上游式尾礦壩在線安全監(jiān)測技術(shù)淺析

施燦海　朱星嫣　殷小林　楊健

摘 要：本文以上游式尾礦壩為研究對象，主要從尾礦庫壩體位移、滲流、庫水位、干灘、降水量、庫區(qū)監(jiān)控和在線安全監(jiān)測系統(tǒng)集成幾個方面進行簡述，同時給出尾礦庫在線安全監(jiān)測案例。

關(guān)鍵詞：尾礦壩；安全；在線安全監(jiān)測技術(shù)

中圖分類號： TV698 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）17-157-2

0 引言

上游式尾礦壩是我國尾礦庫常用壩型，但該筑壩方式具有壩體穩(wěn)定性差、浸潤線偏高、抗震性能較弱等特征[1]，因而其安全問題一直備受關(guān)注。早在上世紀(jì)80年代，冶金工業(yè)部礦山生產(chǎn)技術(shù)司就已提出，對于尾礦庫內(nèi)水位、浸潤線、滲水量及壩體位移等監(jiān)測工作，引進自動監(jiān)控、自動分析、自動報警技術(shù)，維護尾礦壩穩(wěn)定性，確保壩下人民生命財產(chǎn)安全，無疑是十分需要的[2]?！段驳V庫安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（AQ2030-2010）規(guī)定，三等及以上尾礦庫應(yīng)安裝，四等宜安裝在線監(jiān)測系統(tǒng)。《尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（GB51108-2015）統(tǒng)一了在線安全監(jiān)測系統(tǒng)工程技術(shù)要求。

近年來，研究人員對尾礦庫在線安全監(jiān)測技術(shù)進行了大量研究，取得較多的成果。李全明[3]等人分析了尾礦庫安全監(jiān)測的關(guān)鍵點，趙立群[4]將TD Safe 2000應(yīng)用于云南磷化集團石頭山尾礦庫和馬屋菁尾礦庫安全在線監(jiān)測，王利崗[5]等人研究了基于ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)的在線監(jiān)測系統(tǒng)。

尾礦壩在線安全監(jiān)測技術(shù)能夠及時掌握運行情況，增強事故預(yù)警能力，保障尾礦庫運行的安全性。本文圍繞上游式尾礦壩在線安全監(jiān)測技術(shù)進行論述。

1 在線安全監(jiān)測技術(shù)

1.1 位移監(jiān)測

壩體位移監(jiān)測可按測點位置分為表面和內(nèi)部位移監(jiān)測；按測量功能分為水平、垂直及三維位移監(jiān)測[6]。表面位移監(jiān)測技術(shù)包括GPS監(jiān)測技術(shù)和高精度智能全站儀技術(shù)，前者在實際工程中應(yīng)用廣泛，后者管理維護方便且監(jiān)測精度較高，但因監(jiān)測成本高、受地形等因素影響而較少采用。內(nèi)部位移監(jiān)測采用滑輪式測斜儀和單點沉降儀。

1.2 滲流監(jiān)測

滲流監(jiān)測采用振弦式和光纖滲壓式傳感器兩種類型，利用孔隙水壓力傳感器獲得浸潤線和滲流壓力，滲流量采用電子流量計進行監(jiān)測。

光纖滲壓式屬不帶電作業(yè)但因其傳輸線纜屬于單模鎧裝光纜，堆積壩沉降量大時容易彎折；振弦式因?qū)賻щ娮鳂I(yè)而需做好防雷設(shè)計。

1.3 庫水位監(jiān)測

庫水位監(jiān)測采用超聲波液位計或滲壓計。根據(jù)超聲波反射原理獲得水面與液位間距離，再按超聲波液位計安全位置標(biāo)高換算得水面標(biāo)高。

實際工程中，常采用排水井井架上標(biāo)注高程或設(shè)置水位標(biāo)尺，再利用庫區(qū)監(jiān)控設(shè)備對庫水位進行在線監(jiān)測。

1.4 干灘監(jiān)測

干灘監(jiān)測采用自動和人工相結(jié)合的方式，自動監(jiān)測可采用免棱鏡激光測距儀、超聲波測距儀等設(shè)備。干灘長度監(jiān)測采用圖像拍攝的方法獲得尾礦壩相關(guān)信息，分析計算出干灘長度。安全超高通過灘頂高程與特征點高程信息計算得到。

