小坑水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改造方案探討

楊永輝

(韶關(guān)市曲江區(qū)小坑水庫(kù)管理處，廣東 韶關(guān) 512162)

1 工程概況

小坑水庫(kù)位于韶關(guān)市曲江區(qū)東南部，在湞江支流楓灣河上游，距韶關(guān)市區(qū)33 km的小坑鎮(zhèn)境內(nèi)。水庫(kù)集雨面積為139 km2，年平均降雨量為1 650 mm，多年平均徑流量為1.452 7億m3，總庫(kù)容為11 316萬(wàn)m3。小坑水庫(kù)是一座集防洪、供水、灌溉、發(fā)電、水產(chǎn)養(yǎng)殖為一體的大(二)型水利工程，水庫(kù)的主要任務(wù)是：提供年產(chǎn)700萬(wàn)t鋼的寶武鋼鐵韶關(guān)鋼鐵集團(tuán)有限公司工業(yè)生產(chǎn)及生活用水；灌溉下游農(nóng)田面積0.37萬(wàn)hm2；提供壩后電站發(fā)電用水。

小坑水庫(kù)建于1964年11月，1967年11月建成投入使用。1980年按大(二)型水庫(kù)進(jìn)行大壩安全加固，加固后土壩壩頂高程為239.3 m，防浪墻頂高程為240.6 m，最大壩高為50.3 m，壩頂寬6.0 m，長(zhǎng)104.0 m，上游壩坡分5級(jí)，分別為1:2、1:1.62、1:2.5、1:2.75、1:3，下游壩坡分4級(jí)，為1:2、1:2.9、1:3、1:1.5，現(xiàn)正常蓄水位為227.20 m。

2 現(xiàn)狀分析及存在問(wèn)題

2.1 安全監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀

小坑水庫(kù)安全監(jiān)測(cè)分內(nèi)觀和外觀儀器監(jiān)測(cè)，各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及監(jiān)測(cè)方式如下。

1) 變形監(jiān)測(cè)

① 壩頂水平位移：無(wú)。

② 壩頂垂直位移：水準(zhǔn)標(biāo)點(diǎn)，5 個(gè)測(cè)點(diǎn)?，F(xiàn)利用水準(zhǔn)儀或全站儀定期進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2) 滲流監(jiān)測(cè)

① 測(cè)壓管：2 個(gè)斷面共 8 個(gè)測(cè)點(diǎn)，傳感器老化且被雷擊損壞，部分測(cè)壓孔淤塞失效，且缺少繞壩滲流測(cè)點(diǎn)；現(xiàn)僅靠人工定期進(jìn)行觀測(cè)。

② 滲流量：自1980年安全加固后至今，大壩一直沒(méi)有設(shè)置滲流量觀測(cè)，現(xiàn)缺項(xiàng)該項(xiàng)目觀測(cè)。

3) 環(huán)境量監(jiān)測(cè)

① 庫(kù)水位：1 個(gè)測(cè)點(diǎn)，老化且被雷擊損壞；僅靠人工進(jìn)行觀測(cè)。

② 降水量：4 個(gè)測(cè)點(diǎn)，老化且被雷擊損壞；除水庫(kù)雨量站靠人工觀測(cè)外，上游集雨面積內(nèi)的3個(gè)雨量點(diǎn)已缺失。

③ 大氣溫度：無(wú)大氣穩(wěn)溫度測(cè)點(diǎn)。

4) 視頻監(jiān)視：4 支攝像頭，老化且被雷擊損壞。

5) 工作站、服務(wù)器及網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備運(yùn)行了十幾年，已經(jīng)不能正常工作。

2.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的問(wèn)題

2.2.1完整性存在的問(wèn)題

1) 缺漏關(guān)鍵的安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

① 兩壩肩漏設(shè)繞壩滲流監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。

② 缺少水平位移監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，建議按照規(guī)范要求，在壩頂設(shè)置 1 條引張線，以監(jiān)測(cè)大壩的水平位移。

③ 缺少水平位移基準(zhǔn)，使得分析大壩壩頂水平變形量沒(méi)有參考基準(zhǔn)，得不到水平位移的絕對(duì)變化量，無(wú)法判斷大壩水平變形的安全程度。按照規(guī)范要求，應(yīng)在引張線的兩個(gè)端點(diǎn)，即兩岸壩肩各設(shè)置 1 個(gè)倒垂孔，并在倒垂孔內(nèi)安裝倒垂線作為壩頂水平位移監(jiān)測(cè)的水平基準(zhǔn)。

