淺談戶主水庫滲流監(jiān)測設(shè)施自動化升級改造

位海洪 張 濤 李祥銀

(山東省滕州市戶主水庫管理所， 山東 滕州 277533)

淺談戶主水庫滲流監(jiān)測設(shè)施自動化升級改造

位海洪 張 濤 李祥銀

(山東省滕州市戶主水庫管理所， 山東 滕州 277533)

滲流監(jiān)測是大壩安全監(jiān)測的重要內(nèi)容之一,滲流監(jiān)測的成果對大壩的安全性、穩(wěn)定性分析有著重要的作用。本文介紹了戶主水庫滲流監(jiān)測設(shè)施自動化改造的必要性,提出了戶主水庫滲流監(jiān)測系統(tǒng)的自動化改造方案和效果。

戶主水庫； 滲流設(shè)施； 自動化； 改造

1 工程概況

戶主水庫位于淮河流域南四湖水系城河支流鄉(xiāng)河上游，距滕州市區(qū)17km，流域面積44km2，總庫容2026萬m3，興利庫容1110萬m3，是一座以防洪為主，農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)供水等綜合利用的全國防洪重點(diǎn)中型水庫。2010年完成除險加固任務(wù)，水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)由500年一遇提高到2000年一遇。

水庫樞紐工程由主壩、副壩、溢洪道、東西兩放水洞等五個主要部分組成。大壩為土質(zhì)防滲體分區(qū)壩，壩長1087m，最大壩高16m，頂寬7m，壩頂高程127.00m(85高程系，下同)，防浪墻頂高程127.80m。副壩為均質(zhì)壩，壩長20m，最大壩高4.6m，頂寬7m，壩頂高程127.99m。設(shè)有三孔溢洪閘泄洪。溢洪閘溢流堰高程120.00m。東、西放水洞底高程均為115.78m，兩放水洞最大流量9.43m3/s。

水庫的防洪效益主要是保護(hù)位于滕州城區(qū)及東郭鎮(zhèn)等13個鄉(xiāng)鎮(zhèn)、326個村莊、47.6萬人、26.2萬畝耕地、京滬高速鐵路、京臺高速公路、京滬鐵路、省道241公路、104國道、西氣東輸冀寧支線、魯皖成品油管道、國電滕州500kV開關(guān)站和大量工礦企業(yè)免受洪澇災(zāi)害威脅。

2 滲流監(jiān)測設(shè)施自動化升級改造的必要性

大壩安全監(jiān)測設(shè)施是水庫大壩安全性態(tài)監(jiān)測的耳目，滲流觀測對于土石壩安全而言，尤為重要。戶主水庫始建于1959年，當(dāng)時正是三年困難時期，是以工代賑項(xiàng)目。水庫經(jīng)除險加固后，防洪蓄水能力顯著提高，工程面貌煥然一新，管理水平也不斷上層次。戶主水庫管理所于2014年3月被評為省二級水利工程管理單位。但在近幾年管理中，不斷發(fā)現(xiàn)一些工程建設(shè)硬件已不適應(yīng)現(xiàn)代化管理的發(fā)展要求，因此需要更新改造進(jìn)一步完善。其中，戶主水庫滲流監(jiān)測設(shè)施就非常落后，采用的是人工觀測。由于人工觀測速度慢，工作量大，受天氣影響，觀測精度低，只能進(jìn)行簡單的數(shù)據(jù)資料整編，不能及時對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，不能即時直觀得到大壩的運(yùn)行狀態(tài)，不滿足《土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(SL 551—2012)要求，不適應(yīng)現(xiàn)代化管理的需要。因此，對水庫進(jìn)行以滲流監(jiān)測設(shè)施自動化升級改造，建立健全大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)，適應(yīng)現(xiàn)代化進(jìn)程非常有必要。

3 滲流監(jiān)測設(shè)施自動化升級改造建設(shè)方案

改造方案立足于滿足土石壩自動化監(jiān)測規(guī)范的要求，充分利用原有條件，盡量減少改造費(fèi)用。

3.1 主要內(nèi)容

安設(shè)振弦式壓力滲壓計28套；MCU2個；振弦式儀器采集模塊4個；監(jiān)測主機(jī)1臺；電臺1臺；中控儀1臺；8芯單模室外光纜1200m；四芯水工電纜5000m；數(shù)據(jù)采集、整編、分析軟件各1套。

3.2 可利用條件

原28根測壓管基本完好(有兩根有淤堵，需要清管)。為保證數(shù)據(jù)的連續(xù)觀測，決定充分利用原有測壓管，不再改變滲壓計的埋設(shè)位置。這樣，減少了重新鉆孔和測壓管的埋設(shè)費(fèi)用。

