湯河水庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的分析與研究

曹桂芬 湯河水庫管理局 111000

湯河水庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的分析與研究

曹桂芬 湯河水庫管理局 111000

水庫運行管理自動化系統(tǒng)是近年來發(fā)展起來的綜合應(yīng)用技術(shù)，它的建立使水庫的運行管理進入了一個新的歷史時期，成為水庫興利減災(zāi)﹑防洪調(diào)度的重要技術(shù)手段之一。本文對遼寧省湯河水庫大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)進行介紹。

湯河水庫；浸潤線；測壓管；自動化觀測系統(tǒng)

一、工程概況

湯河水庫位于遼寧省遼陽市弓長嶺區(qū)湯河鄉(xiāng)境內(nèi)，是一座以防洪、城市和工業(yè)供水、農(nóng)業(yè)灌溉為主，結(jié)合發(fā)電、養(yǎng)魚等綜合利用的大型水利樞紐工程。水庫始建于1958年，續(xù)建于1969年，1978年開始安全加固施工，1985年竣工驗收。主體工程由大壩、溢洪道、輸水洞和水電站組成。壩高48.5米，壩長455米，控制流域面積1228平方公里，占湯河流域面積的84%，占太子河流域面積的9%。主體工程按百年一遇洪水設(shè)計，可能最大洪水校核。設(shè)計最大庫容7.23億立方米。

為監(jiān)測壩體在水庫蓄水運行過程中可能發(fā)生的滲透情況，共計布設(shè)20根測壓管觀測點。其中，在壩體下游坡面分別于樁號0+100、0+220、0+340壩段布置三個觀測斷面，共計9根測壓管，用于掌握壩體浸潤情況；在濾水壩趾處布置三根測壓管，用于了解下游壩基水位；在東西壩端各布設(shè)4根測壓管，用于掌握壩端滲流情況。系統(tǒng)測點分布如下圖1所示。

隨著水庫工程管理水平的不斷提高，大壩浸潤線觀測也逐步實現(xiàn)了自動化觀測，由于它的及時性和準確性，已經(jīng)成為大壩的安全性觀測，水庫的防洪調(diào)度和水資源的合理利用不可或缺的最主要的手段。湯河水庫主體建筑物級別為I級，觀測項目主要有外部變形觀測和滲流觀測，為實時掌握壩體運行情況，實現(xiàn)大壩浸潤線滲流的實時觀測，更新觀測設(shè)備，改進觀測方法，實施大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的更新改造勢在必行。

二、系統(tǒng)設(shè)計原則

湯河水庫自建成運行已30多年，壩體已趨于穩(wěn)定，故本次設(shè)計只做壩體浸潤線和繞壩滲流自動化觀測，外部變形等其他觀測項目仍用人工。經(jīng)實地勘察，湯河水庫現(xiàn)有滲流觀測點布置基本符合《土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》要求，測壓管經(jīng)必要的技術(shù)處理后能夠達到使用技術(shù)標準，因此本次自動化系統(tǒng)改造設(shè)計使用現(xiàn)有觀測孔（管）。大壩浸潤線和繞壩滲流自動化觀測系統(tǒng)采用當前國際上先進的全計算機、全數(shù)字、雙向通信的現(xiàn)場總線技術(shù)設(shè)計，具有節(jié)省大量工程電纜、縮短設(shè)計、安裝和調(diào)試工期、優(yōu)化管理和易于掌握的特點，可將所有的現(xiàn)場設(shè)備和控制器用一根電纜連接在一起，形成數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)，完成現(xiàn)場狀態(tài)檢測、控制與遠程診斷等功能，并且具有系統(tǒng)設(shè)備運行穩(wěn)定可靠、抗干擾能力強、系統(tǒng)維護方便安全、軟件功能全面實用、通用性和兼容性好的特點，同時兼顧系統(tǒng)的經(jīng)濟性和可擴展性。

三、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

湯河水庫大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分。

圖1

圖2

（一）硬件系統(tǒng)。包括傳感器、采集系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)和防雷系統(tǒng)四大部分。通過在壩坡上布設(shè)測點，利用水位傳感器，首先將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集器上，再通過通信系統(tǒng)傳輸?shù)綁蜗卤O(jiān)控設(shè)備。

1、傳感器：采用壓力式水位傳感器，通過GORE-TEX 接線腔將水位傳感器連接到擴展板，利用水壓感應(yīng)原理來測試測壓管內(nèi)的水位。

2、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：共包括三個擴展板，其中一個主MCU、兩個擴展單元，采用先進的分布式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，用智能的測控裝置替代了傳統(tǒng)的集線器。智能測控裝置不僅具有集線器的功能，而且具有自動采集、處理與存儲功能，并且有自己的時鐘，可以完全脫離監(jiān)控計算機，自行工作，實現(xiàn)了真正意義上的自動采集與監(jiān)測。

3、通訊系統(tǒng)：采用分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，各測壓管與擴展板之間以及主MCU與壩下監(jiān)控設(shè)備之間均采用光纜作為傳輸介質(zhì)，系統(tǒng)內(nèi)部的通訊為數(shù)字信號傳輸，大大提高了通訊速率、可靠性和抗干擾能力。

