西藏旁多水利樞紐工程安全監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀與展望

尹正宇，次仁卓瑪，周斌山，卜 雷，旦增羅布，段 丹

（西藏自治區(qū)旁多水利樞紐管理局，850000，拉薩）

一、工程概況

“十一五”重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目旁多水利樞紐地處西藏自治區(qū)拉薩河源頭，是拉薩河流域的骨干性控制工程，也是拉薩河干流水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)的龍頭水庫(kù)，壩址位于林周縣旁多鄉(xiāng)，工程總投資45.69億元，水庫(kù)總庫(kù)容12.26億m3，總裝機(jī)容量160MW（4臺(tái)）。工程等級(jí)為Ⅰ等大（1）型，由瀝青混凝土心墻砂礫石壩、泄洪洞、泄洪兼導(dǎo)流洞、發(fā)電引水系統(tǒng)、發(fā)電廠房和灌溉輸水洞等建筑物組成。

二、工程安全監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀

旁多水利樞紐是以灌溉、發(fā)電為主，兼顧防洪和供水綜合利用的樞紐工程，為保證樞紐工程安全運(yùn)行，綜合效益能充分發(fā)揮，建立科學(xué)完善的樞紐工程安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是十分必要的。

1.安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)

（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

旁多水利樞紐安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)采用混合式布置。根據(jù)工程特點(diǎn)，在分系統(tǒng)中采用集中式，整個(gè)系統(tǒng)連接分系統(tǒng)時(shí)采用分布式。各建筑物的數(shù)據(jù)采集裝置(DAU）或傳感器共享總線，總線上只布設(shè)一個(gè)主機(jī)與集中控制樞紐與分散控制單元連接。

旁多水利樞紐安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)包括大壩及高邊坡內(nèi)觀安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、大壩及高邊坡外觀安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（GNSS）和大壩強(qiáng)震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)3個(gè)子系統(tǒng)。3個(gè)子系統(tǒng)相互獨(dú)立運(yùn)行，互不影響，協(xié)同監(jiān)測(cè)，是本工程安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)不可或缺的重要內(nèi)容，各自為旁多大壩和高邊坡穩(wěn)定提供實(shí)時(shí)精確的監(jiān)測(cè)原始數(shù)據(jù)。

根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)儀器和設(shè)備的實(shí)際布置情況，安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用RS485(光纖)和無(wú)線超短波通信方式的混合通信方式。本工程安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

（2）系統(tǒng)功能

本工程安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用C/S和B/S混合結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)采集服務(wù)程序在服務(wù)器上運(yùn)行，其他部分監(jiān)測(cè)人員通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器相連，即可通過(guò)給定的IP和用戶名訪問(wèn)。系統(tǒng)支持單機(jī)、工作組和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行方式，可以與局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)互聯(lián)，數(shù)據(jù)庫(kù)與其他數(shù)據(jù)庫(kù)兼容，為其他系統(tǒng)預(yù)留數(shù)據(jù)接口或供其直接使用。監(jiān)測(cè)人員可以遠(yuǎn)程控制數(shù)據(jù)采集、顯示測(cè)量數(shù)據(jù)，并可將測(cè)量數(shù)據(jù)直接保存至服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中。具體功能如下。

①數(shù)據(jù)采集功能。系統(tǒng)擁有數(shù)種采集方式（單點(diǎn)、巡回、定時(shí)測(cè)量，并可在測(cè)量控制單元上進(jìn)行人工測(cè)讀）和測(cè)量控制方式 （應(yīng)答式和自報(bào)式，兩種方式均能采集各類傳感器數(shù)據(jù)。對(duì)每支傳感器均能設(shè)置警戒值，測(cè)讀數(shù)據(jù)超過(guò)警戒值時(shí)系統(tǒng)能夠進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警）。

②信息管理功能。對(duì)系統(tǒng)采集的監(jiān)測(cè)資料及其分析成果，有關(guān)安全的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行等資料進(jìn)行全面科學(xué)有序管理，實(shí)時(shí)展示監(jiān)測(cè)平面布置圖、過(guò)程曲線、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分布圖、監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)平面布置圖、報(bào)警窗口等。

③數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)和備份功能。各測(cè)控單元均配備蓄電池，在系統(tǒng)供電中斷的情況下，保證現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控單元至少能連續(xù)工作3天，確保系統(tǒng)內(nèi)存數(shù)據(jù)與參數(shù)不丟失。

④自檢功能。系統(tǒng)具有自檢能力，能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀器設(shè)備設(shè)施進(jìn)行定時(shí)檢查，并實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和故障信息，便于及時(shí)維護(hù)。

⑤網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)功能。系統(tǒng)配有防火墻等裝置，以確保系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全；設(shè)置多級(jí)用戶管理有效保障系統(tǒng)安全。

