宮山嘴水庫壩體自動化監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)研究

宮山嘴水庫壩體自動化監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)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(zhuǎn)化專項計劃項目：水庫綜合信息化管理技術(shù)(2011302004)。

摘要：本文通過對我國自動化監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)狀和宮山嘴水庫概況進行調(diào)研分析，找出其中的薄弱環(huán)節(jié)，采用模塊化開放式的結(jié)構(gòu)進行總體設(shè)計。構(gòu)建了壩體外部變形監(jiān)測系統(tǒng)、內(nèi)部滲流監(jiān)測系統(tǒng)和分析評價系統(tǒng)，分別從系統(tǒng)的測點布設(shè)、功能結(jié)構(gòu)、監(jiān)測方法等方面進行歸納總結(jié)。系統(tǒng)建成后，水庫管理人員可實時了解水庫大壩內(nèi)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(guān)鍵詞：宮山嘴水庫；外部變形；內(nèi)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(shù)量最多的國家，水庫一旦垮壩將嚴重威脅人民的生命財產(chǎn)安全。因此，對水庫大壩的安全監(jiān)測是水庫穩(wěn)定運行與效益發(fā)揮的重要保證，傳統(tǒng)的人工觀測已無法滿足水庫現(xiàn)代化管理的高標準要求，必須采用自動化監(jiān)測系統(tǒng)來實時掌握水庫大壩當前安全狀態(tài)及變化趨勢?？v觀國內(nèi)外監(jiān)測技術(shù)研究現(xiàn)狀，監(jiān)測工作主體仍以人工為主，監(jiān)測、分析技術(shù)力量薄弱，無法及時發(fā)現(xiàn)、處理隱患，形成了一大批病險水庫。土石壩監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)尤為不足，在線監(jiān)測分析評價相關(guān)技術(shù)尚不規(guī)范；監(jiān)測系統(tǒng)實施關(guān)鍵技術(shù)和運行保障技術(shù)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(guān)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(xiāng)，是一座防洪、灌溉、發(fā)電、養(yǎng)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(nèi)埋管結(jié)構(gòu)。水庫包含梯級電站4座，8臺機組，總裝機3105kW，設(shè)計年發(fā)電量663萬kW·h，實際年發(fā)電量584萬kW·h。

2現(xiàn)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(nèi)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(jiān)測采用的是視準線法及水準測量法，壩體浸潤線監(jiān)測采用的是測深鐘法，這種傳統(tǒng)的人工監(jiān)測方法，監(jiān)測強度大、精度低，而且監(jiān)測設(shè)施已基本老化破壞，僅有斷面樁號為0+090.0、00+250(每個監(jiān)測斷面設(shè)5個測點)的10個壩體滲流測點可用。

實現(xiàn)水庫壩體自動化安全監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)包括壩體外部變形監(jiān)測與壩體內(nèi)部滲流自動監(jiān)測兩部分內(nèi)容。主要是研制各種專用監(jiān)測儀器，并使用一些傳統(tǒng)的和現(xiàn)代的測量儀器，動態(tài)地獲取大壩的性態(tài)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(shù)。大壩安全監(jiān)測技術(shù)發(fā)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(xù)、遙控、遙測和網(wǎng)絡(luò)化。

3總體設(shè)計

自動化監(jiān)測系統(tǒng)是保證大型水利樞紐工程安全運行與效益發(fā)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(diào)研，采用現(xiàn)代化信息手段，完成壩體外部變形監(jiān)測系統(tǒng)、壩體內(nèi)部滲流系統(tǒng)和分析評價系統(tǒng)的建設(shè)。在總體結(jié)構(gòu)設(shè)計上采用新的設(shè)計理念，增強系統(tǒng)的靈活性、可升級性和均衡性。系統(tǒng)組態(tài)以模塊式結(jié)構(gòu)為核心，軟件設(shè)計在基于數(shù)據(jù)庫的原則下納入軟件可重用技術(shù)，適合未來發(fā)展的需求。

4外部變形監(jiān)測

外部變形監(jiān)測主要是從整體和局部監(jiān)測大壩所處環(huán)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(tǒng)功能

本研究根據(jù)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(shù)據(jù)自動輸入并存儲至計算機中，進行數(shù)據(jù)的顯示、分析、整編和存檔等。