3.3 布線

MCU放置在需要接入28支滲壓計接線最短的合適位置，同時，盡量減少電纜溝的開挖長度，充分保障多電纜共管。

電纜溝：埋設(shè)深度不小于30cm，盡量減少對壩面的破壞，回填后恢復(fù)原樣。

穿線管：支線用PVC穿線管，主線用PE 5×32的梅花穿線管，在主線上每隔50m或適當(dāng)位置做電纜檢修井。上游電纜穿管后置于防浪墻根部，集中到對齊MCU的安裝位置后穿過壩頂和防浪墻，進(jìn)入MCU保護(hù)箱。

橋架：溢洪道所有電纜進(jìn)橋架走線，具體橋架安裝，根據(jù)現(xiàn)場地形調(diào)整。中控室樓外墻電纜安裝橋架。

3.4 傳感器安裝

更換全部測壓管內(nèi)的水位傳感器，共28支。目前滲壓計的技術(shù)、工藝都比較成熟，從采購成本上來說，建議采用國產(chǎn)振弦式壓力滲壓計，達(dá)到以下技術(shù)指標(biāo)的要求：量程0.35MPa;分辨率0.05%/F.S;精度<±0.5;溫度測量范圍-20℃～+60℃。

滲壓計(見圖1)雖經(jīng)室內(nèi)的檢測，為防止在運(yùn)輸、裝卸過程中儀器損壞，當(dāng)儀器設(shè)備運(yùn)抵現(xiàn)場后，必須做細(xì)心的檢驗(yàn)，其主要內(nèi)容：出廠時的儀器資料、參數(shù)卡片是否齊全、儀器數(shù)量與發(fā)貨單是否一致；仔細(xì)查看儀器外部有無損傷痕跡、斑銹等；用萬用表測量儀器線路有無短線；用二次儀表測試儀器的測值是否正常。檢驗(yàn)合格的滲壓計才能安裝使用。

圖1 滲壓計

圖2 包裹后滲壓計

滲壓計儀器安裝時，要提前一天將需安裝的滲壓計泡在水中，超過24h用土工布將滲壓計的測頭包裹，然后在自然不受壓的狀態(tài)下讀出滲壓計的空值(埋設(shè)前的讀數(shù))模數(shù)和溫度并記錄；用專用接線管接線，把不銹鋼絲固定在滲壓計測頭上，隨同電纜一起放入測壓管內(nèi)，測頭到管底后上提幾十厘米，記錄有關(guān)數(shù)據(jù)。所有有關(guān)安裝滲壓計時的數(shù)據(jù)，記錄在“振弦式孔隙水壓力計埋設(shè)考證表”上；儀器安裝后觀測是對儀器在安裝后的一種檢驗(yàn)，可以檢查儀器在安裝過程中有無損壞以及儀器安裝后性能有無變化等。

3.5 自動化采集單元(MCU)安裝及設(shè)置

根據(jù)測壓管位置、滲壓計布線，考慮綜合成本及施工的難易程度，設(shè)計兩臺MCU設(shè)備，分別接入15支滲壓計和13支滲壓計。MCU固定放置于下游壩頂適當(dāng)位置，安裝位置以接入電纜最短為原則。兩臺MCU用一根光纜連接后，再用一根光纜接入到控制室監(jiān)控計算機(jī)。

a. MCU安裝。安裝2個MCU箱，1號MCU箱安裝在0+100斷面不銹鋼保護(hù)箱內(nèi)；2號MCU箱安裝在0+600斷面的不銹鋼保護(hù)箱內(nèi)(見圖3)。

圖3 MCU安裝

b. MCU數(shù)據(jù)采集。MCU可以正常采集各傳感器的數(shù)據(jù)。設(shè)置為每天8點(diǎn)自動采集一次數(shù)據(jù)并保存在MCU內(nèi)，MCU可以至少保存3年的數(shù)據(jù)。模塊接入MCU箱內(nèi)如圖4所示，MCU設(shè)置如圖5所示，MCU采集到滲壓計數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖4 模塊接入MCU箱內(nèi)

圖5 MCU設(shè)置

c.通信連接。光纜：從中控室機(jī)房有1根8芯光纜通到MCU1，其中4芯通入機(jī)房，另外4芯對接，接入MCU2，這樣，MCU1、MCU2都有4芯直達(dá)機(jī)房，MCU1和MCU2之間也有4芯相通，如圖7所示。