2.監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工程主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有：壩體變形監(jiān)測(cè)，包括內(nèi)部、外部變形，混凝土防滲墻監(jiān)測(cè)，瀝青心墻監(jiān)測(cè)；滲流監(jiān)測(cè)；引水洞安全監(jiān)測(cè)；泄洪兼導(dǎo)流洞安全監(jiān)測(cè)；灌溉輸水洞安全監(jiān)測(cè)；高邊坡安全監(jiān)測(cè)；強(qiáng)震監(jiān)測(cè)；工程安全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)；巡視檢查。

主要外觀監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有：位移監(jiān)測(cè)（GPS）、精密水準(zhǔn)基點(diǎn)、大壩迎水面臨時(shí)水平位移監(jiān)測(cè)。

為保證工程施工安全和運(yùn)行穩(wěn)定，在大壩壩體、泄洪兼導(dǎo)流洞、引水主洞、引水1號(hào)支洞、引水3號(hào)支洞、輸水灌溉洞出口鉆爆段、廠房后邊坡、泄洪兼導(dǎo)流洞邊坡及泄洪洞邊坡，布置了系統(tǒng)的安全監(jiān)測(cè)設(shè)施。各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目?jī)?nèi)容及監(jiān)測(cè)儀器如表1。

3.監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀

內(nèi)觀監(jiān)測(cè)主要布置在壩縱0+331.00 m、壩縱0+522.00和壩縱0+755.00 m 3個(gè)主要斷面，另有壩縱0+127.00 m輔助監(jiān)測(cè)斷面；泄洪兼導(dǎo)流洞安全監(jiān)測(cè)主要設(shè)置有進(jìn)口K0+120.00 m和出口K0+610.00 m監(jiān)測(cè)斷面；引水發(fā)電系統(tǒng)安全監(jiān)測(cè)主要設(shè)置有引水發(fā)電洞的引0+060.00 m監(jiān)測(cè)斷面、引0+294.04.00 m監(jiān)測(cè)斷面、引0+328.02.00 m監(jiān)測(cè)斷面、引支3號(hào)洞0+082.00監(jiān)測(cè)斷面和引支1號(hào)洞0+055.00監(jiān)測(cè)斷面；輸水灌溉洞設(shè)置有K13+300.00 m監(jiān)測(cè)斷面；高邊坡主要設(shè)置有廠房后邊坡102-102監(jiān)測(cè)斷面、泄洪兼導(dǎo)流洞與廠房后邊坡結(jié)合部坡面8—8監(jiān)測(cè)斷面、泄洪兼導(dǎo)流洞邊坡203—203監(jiān)測(cè)斷面和泄洪洞邊坡303—303監(jiān)測(cè)斷面。

外觀監(jiān)測(cè)在大壩EL.4 052.00 m馬道、EL.4 076.00 m馬道和EL.4 100.00 m壩頂布置GPS測(cè)點(diǎn)24個(gè)和水準(zhǔn)標(biāo)點(diǎn)，在廠房后邊坡102—102監(jiān)測(cè)斷面、泄洪兼導(dǎo)流洞與廠房后邊坡結(jié)合部坡面8—8監(jiān)測(cè)斷面、泄洪兼導(dǎo)流洞邊坡203—203監(jiān)測(cè)斷面和泄洪洞邊坡202—202監(jiān)測(cè)斷面布置GPS測(cè)點(diǎn)14個(gè)，在左壩頭、壩下交通橋（供電所）和生活區(qū)后邊坡設(shè)3個(gè)GPS基準(zhǔn)點(diǎn)。

目前旁多水利樞紐安全監(jiān)測(cè)已建立集無(wú)線有線回傳的局域網(wǎng)系統(tǒng)，包含自動(dòng)化采集系統(tǒng)（BGK—MICRO分布式網(wǎng)絡(luò)測(cè)量系統(tǒng)，即自動(dòng)數(shù)據(jù)記錄儀或測(cè)量單元，BGK—DR）和水工結(jié)構(gòu)強(qiáng)震與振動(dòng)信號(hào)采集分析系統(tǒng)，除測(cè)斜項(xiàng)目外，其余所有項(xiàng)目均已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集、回傳。但由于監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和儀器眾多，采集的數(shù)據(jù)種類繁多、數(shù)據(jù)量相當(dāng)大，監(jiān)測(cè)人員配備少、水平和經(jīng)驗(yàn)參差不齊，后期的數(shù)據(jù)處理分析和監(jiān)測(cè)維護(hù)工作困難較大。

圖 1 旁多水利樞紐工程安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)平面結(jié)構(gòu)

三、利用4S技術(shù)開(kāi)發(fā)旁多水利樞紐工程“一張圖”系統(tǒng)