4.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)在0+097斷面、0+240斷面和0+350斷面分別設(shè)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(shè)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(gòu)成變形觀測的基準網(wǎng)。由于水庫環(huán)境所限，工作基點與校核基點位置選擇有些困難，根據(jù)現(xiàn)場的地理位置，在滿足《土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(SL 60—94)的基礎(chǔ)上選定。

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

b. 校核基點。建在山體穩(wěn)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(jié)構(gòu)及埋設(shè)要求與工作基點相同。

c. 變形監(jiān)測點。測點采用墩式結(jié)構(gòu)，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(shè)有強制對中底盤，其對中誤差均應(yīng)小于0.2mm。

4.3監(jiān)測方法

a. 水平位移控制網(wǎng)、監(jiān)測網(wǎng)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(wǎng)。用全站儀進行基點的水平坐標定位。監(jiān)測網(wǎng)由主壩兩端的工作基點及壩上9個水平位移監(jiān)測點組成。9個水平位移監(jiān)測點在原位置恢復(fù)。

b. 水平位移監(jiān)測方法。將全站儀布設(shè)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(jiān)測及記錄，采集的數(shù)據(jù)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(jiān)測方法。用數(shù)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(jiān)測。

4.4變形觀測軟件

b. 數(shù)據(jù)庫管理功能。包括數(shù)據(jù)修改以及人工數(shù)據(jù)添加處理、數(shù)據(jù)顯示以及打印設(shè)置、動態(tài)更新數(shù)據(jù)庫等功能。有權(quán)限的用戶可在網(wǎng)絡(luò)計算機上使用Excel報表編輯器編輯、修改、打印數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，支持用戶二次開發(fā)。

c. 查詢檢索。查詢檢索大壩位移歷史及實時數(shù)據(jù)。

d. 數(shù)據(jù)分析功能。根據(jù)測量的數(shù)據(jù)對大壩安全情況進行客觀分析，得出大壩安全情況的結(jié)論。

5內(nèi)部滲流監(jiān)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(shè)

本研究在水庫原有10個完好測點基礎(chǔ)上，增設(shè)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(xiàn)自動化監(jiān)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(yōu)勢，在飛行器定位等有著廣泛的應(yīng)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(fù)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(jiān)測斷面設(shè)5個測點，共計10個測點，測壓管內(nèi)安裝滲壓計進行壩體壩基滲流壓力監(jiān)測。

b. 在原點號201、202、203、291、292、293共6個繞壩滲流測點的右側(cè)，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(jiān)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(cè)，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(jiān)測。

5.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組網(wǎng)方案

水庫大壩長達510m，大壩與溢洪道分離布設(shè)，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(xiàn)無遮擋通視。

本研究采用分層分布開放式結(jié)構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)方式構(gòu)建系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分層分布式結(jié)構(gòu)是當今大壩自動化觀測系統(tǒng)中普遍應(yīng)用的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，即將系統(tǒng)劃分為信號采集層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)處理層、展示層，層與層之間通過先進的總線式結(jié)構(gòu)、數(shù)字化數(shù)據(jù)傳輸、處理與展示實現(xiàn)高穩(wěn)定、高可靠、高性能的監(jiān)測系統(tǒng)，直接減少接線數(shù)量、節(jié)點數(shù)量、線路長度，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_能力和數(shù)據(jù)分析效率。

采用無線傳輸組網(wǎng)方案，隨著現(xiàn)代通訊技術(shù)的發(fā)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(shè)有線線路，避免了敷設(shè)線路引起的資源耗費，可大大降低工程建設(shè)投資與運行管理費用。同時，由于無線傳輸為全數(shù)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(wěn)、雷電對設(shè)備影響等問題。此外，配合微功耗設(shè)計，系統(tǒng)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(zhì)量對設(shè)備的影響問題，特別適用于外部自然環(huán)境惡劣、電源質(zhì)量不高、對大壩主體完好程度要求很高的水庫大壩監(jiān)測系統(tǒng)。因此，主采集終端(無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器)設(shè)于壩上管理樓內(nèi)，各大壩測點設(shè)無線網(wǎng)絡(luò)滲壓傳感器，監(jiān)測數(shù)據(jù)采用無線IP網(wǎng)方式傳輸至此，最終數(shù)據(jù)均匯集到壩上管理樓，實現(xiàn)入庫、處理、分析與輸出，同時利用水庫管理局局域網(wǎng)實現(xiàn)共享。

