大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在輸水管道工程中的應(yīng)用

韓麗華

（甘肅省臨夏回族自治州槐樹(shù)關(guān)水庫(kù)管理局，甘肅臨夏731100）

大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用了電子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)大壩監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集和處理，同時(shí)也能夠?qū)Υ髩芜\(yùn)行狀態(tài)是否正常作出判斷和報(bào)警。整個(gè)系統(tǒng)中包括監(jiān)測(cè)儀器、數(shù)據(jù)采集裝置、通信線(xiàn)路、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件等，該自動(dòng)化運(yùn)行系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)大壩安全數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、處理、監(jiān)控、分析、管理、決策等功能，以便采取正確、安全的措施，確保大壩運(yùn)行的安全性。輸水管道工程作為水利水電工程的重要組成部分，輸水管道工程運(yùn)行質(zhì)量直接決定了用水安全、服務(wù)水平，將大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用到輸水管道工程當(dāng)中可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理，提高運(yùn)行質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)最終的發(fā)展目標(biāo)。

1 工程概況

某水庫(kù)輸水工程中的輸水管線(xiàn)全長(zhǎng)為261km，采取有壓重力流、串聯(lián)加壓結(jié)合方案，設(shè)計(jì)年供水量約17.9億m3。輸水管線(xiàn)由DN6000隧洞與鋼管連接段、DN2400PCCP管線(xiàn)、DN3200PCCP管線(xiàn)、DN1800玻璃鋼管線(xiàn)組成。根據(jù)輸水管道工程以及水工建筑特性，本工程采用大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)抗滑性、巖體不均勻變形、管道不均勻沉降、滲流狀態(tài)等。沿著輸水管道工程總共布設(shè)了46個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，檢測(cè)對(duì)象包括取水首部、輸水隧洞、隧洞連接段、輸水管線(xiàn)、配水站穩(wěn)壓塔。負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)這些部分的圍堰變形、滲流壓力、錨桿應(yīng)力、混凝土強(qiáng)度、水位、伸縮縫、沉降位移、管壁應(yīng)力等。

2 大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在輸水管道工程中的硬件布置

2.1 安全監(jiān)測(cè)儀器選型

結(jié)合輸水管線(xiàn)工程特性，應(yīng)用重點(diǎn)為如何設(shè)置各項(xiàng)測(cè)量計(jì)。

2.1.1 電位器式多點(diǎn)位移計(jì) 電位器式多點(diǎn)位移計(jì)具有工程量大、適用于長(zhǎng)距離信號(hào)傳輸、環(huán)境溫度影響小、測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好、體積小、適合惡劣環(huán)境、耐高壓等優(yōu)勢(shì)，是本工程的首選計(jì)量工具。根據(jù)工程地理環(huán)境、實(shí)際使用要求，為了能夠適應(yīng)潮濕環(huán)境，決定采用ND-3型電位器式多點(diǎn)位移計(jì)。電位器式多點(diǎn)位移計(jì)主要是用作圍堰變形、支墩位移監(jiān)測(cè)，在取水頭安裝6個(gè)位移計(jì)、輸水隧洞安裝5個(gè)位移計(jì)、PCCP管段安裝2個(gè)位移計(jì)、玻璃鋼管段安裝3個(gè)位移計(jì)。

2.1.2 差動(dòng)電阻式類(lèi)儀器 差動(dòng)電阻式類(lèi)儀器包括鋼筋計(jì)、錨桿應(yīng)力計(jì)、鋼板計(jì)、應(yīng)變計(jì)、測(cè)縫計(jì)、無(wú)應(yīng)力計(jì)。這類(lèi)儀器的特點(diǎn)是利用內(nèi)部特高彈性鋼絲（直徑0.04～0.05mm），內(nèi)部?jī)山M鋼絲差動(dòng)變化實(shí)現(xiàn)測(cè)量。如果儀器沒(méi)有受力變形，內(nèi)部鋼絲應(yīng)力可達(dá)到2000MPa，這些特點(diǎn)決定了這類(lèi)儀器不耐碰撞、不耐振動(dòng)、容易損壞、超載性差、測(cè)量精度會(huì)受到外部環(huán)境影響的特性[1]。但是該類(lèi)儀器長(zhǎng)期使用穩(wěn)定可靠，同時(shí)可以測(cè)量環(huán)境溫度，在高水壓環(huán)境下工作可靠，適合該工程監(jiān)測(cè)要求。

2.1.3 振弦式滲壓計(jì) 常見(jiàn)的滲壓計(jì)可以分為差阻式、振弦式兩種形式，結(jié)合工程的精度標(biāo)準(zhǔn)和要求，需要采用高精度的振弦式滲壓計(jì)。其不僅能夠克服電阻值隨溫度變化而變化的弱點(diǎn)，并且還可以用在寬溫范圍。不僅儀器靈敏度非常高，并且還具有穩(wěn)定性好、耐久性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，不會(huì)受到長(zhǎng)電纜影響，絕緣性要求較低，為了能夠有效提升工程可靠性、安全性，在本工程全線(xiàn)布置了27個(gè)振弦式滲壓計(jì)。

2.1.4 壓阻式管道壓力計(jì) 相比其他類(lèi)型的壓力計(jì)來(lái)說(shuō)，壓阻式管道壓力計(jì)不會(huì)受到溫濕度、氣候、大氣等因素影響，在使用中動(dòng)態(tài)范圍好、穩(wěn)定性強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)，具有良好的防水密封性、絕緣性，傳感器防漏性非常好，因此在工程設(shè)計(jì)中決定采用壓阻式管道壓力計(jì)檢測(cè)隧洞連接段、玻璃鋼管段、PCCP管段的內(nèi)部水壓。