光端機(jī)：接好跳線，光端機(jī)上電，通信成功。

d.數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采集與存儲、整編與分析。在計算機(jī)上安裝采集軟件，并設(shè)置好有關(guān)的參數(shù)，對2個MCU進(jìn)行遠(yuǎn)程的控制，達(dá)到實(shí)時召測、定時采集、離線數(shù)據(jù)采集的功能(圖8)。

圖7 通信連接示意圖

圖8 計算機(jī)與2個MCU通信正常、數(shù)據(jù)采集到計算機(jī)

e.水位實(shí)時數(shù)據(jù)獲取。水庫實(shí)時水位用超短波電臺將數(shù)據(jù)發(fā)送出來，在中控室用電臺接收。在不改變原有水位采集系統(tǒng)的情況下，同時接收水位信號。因此，在中控室安裝1臺超短波電臺、1臺中控儀將水位數(shù)據(jù)同步接收進(jìn)大壩安全監(jiān)測計算機(jī)內(nèi)。

3.6 安裝信息管理軟件

在戶主水庫管理所中控室設(shè)置1臺大壩監(jiān)測專用計算機(jī)主機(jī)，安裝大壩監(jiān)測信息管理軟件，系統(tǒng)采用“中心管理、多端瀏覽” 的結(jié)構(gòu)，其中，中心管理是指在戶主水庫，負(fù)責(zé)大壩的安全監(jiān)控；多端瀏覽是指對大壩安全監(jiān)測信息進(jìn)行局域網(wǎng)內(nèi)以及遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)查詢。系統(tǒng)軟件總體以分析評價為核心，由遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸、大壩安全監(jiān)控、運(yùn)行監(jiān)管、大壩信息管理、系統(tǒng)信息管理等五大模塊組成。各項(xiàng)功能主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)整編、過程線及壩體浸潤線實(shí)時繪制、報表編制、GPRS/GPS的大壩智能巡檢系統(tǒng)、監(jiān)測傳感器的動態(tài)管理、異常值報警、大壩安全診斷分析、大壩運(yùn)行監(jiān)管、年度報告、數(shù)據(jù)集中備份、多端瀏覽。

系統(tǒng)以網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫等信息技術(shù)為基礎(chǔ)，以大壩空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)為核心，將屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)有機(jī)關(guān)聯(lián)，對大壩數(shù)據(jù)進(jìn)行有效管理和綜合分析，通過強(qiáng)大的信息處理功能使查詢及統(tǒng)計結(jié)果以地圖、文本、圖表的形式直觀、生動地顯示。

4 結(jié) 語

滲流監(jiān)測設(shè)施自動化升級改造實(shí)施后，使大壩安全管理工作步入先進(jìn)、科學(xué)、規(guī)范的軌道。具體體現(xiàn)在：?對大壩滲流觀測數(shù)據(jù)管理更加有序。改造前，觀測采用人工方式，數(shù)據(jù)處理分析存在嚴(yán)重的滯后現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測自動化后數(shù)據(jù)采集、儲存、計算、分析整個過程緊密銜接，能夠及時、準(zhǔn)確反映出大壩安全運(yùn)行工況，為主管部門科學(xué)決策提供依據(jù)，提高了水庫工程管理的效率和質(zhì)量；?大幅降低觀測人員野外工作時間。改造前，觀測作業(yè)受外界野外條件影響程度大，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測自動化后，減少了觀測人員在野外惡劣環(huán)境下的工作時間，充分體現(xiàn)了以人為本的思想；?滲流自動化監(jiān)測功能和性能滿足“無人值班、少人值守”的要求，具有快速、準(zhǔn)確、方便、全天候等優(yōu)點(diǎn)，也是大壩科學(xué)監(jiān)測的主要發(fā)展方向，其已成為水庫實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化規(guī)范管理的必要條件。

Introduction to automation upgrading and reconstruction of seepage monitoring facilities in Huzhu Reservoir

WEI Haihong, ZHANG Tao, LI Xiangyin

(ShandongTengzhouHuzhuReservoirManagementOffice,Tengzhou277533,China)

Seepage monitoring is one of the important contents of dam safety monitoring. The results of seepage monitoring have important role for dam safety and stability analysis. In the paper, the necessity of automation reconstruction of seepage monitoring facilities in Huzhu Reservoir is introduced. Automation reconstruction plans and effects of seepage monitoring systems in Huzhu Reservoir are proposed.

Huzhu Reservoir; seepage facilities; automation; reconstruction

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.07.015

TV62+1

B

1005-4774(2017)07- 0055- 05