5.3系統(tǒng)功能

監(jiān)測中心站使用無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器連接安全監(jiān)測計算機，通過配置監(jiān)控和系統(tǒng)軟件可以實現(xiàn)自動數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)本地存儲、遠程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)(GPRS/SMS)、數(shù)據(jù)統(tǒng)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(shù)據(jù)采集。中心可以設(shè)置定時巡測時間、巡測間隔，選測數(shù)據(jù)采集終端和監(jiān)測傳感器，可以設(shè)置數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集站，以保證數(shù)據(jù)采集站內(nèi)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(fā)命令，讀取數(shù)據(jù)采集站當前的數(shù)據(jù)；可通過中心站計算機下發(fā)命令，讀取數(shù)據(jù)采集站內(nèi)特定日期的自記數(shù)據(jù)；可通過中心站計算機下發(fā)命令，向數(shù)據(jù)采集站寫入采集數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)的時間控制參數(shù)等。

b. 采集數(shù)據(jù)的處理。將數(shù)據(jù)幀的地址信息轉(zhuǎn)化為特定的點號、站名；將一幀中多個采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為最小采集數(shù)據(jù)單元；對采集數(shù)據(jù)進行率定；合成新的采集數(shù)據(jù)，比如測壓管水位加入海拔高程，根據(jù)水庫水位合成庫容數(shù)據(jù)，由水位、閘位數(shù)據(jù)合成流量數(shù)據(jù)等。對異常數(shù)據(jù)按照設(shè)計標準進行排異處理，實時了解壩體和設(shè)備的運行狀態(tài)。

c. 采集數(shù)據(jù)存儲。將處理過的采集數(shù)據(jù)存入采集數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)入庫有以下幾種方式：?周期方式：每間隔設(shè)定的時間周期，定時向數(shù)據(jù)庫寫入采集數(shù)據(jù)；采用該種方式寫入數(shù)據(jù)庫的參數(shù)有滲壓、滲流量、水位、流量等；?事件觸發(fā)方式：當一個采集參數(shù)發(fā)生一定量的變化時，將該采集數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫；采用該種方式寫數(shù)據(jù)庫的參數(shù)有水位數(shù)據(jù)、報警數(shù)據(jù)等；?二者結(jié)合方式：當采集參數(shù)發(fā)生變化時，將該采集數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫。當在一定時間間隔內(nèi)沒有產(chǎn)生入庫條件時，以周期方式寫數(shù)據(jù)庫。

6分析評價系統(tǒng)

監(jiān)測系統(tǒng)是數(shù)據(jù)來源的基礎(chǔ)，分析評價系統(tǒng)則是大壩安全監(jiān)測的核心。系統(tǒng)實現(xiàn)了對監(jiān)測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)分析與安全評價，為水庫管理人員提供實時信息。系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)管理、查詢顯示、壩體平面、斷面分析、數(shù)據(jù)分析和安全評價等十余項功能。其中壩體平面監(jiān)測實現(xiàn)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(shù)據(jù)。用戶還可以通過選擇來指定歷史觀測數(shù)據(jù)進行顯示。浸潤線分析實現(xiàn)了對大壩斷面觀測點的顯示，并繪制相應(yīng)的設(shè)計浸潤線和實測單位線，窗體中可顯示各測點觀測值。系統(tǒng)界面如圖1、下頁圖2所示。

圖1　壩體平面監(jiān)測界面

圖2　浸潤線分析界面

7結(jié)語

本研究通過現(xiàn)代化的技術(shù)手段實現(xiàn)了水庫控制運用管理的現(xiàn)代化、信息化綜合支持，完成了宮山嘴水庫外部變形監(jiān)測系統(tǒng)和內(nèi)部滲流監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)，分別實現(xiàn)了大壩外部變形與內(nèi)部滲流的數(shù)據(jù)分析與安全評價。水庫管理人員通過該系統(tǒng)可實時了解水庫當前安全狀態(tài)和變化趨勢，實現(xiàn)對水庫的健康管理，充分發(fā)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(tǒng)的人工觀測方法，為水庫的管理水平帶來了質(zhì)的飛躍。

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