旁多水利樞紐當(dāng)前系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析管理功能還比較弱，結(jié)果表達(dá)也傾向于文字形式、簡(jiǎn)易圖表，還局限于二維表達(dá)。數(shù)據(jù)量龐大而繁多，系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析手段的滯后，給數(shù)據(jù)分析、管理和調(diào)度決策帶來(lái)諸多不便。在后續(xù)的發(fā)展中，應(yīng)加強(qiáng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理與分析功能，分析結(jié)果應(yīng)傾向于三維可視化表達(dá)的多媒體方向。GIS具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集、管理、分析功能，同時(shí)還能輸出多種地理空間信息，擁有超強(qiáng)的空間性和動(dòng)態(tài)性；以其為平臺(tái)，結(jié)合遙感影像資料、空間建模技術(shù)和專家信息系統(tǒng)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)形成的系統(tǒng)，繼承GIS超強(qiáng)的區(qū)域空間分析、多要素綜合分析和動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)等能力，能產(chǎn)生高層次的地理空間信息和元數(shù)據(jù)。

表 1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目?jī)?nèi)容及儀器

1.開(kāi)發(fā)過(guò)程

（1）系統(tǒng)菜單開(kāi)發(fā)

利用ArcGIS二次開(kāi)發(fā)工具ArcGIS Engine開(kāi)發(fā)模塊將安全監(jiān)測(cè)、運(yùn)維、水雨情、專家?guī)斓戎鞑藛握现敛藛螜冢㈤_(kāi)發(fā)各自下級(jí)菜單。添加基本地圖操作和鷹眼功能按鈕。

（2）空間建模

利用GIS地圖工具，建立GDB地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)把工程基礎(chǔ)資料數(shù)據(jù) （CAD格式）轉(zhuǎn)換為SHP格式（面）并存于GDB數(shù)據(jù)庫(kù)中，然后以此數(shù)據(jù)結(jié)合高程數(shù)據(jù)生成DEM數(shù)據(jù)，再以坐標(biāo)數(shù)據(jù)為控制點(diǎn)，在DEM數(shù)據(jù)上層疊加遙感影像數(shù)據(jù)，樞紐區(qū)三維場(chǎng)景底圖便繪制成功；再次用相同方法，將監(jiān)測(cè)斷面、監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)以SHP格式（點(diǎn)、線）錄入GDB數(shù)據(jù)庫(kù)，并在屬性表中添加屬性字段坐標(biāo)、高程和編號(hào)。

圖 2 旁多水利樞紐工程“一張圖”系統(tǒng)架構(gòu)

（3）數(shù)據(jù)鏈接

在GDB數(shù)據(jù)庫(kù)中打開(kāi)監(jiān)測(cè)斷面、監(jiān)測(cè)點(diǎn)屬性表，利用屬性字段坐標(biāo)、高程和編號(hào)將各監(jiān)測(cè)點(diǎn)第一次、逐月、逐年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)鏈接至屬性表中。利用ArcCatalog將GDB數(shù)據(jù)庫(kù)、GIS服務(wù)器與安全監(jiān)測(cè)、運(yùn)維、水雨情、專家?guī)斓冗B接。至此，旁多水利樞紐“一張圖”系統(tǒng)初步成型，再完善各菜單的功能命令語(yǔ)句，系統(tǒng)各項(xiàng)功能就能實(shí)現(xiàn)。

2.“一張圖”系統(tǒng)

旁多水利樞紐“一張圖”系統(tǒng)正在開(kāi)發(fā)中，開(kāi)發(fā)完成后在“一張圖”系統(tǒng)上，整個(gè)樞紐的三維實(shí)時(shí)場(chǎng)景作為基礎(chǔ)底圖，不但能輕松實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)監(jiān)控和檔案管理等樞紐運(yùn)行管理功能；還能在很大程度上提高監(jiān)測(cè)工作效率、延長(zhǎng)儀器設(shè)備使用壽命。還能為工程興利、防洪調(diào)度等決策提供科學(xué)依據(jù)，為工程的長(zhǎng)期安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供更加可靠的保證。旁多水利樞紐工程“一張圖”基本架構(gòu)見(jiàn)圖2。以實(shí)時(shí)的三維場(chǎng)景作為底圖，能使監(jiān)測(cè)等運(yùn)管工作更加科學(xué)規(guī)范，樞紐的運(yùn)行情況一目了然。

“一張圖”系統(tǒng)對(duì)庫(kù)群管理同樣適用，只要開(kāi)放相應(yīng)的權(quán)限和端口，以相同方法把眾多的水庫(kù)系統(tǒng)完善匯總，就能形成庫(kù)群“一張圖”系統(tǒng)。