是對一個MCU或多個MCU上的測點進行的測量，所測儀器類型可以是一種，也可以是多種。巡回測量時，數(shù)據(jù)采集軟件以列表的形式給出MCU及與各MCU相連的儀器類型，計算出工程物理量，供操作人員選擇和對測量數(shù)據(jù)進行檢查。當測量數(shù)據(jù)超出量程范圍或事先設置的安全警戒時，將給出提示或告警，并將測量數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫，需要時按儀器類型打印測量數(shù)據(jù)結(jié)果。

3.1.5 定時測量

定時測量主要用來取定時測量數(shù)據(jù)，計算出工程物理量。通過列表的方式將所得的電測量和工程物理量顯示出來，并將測量數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫，需要時按儀器類型打印測量數(shù)據(jù)結(jié)果。

3.2 資料整編

水庫大壩監(jiān)測資料的整編任務，由系統(tǒng)的資料維護、報表打印、圖形繪制等模塊完成。資料維護模塊包括考證資料查詢添加修改刪除、監(jiān)測數(shù)據(jù)添加、監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢修改、監(jiān)測資料刪除、數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)恢復等內(nèi)容。

3.3 資料分析

資料分析由系統(tǒng)的資料分析軟件完成，資料分析包括對豎向位移、水平位移、滲流壓力水位、滲流量分析等項目。

3.3.1 現(xiàn)場檢查。

把現(xiàn)場檢查的情況錄入到系統(tǒng)中，并對這些現(xiàn)場檢查信息進行查詢和修改。

3.3.2 豎向位移分析

豎向位移分析包括建立統(tǒng)計模型和沉降、裂縫分析等。

a.建立統(tǒng)計模型。利用連續(xù)監(jiān)測資料，建立豎向位移與時間的單因子優(yōu)化統(tǒng)計模型，如果統(tǒng)計模型相關(guān)系數(shù)好、剩余標準差小、漏測時間小于1年，則同時利用統(tǒng)計模型進行漏測豎向位移推算。

b.沉降分析。沉降分析主要包括沉降率計算、沉降速率計算，并根據(jù)沉降率與沉降速率判斷沉降發(fā)展趨勢及大壩是否存在裂縫等問題。

c.裂縫分析。裂縫分析通過計算縱向傾度和縱向拉應變判斷壩體是否存在剪切裂縫和橫向不均勻沉降裂縫。

3.3.3 水平位移分析

利用連續(xù)監(jiān)測資料，建立水平位移與上游水深、時間等因子多因子統(tǒng)計模型，根據(jù)相關(guān)系數(shù)，就回歸效果給出定性結(jié)論。

3.3.4 滲流壓力分析

滲流壓力分析包括滯后時間分析、建立統(tǒng)計模型、位勢分析、壩體浸潤線分析、壩基抗?jié)B分析等。

3.3.5 滲流量分析

滲流量分析包括建立統(tǒng)計模型、引流量分析等。

4 水庫大壩自動化監(jiān)測狀況分析

大壩自動化監(jiān)測系統(tǒng)可對水庫大壩20多年的歷史觀測資料和近期自動監(jiān)測資料進行分析，并利用設計、施工、運行及安全鑒定成果，對山美水庫大壩作出綜合安全評價?，F(xiàn)狀下大壩安全類別為B級，屬二類壩，其主要問題是大壩變形較大、大壩下游坡的抗滑穩(wěn)定安全裕度不足，應加強安全監(jiān)測。

4.1 滲流分析

大壩各斷面浸潤線未發(fā)現(xiàn)異常；壩基滲透坡降均在允許范圍之內(nèi)，壩基滲流性態(tài)正常；繞壩滲流正常；主壩下游量水堰水質(zhì)清澈，未發(fā)現(xiàn)增大趨勢。綜合分析，現(xiàn)狀下大壩滲流運行性態(tài)正常，大壩滲流安全級別為A級。