1.5 降水量監(jiān)測

汛期降水量的監(jiān)測十分重要，它是尾礦庫防洪能力調(diào)節(jié)的原始指標(biāo)。雨量過大過急而調(diào)洪能力有限時，應(yīng)采取相應(yīng)措施。降水量監(jiān)測可選用自記雨量計、遙測雨量計或自動測報雨量計等。

1.6 庫區(qū)監(jiān)控

庫區(qū)視頻監(jiān)控可減少人工庫區(qū)日常巡檢工作量，實時掌握庫區(qū)運行狀況。在壩體、灘頂放礦處、壩體下游坡、庫尾攔洪壩等重要部位設(shè)置視頻監(jiān)控，通過現(xiàn)場攝像及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，在主控制機能高清觀察尾礦庫生產(chǎn)放礦及筑壩等運行情況，還可作為現(xiàn)場調(diào)度管理的有效手段。

1.7 在線安全監(jiān)測系統(tǒng)集成

尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)集成應(yīng)包括通信系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、防雷網(wǎng)絡(luò)敷設(shè)及系統(tǒng)平臺安裝調(diào)試等。通訊系統(tǒng)應(yīng)采用RS232、RS485/422A、TCP/IP等國際標(biāo)準(zhǔn)的通信接口和協(xié)議。供電電源可采用普通電源、不間斷電源或太陽能供電等。近年來，風(fēng)光互補供電系統(tǒng)被常用于監(jiān)測系統(tǒng)儀器設(shè)備的供電電源。太陽能供電應(yīng)符合以下條件：①采用單晶硅太陽能電池組件，轉(zhuǎn)換率不宜低于16%；②太陽能控制器工作電壓宜為12V，最大充電電流不宜低于10A；③蓄電池容量應(yīng)滿足連續(xù)72h陰雨天氣情況下設(shè)備不停運行的需要。另外，集成電源容量為供電設(shè)計負荷的1.2～1.5倍，并設(shè)置電氣保護和接地裝置，接地電阻應(yīng)小于4Ω。防雷設(shè)計應(yīng)符合相關(guān)規(guī)范要求。

2 上游式尾礦壩在線安全監(jiān)測案例

云南省某銅礦山尾礦庫初期壩為均質(zhì)土壩，底標(biāo)高1431m，頂標(biāo)高1446m，高15m，頂長120m，內(nèi)坡比1：2.5、外坡比1：2.5～2.75。尾礦庫從1446m采用上游式尾礦筑壩法。閉庫標(biāo)高1494m，堆壩高48m，總壩高63m，庫容1682萬m3，設(shè)計等級為三等。該尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)采用DT尾礦庫安全自動化監(jiān)測系統(tǒng)，主要監(jiān)測內(nèi)容及布置如下：

2.1 位移監(jiān)測

表面位移監(jiān)測從初期壩開始，以此往上布置，共6組24個監(jiān)測點，另加壩體兩側(cè)3個參考點，總設(shè)27個GPS點。GPS觀測點按尾礦庫壩體的需要選定，解算軟件采用國際領(lǐng)先的擁有kalman濾波三差固定解的GPSensor核心解算模塊。

監(jiān)測精度：水平中誤差<3mm，高程中誤差<5mm。采樣精度：15min采集一次，實現(xiàn)遠程大數(shù)據(jù)包傳輸，實現(xiàn)各監(jiān)測點的首次、上次、本次數(shù)據(jù)的比對功能及位移速度、方向的分析。

內(nèi)部位移監(jiān)測采用測斜儀，和GPS點安置在一起，共24個點。

2.2 浸潤線監(jiān)測

將電子滲壓計布設(shè)在觀測孔內(nèi)，定期自動采集數(shù)據(jù)并傳輸?shù)奖O(jiān)控中心進行顯示和存儲。

觀測管材質(zhì)采用厚壁150mm鋼管，測量誤差<±3cm。單點平均無故障時間：1a以上；系統(tǒng)平均無故障時間：90d以上。實現(xiàn)浸潤線“當(dāng)前埋深、孔深、預(yù)警埋深、探頭埋深”數(shù)據(jù)，以圖形方式顯示，快速掌握觀測孔水位情況。