4、防雷系統(tǒng)：由于湯河水庫所在地基本屬于雷電多發(fā)區(qū)，大壩自動化監(jiān)測系統(tǒng)非常容易遭受雷擊，為此，做好防雷系統(tǒng)是影響大壩自動化監(jiān)測系統(tǒng)可靠性的極其重要的環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)采用設(shè)置多級的防雷設(shè)備和建設(shè)良好的接地體等手段，同時從切斷雷電傳輸通道和疏導(dǎo)泄放雷電流兩方面入手，最大限度地減小雷電對系統(tǒng)的危害。通過配置信號防雷模塊、電源防雷模塊和串聯(lián)防雷箱等避雷措施，確保大壩自動化監(jiān)測系統(tǒng)免受雷擊，穩(wěn)定運行。

（二）軟件系統(tǒng)。主要用于完成遙測中心站數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、監(jiān)控以及遠程配置等任務(wù)。同樣采用先進的分層分布式結(jié)構(gòu)，分為采集設(shè)備、通信層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)層、表示層和用戶終端，分別完成數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、存儲、用戶顯示和操作。軟件體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

該系統(tǒng)包含的軟件包括：數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)處理及通訊軟件、主運行程序以及其他輔助程序。數(shù)據(jù)處理及通訊軟件在整個軟件系統(tǒng)中處于核心位置，主要包括：數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)軟件Telemeter、通訊服務(wù)器軟件RS232以及數(shù)據(jù)采集軟件SMARTDATA 。其中數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)軟件Telemeter是主程序運行的基礎(chǔ)，為主程序的大量數(shù)據(jù)的讀寫提供了平臺；數(shù)據(jù)采集軟件SMARTDATA 是和下位機連接的工具，負責數(shù)據(jù)的采集和對下位機的基本的設(shè)置任務(wù)。在系統(tǒng)運行過程中，通過數(shù)據(jù)采集軟件SMARTDATA 界面，進行“遙測上電”、“啟動測試”操作，可對各測壓管水位進行實時觀測，同時在該軟件界面下可對遙測站的各種參數(shù)進行配置。

四、系統(tǒng)開發(fā)

系統(tǒng)軟件總體框架采用C－S（客戶端－服務(wù)器端）模式，采用Visual Basic6.0、C++開發(fā)工具，結(jié)合VBA及Matrix第三方組件基于SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，面向Windows 2000/Windows XP 操作系統(tǒng)開發(fā)。典型的客戶機/服務(wù)器計算有以下特點：服務(wù)器負責數(shù)據(jù)管理及程序處理；客戶機負責界面描述和界面顯示；客戶機向服務(wù)器提出處理要求；服務(wù)器響應(yīng)后將處理結(jié)果返回客戶機。

基于現(xiàn)代化科學技術(shù)的飛速發(fā)展及系統(tǒng)軟、硬件設(shè)備的快速更新，該軟件系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)在系統(tǒng)的可擴展性及二次開發(fā)方面做了充分的考慮。該軟件系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上將不同通訊介質(zhì)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)的分析和處理、數(shù)據(jù)的存儲、數(shù)據(jù)的顯示和監(jiān)控作為相對獨立的系統(tǒng)來設(shè)計，在系統(tǒng)需要擴展新的功能的時候，可以直接在現(xiàn)有系統(tǒng)上做無縫升級，可擴展性高，且各模塊之間的相關(guān)性小，易于進行二次開發(fā)。

五、系統(tǒng)開發(fā)成果

湯河水庫大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的安裝，實現(xiàn)了浸潤線觀測的自動化，實現(xiàn)了大壩實際工作性態(tài)的實時監(jiān)測及大壩安全實時分析, 具體開發(fā)的成果內(nèi)容包括：

（1）對水庫庫區(qū)水位、壩體與繞壩滲透、滲透壓力、溫度、降水實現(xiàn)自動化實時監(jiān)測。

（2）實現(xiàn)壩體工程資料管理的信息化與壩體安全監(jiān)測數(shù)據(jù)資料整編的自動化與規(guī)范化。

（3）結(jié)合壩體內(nèi)部監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)壩體的滲流安全的分析與評價（內(nèi)容包括：壩體浸潤線分析、壩體滲流場分析、滲流相關(guān)及相關(guān)過程分析、滲透系統(tǒng)反演分析、滲流因子分析、滯后時間分析等）。

六、總結(jié)

湯河水庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)經(jīng)過近幾年來實際運行驗證，應(yīng)用此模式開發(fā)取得了良好的效果，系統(tǒng)的應(yīng)用達到了為水庫土石壩安全監(jiān)測提供強大的決策支持的作用，做到了及時監(jiān)測、及時報警、及時分析、及時整編。目前，已為水庫的大壩安全監(jiān)測工作帶來了質(zhì)的變化。

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.09.041

曹桂芬（1972.9），女，遼寧遼陽人，本科，高級工程師，主要從事水庫管理方面的研究。