4.2 變形安全分析

除壩頂MA4測點豎向位移沉降率超過經(jīng)驗允許值外，大壩各斷面的豎向位移最大沉降率均小于1%，各監(jiān)測點豎向位移已經(jīng)趨于穩(wěn)定；水平位移最大值為111mm，小于允許值；心墻頂部應變監(jiān)測資料未發(fā)現(xiàn)異常?，F(xiàn)狀下大壩變形基本正常，大壩變形安全級別為B級。

4.3 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析

按有關(guān)技術(shù)規(guī)范要求，利用實時監(jiān)測資料，在各種工況下，大壩壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，表明現(xiàn)狀下大壩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定滿足是安全的。按有關(guān)規(guī)范要求，大壩下游坡的抗滑穩(wěn)定安全裕度不足。大壩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定級別為B級。

4.4 抗震穩(wěn)定分析

按有關(guān)技術(shù)規(guī)范要求，利用實時監(jiān)測資料，在各種工況下，大壩抗震穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，表明現(xiàn)狀下大壩抗震穩(wěn)定是安全的。大壩抗震穩(wěn)定級別為A級。

4.5 現(xiàn)場檢查

經(jīng)現(xiàn)場檢查，目前未發(fā)現(xiàn)明顯異常，安全級別為A級。

5 自動化監(jiān)測系統(tǒng)性能穩(wěn)定性評價

2004年4月，山美水庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)開始進行研制開發(fā)及現(xiàn)場實施，2005年3月底進行試運行。實際應用情況證明：該系統(tǒng)功能實用，技術(shù)先進，性能可靠，結(jié)構(gòu)開放，正常情況下系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、傳輸均能做到準確、可靠和及時，設備運行比較正常，實現(xiàn)了大壩安全數(shù)據(jù)采集的自動化、數(shù)據(jù)處理的模型化、分析評判的智能化和輸出成果的可視化。但在大風、暴雨、雷電等惡劣天氣條件下，該系統(tǒng)自動化設備會出現(xiàn)故障，有時甚至發(fā)生觀測數(shù)據(jù)中斷等情況，說明系統(tǒng)穩(wěn)定性方面存在不足。

6 自動化監(jiān)測系統(tǒng)應用意義探討

在總結(jié)國內(nèi)外水庫大壩安全監(jiān)控理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合山美水庫大壩運行現(xiàn)狀和專家經(jīng)驗，山美水庫安裝的大壩自動化監(jiān)測系統(tǒng)提出了山美水庫大壩安全評價判別體系和監(jiān)控指標框架，為山美水庫大壩安全監(jiān)控與預警提供了技術(shù)保障；通過對山美水庫大壩設計、施工、運行及監(jiān)測資料的分析，進行了大壩安全監(jiān)測方案的研究，該系統(tǒng)的運用為山美水庫大壩安全監(jiān)測與監(jiān)控提供了關(guān)鍵的基礎(chǔ)條件；根據(jù)山美水庫安全監(jiān)測和監(jiān)控技術(shù)的研究成果分析，該系統(tǒng)為山美水庫大壩安全監(jiān)控與預警提供了信息平臺；利用大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動監(jiān)測數(shù)據(jù)、人工觀測數(shù)據(jù)，以及巡視檢查記錄和設計、施工、運行及試驗資料，采用合理的數(shù)學模型和評判準則，開發(fā)了山美水庫大壩安全分析評價系統(tǒng)，實時在線綜合分析大壩安全運行性態(tài)，評定大壩安全類別，對大壩安全隱患進行預警，為山美水庫大壩安全監(jiān)控與預警提供了應用平臺；采用三維GIS及三維技術(shù)，在建立三維模型的基礎(chǔ)上，采用專業(yè)模型進行分析計算，實時展現(xiàn)了水庫樞紐概況和水庫大壩安全監(jiān)測信息與成果,提高了水庫大壩場景與水庫安全分析技術(shù)的三維可視化水平；山美水庫大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)的應用，實現(xiàn)了實時動態(tài)綜合分析大壩安全運行性態(tài)，為水庫運行調(diào)度、水資源優(yōu)化配置發(fā)揮了重要作用，取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。