④ 缺少垂直位移基準(zhǔn)，使得分析大壩壩頂沉降量沒(méi)有參考基準(zhǔn)，得不到壩頂沉降的絕對(duì)變化量，無(wú)法判斷大壩沉降的安全程度。

2) 主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目殘缺、漏測(cè)點(diǎn)

① 滲流監(jiān)測(cè)項(xiàng)目?jī)H設(shè)有 2 個(gè)斷面共 8 個(gè)測(cè)點(diǎn)，且缺少繞壩滲流測(cè)點(diǎn)，因此，滲流監(jiān)測(cè)項(xiàng)目測(cè)點(diǎn)不完整。

② 環(huán)境量監(jiān)測(cè)項(xiàng)目缺少大氣溫度，使大壩安全分析缺少 1 個(gè)重要的參數(shù)，因此，環(huán)境量監(jiān)測(cè)項(xiàng)目測(cè)點(diǎn)也不完整。

由上可知，小坑水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)不完整的系統(tǒng)，存在漏項(xiàng)、缺少位移和垂直位移基準(zhǔn)、主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目殘缺、漏測(cè)點(diǎn)等問(wèn)題。

2.2.2系統(tǒng)有效性方面存在的問(wèn)題

1) 儀器設(shè)備老化、精度差

① 用于大壩滲流監(jiān)測(cè)的8支傳感器，由于老化和被雷擊，大部分已經(jīng)損壞，剩余的測(cè)量精度和穩(wěn)定性不符合規(guī)范要求，需進(jìn)行更新改造；另外，大部分測(cè)壓孔已經(jīng)淤塞失效。

② 工作站、服務(wù)器及網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備已經(jīng)運(yùn)行了10多a，工作穩(wěn)定性不符合規(guī)范要求，需更換。

2) 水平、垂直位移監(jiān)測(cè)項(xiàng)目缺少基準(zhǔn)

2.2.3系統(tǒng)實(shí)用性方面存在的問(wèn)題

1) 數(shù)據(jù)不完整。

2) 應(yīng)用軟件功能不能夠滿(mǎn)足要求。

2.2.4防雷穩(wěn)定性較差。

小坑水庫(kù)大壩位于山區(qū)，易于發(fā)生雷雨天氣，小坑水庫(kù)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自2003年投入運(yùn)行以來(lái)，大壩滲流觀測(cè)傳感器、MCU及視頻系統(tǒng)經(jīng)常被雷擊損壞，使整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行失靈。

3 改造目標(biāo)和內(nèi)容

3.1 改造目標(biāo)

總體目標(biāo)：建立完備的安全自動(dòng)化系統(tǒng)，達(dá)到安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的完整性、有效性、實(shí)用性和實(shí)時(shí)性為工程安全運(yùn)行管理提供科學(xué)的決策依據(jù)。

1) 完整性

系統(tǒng)、科學(xué)、合理地規(guī)劃，結(jié)合工程的實(shí)際情況進(jìn)行細(xì)致、周密地設(shè)計(jì)，按照規(guī)范要求，補(bǔ)充和完善必要的和主要的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，使現(xiàn)有的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)成為一個(gè)完整的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2) 有效性

對(duì)現(xiàn)有安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基準(zhǔn)、監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、監(jiān)測(cè)設(shè)施及儀器設(shè)備，進(jìn)行補(bǔ)設(shè)和改造，使各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及測(cè)點(diǎn)的設(shè)置方式、觀測(cè)方法及數(shù)據(jù)采集等有效。

3) 實(shí)用性

滿(mǎn)足大壩安全監(jiān)測(cè)、三防指揮及信息管理等各個(gè)工作環(huán)節(jié)的需要。

4) 實(shí)時(shí)性

信息采集滿(mǎn)足工作的需要和水庫(kù)綜合任務(wù)信息的要求。

3.2 改造的內(nèi)容

1) 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

小坑水庫(kù)大壩屬大(二)型水工建筑物，遵循“技術(shù)先進(jìn)、科學(xué)合理、安全可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用”的原則，并綜合考慮到水庫(kù)工程的實(shí)際情況，對(duì)其安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化升級(jí)改造，主要設(shè)置如下監(jiān)測(cè)項(xiàng)目：① 巡視檢查； ② 滲流監(jiān)測(cè)(含壩體、壩基及壩肩繞滲)； ③ 變形監(jiān)測(cè)(含水平位移和垂直位移)； ④ 環(huán)境量監(jiān)測(cè)(含降水量、庫(kù)水位及大氣溫度)； ⑤ 視頻監(jiān)視。

