關河水庫除險加固中大壩滲流監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)化

張競競

（山西省水利水電勘測設計研究院 山西太原030024）

1 工程背景

關河水庫是海河流域濁漳河北源干流上的大型控制性工程，位于濁漳河北源關河峽口處,距武鄉(xiāng)縣城2.5 km。總庫容1.41億m3，是一座具有防洪、灌溉、發(fā)電、養(yǎng)殖等綜合利用的年調節(jié)大型水庫。水庫大壩于1958年8月1日開工，1959年攔洪，1960年9月竣工。水庫運行以來，為防御洪水災害和保護下游人民的生命財產安全發(fā)揮了重要的作用。但由于當時的歷史條件，施工質量較差，使水庫質量存在諸多問題。同時，因當時設計標準太低，運行以來因缺少正常的維修管理資金，工程老化失修，被列為山西省的重點險庫。本次在對該水庫進行除險加固的同時，滲流觀測擬實現自動化監(jiān)測。

2 大壩滲流壓力觀測

大壩滲流壓力觀測包括壩體滲流壓力和壩基滲流壓力觀測，其中壩體滲流壓力觀測包括觀測斷面上的壓力分布和浸潤線觀測。關河水庫現有的滲流觀測為浸潤線觀測，共4排13個。本次增加了斷面滲流壓力和壩基滲流壓力觀測設施。

1）壩體滲流壓力共布置了4個觀測斷面，其樁號分別為壩0+150、壩0+230、壩0+330、壩0+430，每個橫斷面上布置3條觀測鉛直線，位置為下游壩肩、下游排水棱體前緣各布置一條，中間部位布置一條。每個鉛直線上布置2個測點，位置為預計最底浸潤線以下布置一個點，預計浸潤線變化范圍內布置一個點。

2）壩基滲流觀測斷面及每個斷面上鉛直線位置與壩體滲流觀測斷面一致。每個鉛直線上布置1個測點，在壩基砂礫石透水層內。

根據大壩安全自動化技術發(fā)展水平，結合大壩觀測實際情況，大壩滲流實行自動化觀測。

2.1 技施設計時的有線監(jiān)控系統(tǒng)

大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)控制方式為應答式,由大壩安全監(jiān)測管理主機命令所設置的DAU數據采集單元，進行同時巡測或指定單臺單點選測，并將所測數據送到管理主機分析與存儲。

根據工程實際情況在大壩四個斷面上共埋設36個滲壓計，擬定在靠近大壩頂部第一個平臺上的對稱位置設2個DAU數據采集單元，大壩兩端兩個斷面上的18個滲壓計各共用一個DAU數據采集單元。將信號線穿鋼管埋設由各個滲壓計引至相應的DAU數據采集單元，并將2個DAU數據采集單元的信號線和電源線分別穿鋼管地埋引至管理局辦公大摟內的大壩安全監(jiān)測控制中心。

大壩安全監(jiān)測控制中心配置了上位管理主機1臺、大壩安全監(jiān)測管理主機1臺、服務器1臺和相應的打印機與電源設備、調制調解器及數碼存儲系統(tǒng)。

2.2 施工時的無線監(jiān)控系統(tǒng)

鑒于其他類似工程大壩監(jiān)測部分采用較先進的無線監(jiān)控系統(tǒng)，一方面可以避免原有線監(jiān)控系統(tǒng)使用壽命短、易遭雷擊的缺陷，另一方面對已硬化的路面等建筑物不造成破損。施工時將有線監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)化為無線監(jiān)控系統(tǒng)。

關河水庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)共監(jiān)測1個庫水位和36個滲流滲壓點，每個檢測點采用電池供電的無線傳感設備，整個系統(tǒng)采用ISM頻段的無線傳感技術，不需要外接任何連接線。系統(tǒng)由中心監(jiān)測站設備及大壩監(jiān)測區(qū)設備兩部分組成。

中心監(jiān)測站設備由計算機系統(tǒng)（包括計算機、打印機、后備電源）和無線數據轉換器以及大壩監(jiān)測軟件組成。

大壩監(jiān)測區(qū)設備由1個無線智能庫水位計和36個分布于各個測壓管的無線滲壓計組成。無線智能庫水位計連續(xù)不斷地檢測庫水位，當庫水位有1 cm的變化時，無線智能庫水位計主動發(fā)送ISM頻段的無線數據到中心監(jiān)測站；或者當監(jiān)測站需要實時數據時，發(fā)送命令給無線智能庫水位計，可實時檢測數據。無線智能庫水位計用太陽能電池供電。水位傳感器為低功耗的數字壓阻式傳感器。它靈敏度高，分辨率高，體積小，安裝于現有測井內的死水位以下。數傳無線裝置和太陽能電池系統(tǒng)安裝于測井房頂上面。

無線滲壓計采用干電池供電，3～5年換一次電池，大多數時間處于休眠狀態(tài)，當收到中心監(jiān)測站發(fā)出的命令時，采集數據并把數據通過無線電波發(fā)回中心監(jiān)測站。滲壓計也采用低功耗的數字壓阻式傳感器，它放置于滲壓管底部，通過防水線纜與放置于滲壓管口的無線數傳裝置相連。數傳無線裝置和太陽能電池系統(tǒng)安裝于測壓管管口保護蓋上。

2.3 兩種方案優(yōu)缺點從以下幾方面比較

1）系統(tǒng)防雷電抗雷擊的能力

有線連接的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)由于所有設備連成一個網，該網覆蓋面大，距離遠，極易遭雷電沖擊，造成損壞。而無線大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)由于各個設備相互獨立，受雷電沖擊要弱得多。

2）系統(tǒng)壽命和平均無故障時間

有線連接的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的各種連線是引入各種干擾的主要途徑，設備容易受損，某局部損壞可能導致整個系統(tǒng)癱瘓。而無線大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)引入的各種干擾要少得多，某一設備損壞并不影響整個系統(tǒng)。

3）施工管理

現有的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)主要采用分布式系統(tǒng)結構，即監(jiān)測系統(tǒng)各監(jiān)測點和中心控制站間采用有線方式連接。由于監(jiān)測點所處的地理位置分散且多，傳統(tǒng)的有線連接方式使得大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)存在著布線網絡搭建工作量大、投資大、監(jiān)測點凋整不便的缺點。而無線大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的設備安裝調試比較簡單，當現場條件允許時,維修方便。

4）兩種方案的主要工程量見表1。

表1 主要工程量表

5）投資

無線方案總投資55.6萬元，其中，直接費用47.4萬元；有線方案總投資69.3萬元，其中，直接費59.2萬元。直接費比無線方案多11.8萬元，總投資多13.8萬元，有線方案投資約高27.8%。

3 結語

采用無線監(jiān)控系統(tǒng)一方面可以避免原有線觀測使用壽命短、易遭雷擊的缺陷，另一方面對已硬化的路面等建筑物不造成破損，而且投資少,施工、管理方便，使用壽命長。故大壩監(jiān)測系統(tǒng)修改為無線監(jiān)測系統(tǒng)。由此也看出，開發(fā)基于無線信息傳輸方式的大壩監(jiān)測系統(tǒng)已是大勢所趨。