2.2 典型斷面監(jiān)測(cè)儀器選擇

2.2.1 取水頭部 取水建筑物監(jiān)測(cè)儀器采用了滲壓計(jì)、多點(diǎn)位移計(jì)、測(cè)縫計(jì)、鋼筋計(jì)、應(yīng)變計(jì)、錨桿應(yīng)力計(jì)等。

2.2.2 隧洞段與連接段 該部位采用了多點(diǎn)變位計(jì)、錨桿應(yīng)力計(jì)、滲壓計(jì)、應(yīng)變計(jì)、無(wú)應(yīng)力計(jì)、錨索應(yīng)力計(jì)等。

2.2.3 PCCP管線(xiàn) PCCP管道長(zhǎng)度為154.5km，占據(jù)總工程管線(xiàn)長(zhǎng)度的60%，該區(qū)域主要是檢測(cè)管線(xiàn)接縫、管道內(nèi)水壓，主要的儀器包括內(nèi)水壓力計(jì)、鋼板計(jì)、測(cè)縫計(jì)、土壓計(jì)、多點(diǎn)位移計(jì)等[2]。

2.2.4 玻璃鋼管線(xiàn) 該階段主要測(cè)量?jī)?nèi)部水壓力，所以主要儀器就是內(nèi)水壓力計(jì)，同時(shí)還要配合使用測(cè)縫計(jì)、土壓計(jì)、鋼板計(jì)。

3 大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在輸水管道工程中的軟件設(shè)計(jì)

3.1 在線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)

在線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)主要是由輸水管道工程觀測(cè)傳感器、遙測(cè)集線(xiàn)箱、自動(dòng)監(jiān)控微型電子計(jì)算機(jī)構(gòu)成，也是整個(gè)大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的框架。

3.2 觀測(cè)傳感器

觀測(cè)傳感器可以直接反映輸水管道工程狀態(tài)、環(huán)境影響因素變化量，上述傳感器分別布置在所需監(jiān)測(cè)的重要部位上。這些傳感器作為一線(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備，可以直接將采集的內(nèi)水壓、混凝土應(yīng)力、鋼應(yīng)力等參數(shù)傳輸給控制中心，并且由上級(jí)系統(tǒng)負(fù)責(zé)下達(dá)操作指令。

3.3 遙測(cè)集線(xiàn)箱

主要是安裝在傳感器附近，是巡回檢測(cè)中切換測(cè)點(diǎn)的專(zhuān)用設(shè)備。遙測(cè)集線(xiàn)箱采用了微計(jì)算機(jī)技術(shù)，具有模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，可以將傳感器輸出模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閭鬏數(shù)臄?shù)字量，是必要的中間環(huán)節(jié)。

3.4 自動(dòng)安全監(jiān)控微機(jī)系統(tǒng)

采用大容量微機(jī)系統(tǒng)，與各個(gè)傳感器進(jìn)行連接，采用行業(yè)專(zhuān)用的監(jiān)測(cè)軟件、數(shù)據(jù)處理軟件，主要可以實(shí)現(xiàn)以下幾點(diǎn)功能：一是高精度測(cè)量傳感器數(shù)據(jù)，需要人工事先設(shè)定巡回檢測(cè)以及單點(diǎn)測(cè)量方式；二是檢驗(yàn)測(cè)量值并修復(fù)誤差，如果發(fā)現(xiàn)異常測(cè)量值系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警；三是對(duì)正常測(cè)量值進(jìn)行整編、計(jì)算，將測(cè)試結(jié)果存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中并按照標(biāo)準(zhǔn)方式輸出、表示；四是針對(duì)測(cè)量成果變化、數(shù)據(jù)變化之間的線(xiàn)性關(guān)系進(jìn)行分析；五是采用預(yù)報(bào)模型計(jì)算，對(duì)所得到的實(shí)際數(shù)據(jù)和額定數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比；六是針對(duì)對(duì)比之后出現(xiàn)的差值范圍采用不同的報(bào)警等級(jí)，以便管理人員及時(shí)找出故障，并采取有效應(yīng)對(duì)措施；七是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行檢查、分析、故障判定[3]。

3.5 離線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)

該系統(tǒng)模塊設(shè)置在資料分析中心（控制中心），可以對(duì)整個(gè)輸水管道工程運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管理，主要是由一定容量電子計(jì)算機(jī)、外部設(shè)備、專(zhuān)用數(shù)據(jù)管理軟件構(gòu)成[4]。大壩在線(xiàn)系統(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù)中由多個(gè)媒介、通信方式傳輸給離線(xiàn)系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。一是對(duì)所檢測(cè)的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行檢驗(yàn)、修正、整理，并統(tǒng)一存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中；二是對(duì)一段時(shí)間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找出采集物理量間的相關(guān)性、數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)；三是對(duì)長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，構(gòu)建安全監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)模型；四是采用系統(tǒng)得出的數(shù)學(xué)模型預(yù)報(bào)觀測(cè)物理量，與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，實(shí)現(xiàn)輸水管道工程的安全監(jiān)控；五是將最終結(jié)果按照設(shè)定要求輸出圖表或文件，并存儲(chǔ)到檔案系統(tǒng)當(dāng)中。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，為了能夠保證輸水管道工程運(yùn)行質(zhì)量，應(yīng)用大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以第一時(shí)間掌握輸水管道工程運(yùn)行現(xiàn)狀，但必須要根據(jù)工程特點(diǎn)選擇儀器、設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)。當(dāng)然，這些儀器經(jīng)風(fēng)吹日曬或濕氣侵蝕會(huì)產(chǎn)生老化現(xiàn)象，因此要定期對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)，保證整個(gè)系統(tǒng)可以長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。