安全監(jiān)測(cè)各項(xiàng)目的測(cè)量頻率按規(guī)范要求確定，大壩安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及其測(cè)量頻率見(jiàn)表1。

表1 安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目分類(lèi)及其測(cè)量頻率

2) 中控室

為了更好管理該系統(tǒng)和方便運(yùn)行，建議將原設(shè)備房從 4 樓會(huì)議室搬遷到現(xiàn)辦公室的 1 樓，并進(jìn)行裝修，改造成獨(dú)立的中控室。

4 技術(shù)改造設(shè)計(jì)

4.1 項(xiàng)目改造情況表

小坑水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)有項(xiàng)目及進(jìn)行改造和新增項(xiàng)目情況見(jiàn)表2。

表2 項(xiàng)目改造情況

4.2 系統(tǒng)組成及功能

結(jié)合小坑水庫(kù)大壩及管理處地理情況，建議納入自動(dòng)化系統(tǒng)的項(xiàng)目為：6 個(gè)視頻監(jiān)視點(diǎn)、4 個(gè)雨量站點(diǎn)、1 個(gè)壩前水位站、1 個(gè)大氣溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)、20 個(gè)壩體浸潤(rùn)線監(jiān)測(cè)點(diǎn)、1 條引張線(壩體表面變形監(jiān)測(cè))、2 條倒垂線、1 條靜力水準(zhǔn)(垂直位移監(jiān)測(cè))及雙金屬標(biāo)。小坑水庫(kù)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)布置平面示意見(jiàn)圖1。

圖1 小坑水庫(kù)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)布置平面示意

4.3 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

以現(xiàn)代化的信息采集系統(tǒng)為基礎(chǔ)、通信和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為支撐、信息管理與決策支持系統(tǒng)為核心，將小坑水庫(kù)的輸水涵閘控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)、大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)建設(shè)成自動(dòng)化系統(tǒng)。系統(tǒng)的功能主要包括：數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、儲(chǔ)存和傳輸、數(shù)據(jù)處理、分析及報(bào)警。

系統(tǒng)將由滲壓計(jì)(浸潤(rùn)線)、水位計(jì)、雨量計(jì)、氣溫計(jì)、工業(yè)電視、硬盤(pán)錄象機(jī)、交換機(jī)、數(shù)據(jù)服務(wù)器、工作站、MCU、通信線路、LCD 顯示屏、電源及軟件等組成，詳見(jiàn)小坑水庫(kù)信息系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖2。

圖2 小坑水庫(kù)信息系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意

4.4 系統(tǒng)防雷

小坑水庫(kù)大壩位于山區(qū)，易于發(fā)生雷雨天氣，為了對(duì)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采取有效的防雷保護(hù)措施，保障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正?？煽康倪\(yùn)行，擬采用如下措施：

1) 明確監(jiān)測(cè)系統(tǒng)遭受雷擊損害的主要原因以及雷電可能的侵入途徑；正確選擇和使用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備的防雷保護(hù)裝置。

2) 在 MCU 測(cè)量電路上采用光電隔離、工作電源相互獨(dú)立等措施，防止感應(yīng)雷進(jìn)入MCU。平時(shí)不測(cè)量的時(shí)候 MCU 與傳感器的測(cè)量線徹底斷開(kāi)，測(cè)量時(shí)再導(dǎo)通。

5 結(jié)語(yǔ)

小坑水庫(kù)是一座集防洪、供水、灌溉、發(fā)電、水產(chǎn)養(yǎng)殖為一體的大(二)型水利工程，同時(shí)也是寶武鋼鐵韶關(guān)鋼鐵集團(tuán)有限公司唯一水源，因此保證大壩的安全運(yùn)行極其重要。本文通過(guò)對(duì)小坑水庫(kù)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析及存在問(wèn)題，結(jié)合小坑水庫(kù)大壩的特點(diǎn)，按照“技術(shù)先進(jìn)、科學(xué)合理、安全可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用”的原則，提出相應(yīng)的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改造方案。相信，通過(guò)對(duì)小坑水庫(kù)現(xiàn)有安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)施改造，可從根本上解決現(xiàn)有系統(tǒng)中存在的問(wèn)題。