2.3 降水量監(jiān)測

虹吸式的雨量計，自動記錄降水量并傳輸至監(jiān)測系統(tǒng)軟件。尾礦庫管理人員可通過遠程登錄對庫區(qū)降水量進行監(jiān)測。2.4 庫區(qū)監(jiān)控

根據(jù)尾礦庫現(xiàn)場情況，布置3臺攝像頭，系統(tǒng)采用高清網(wǎng)絡(luò)攝像機，并配備室外重型云臺+長焦遠距離鏡頭，紅外夜視攝像機完成夜間及遠處目標(biāo)監(jiān)控。在尾礦壩架設(shè)紅外夜視云臺攝相機，并安裝大功率激光紅外燈。

2.5 系統(tǒng)通訊設(shè)計

①各監(jiān)測設(shè)備（傳感器）到現(xiàn)場值班室的通訊設(shè)計；②現(xiàn)場值班室到辦公樓監(jiān)控中心（調(diào)度室）的通訊設(shè)計。各監(jiān)測設(shè)備（傳感器）到現(xiàn)場值班室的數(shù)據(jù)傳輸采用無線網(wǎng)橋（3km）方式，減少庫區(qū)和壩體的土方開挖，節(jié)約建設(shè)成本；現(xiàn)場值班室通過無線網(wǎng)橋（15km）進行網(wǎng)絡(luò)報警和監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)布。

各項監(jiān)測指標(biāo)數(shù)據(jù)流向：①尾礦庫位移監(jiān)測的數(shù)據(jù)通信：GPS天線→GPS接收機→232-422轉(zhuǎn)換器→串口服務(wù)器→無線網(wǎng)橋→現(xiàn)場值班室；②浸潤線監(jiān)測的數(shù)據(jù)通信：滲壓計→采集儀→232-422轉(zhuǎn)換器→串口服務(wù)器→無線網(wǎng)橋→現(xiàn)場值班室；③降水量監(jiān)測的數(shù)據(jù)通信：雨量計→現(xiàn)場值班室；④庫區(qū)監(jiān)控的數(shù)據(jù)通信：視頻→232-422轉(zhuǎn)換器→串口服務(wù)器→無線網(wǎng)橋→現(xiàn)場值班室。

2.6 系統(tǒng)防雷設(shè)計

系統(tǒng)防雷設(shè)計包括直擊雷防護、電源線路防雷保護、通訊線路防雷保護以及接地系統(tǒng)。

2.7 系統(tǒng)供電設(shè)計

因庫區(qū)分布大，市電牽引困難，且不利于防雷，所以現(xiàn)場尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)采用50W的太陽能電池板和100Ah的蓄電池組成聯(lián)合供電系統(tǒng)。

3 結(jié)語

綜上所述，在線安全監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于上游式尾礦壩，能夠及時發(fā)現(xiàn)不正?，F(xiàn)象并提出警示，評估結(jié)構(gòu)的可靠性，為尾礦庫的管理與維護提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

參 考 文 獻

[1] 路榮博，王濤.上游法尾礦庫潰壩事故致因分析及安全管理技術(shù)研究[J].長江科學(xué)院院報，2009，26（增）：117.

[2] 曹汝杰，王柏純，等.尾礦壩安全穩(wěn)定性技術(shù)調(diào)查報告

[M].北京：冶金工業(yè)部礦山生產(chǎn)技術(shù)司，1987：32.

[3] 李明全，謝旭陽，陳守仁，等.尾礦庫安全監(jiān)測關(guān)鍵點[J].勞動保護，2008（12）：97-99.

[4] 趙立群.TD Safe 2000 尾礦庫安全在線監(jiān)測系統(tǒng)[J].有色金屬設(shè)計，2013（1）：1-6.

[5] 王利崗，張達，等.某尾礦庫基于ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)的在線監(jiān)測系統(tǒng)[J].有色金屬工程，2014（4）：74-77.

[6] 陳善剛，蘇軍，袁子清，等.尾礦庫安全在線監(jiān)測技術(shù)探討[J].有色金屬（選礦部分），2011（3）：64-67.