高寒區(qū)大壩及近岸邊坡外觀變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析

易偉

【摘 要】為了實(shí)現(xiàn)對(duì)高寒區(qū)大壩及近岸邊坡外觀變形高精度監(jiān)測(cè)，利用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)對(duì)大壩進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、計(jì)算處理、狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、報(bào)警預(yù)告等功能。通過(guò)對(duì)近年來(lái)的運(yùn)行效果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，該自動(dòng)化系統(tǒng)可有效地對(duì)大壩外觀變形進(jìn)行連續(xù)性監(jiān)測(cè)，提高了大壩安全性能，降低了工人的巡視工作強(qiáng)度，對(duì)于地勢(shì)陡峭區(qū)域更能保證員工的生命安全，此系統(tǒng)對(duì)偏遠(yuǎn)及高寒地區(qū)大壩具有較強(qiáng)的適用性。

【關(guān)鍵詞】高寒地區(qū);大壩邊坡;邊坡穩(wěn)定性;變形監(jiān)測(cè)

0 前言

水利樞紐工程的開發(fā)和建設(shè)已經(jīng)逐漸由城市向偏遠(yuǎn)地區(qū)、高寒山區(qū)進(jìn)發(fā)，對(duì)高壩表面發(fā)生的變形監(jiān)測(cè)和對(duì)近壩、庫(kù)岸等高邊坡穩(wěn)定性的監(jiān)測(cè)已經(jīng)成為該行業(yè)的主流問(wèn)題和熱議問(wèn)題，壩體和近岸邊坡的變形監(jiān)測(cè)是用于評(píng)價(jià)水利樞紐工程是否可行和安全的主要途徑，也是水電站保護(hù)工作人員和居民的人身安全的重要措施。過(guò)去，對(duì)壩邊的變形監(jiān)測(cè)都是采用經(jīng)緯儀和電磁波測(cè)距儀實(shí)現(xiàn)的，但是這些測(cè)量方法精度較低，工作效率不高，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高水平的監(jiān)測(cè)效果，因此需要一項(xiàng)新的監(jiān)測(cè)技術(shù)彌補(bǔ)傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的不足，電子全站儀應(yīng)運(yùn)而生。我國(guó)技術(shù)突飛猛進(jìn)，監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)與激光、通信和CCD技術(shù)融合在一起，促使大壩變形監(jiān)測(cè)逐漸向自動(dòng)化發(fā)展。測(cè)量機(jī)器人是集目標(biāo)識(shí)別、自動(dòng)照準(zhǔn)等監(jiān)測(cè)技術(shù)于一體，一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)能夠監(jiān)測(cè)多個(gè)目標(biāo)，并且能實(shí)現(xiàn)重復(fù)持續(xù)觀測(cè)。

1 大壩及邊坡形變自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

我國(guó)從20世紀(jì)末就開始研究對(duì)水電站大壩及邊坡的穩(wěn)定性開展自動(dòng)化監(jiān)測(cè)工作。這項(xiàng)工作需要應(yīng)用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)⒋髩渭斑吰驴赡馨l(fā)生的危險(xiǎn)和實(shí)際情況上報(bào)給監(jiān)控站的工作人員，有利于工作人員對(duì)將要發(fā)生的問(wèn)題進(jìn)行預(yù)防和排查，確保大壩安全平穩(wěn)地運(yùn)行，保障人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

1.1 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展

隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷革新和發(fā)展，各項(xiàng)基礎(chǔ)建設(shè)體系中都需要整合大量的現(xiàn)代化新型技術(shù)，以此為基礎(chǔ)提升企業(yè)和各項(xiàng)生產(chǎn)環(huán)節(jié)管理的實(shí)際能效，為社會(huì)做出更大的貢獻(xiàn)。在高寒地區(qū)的大壩及邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)方面，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)取得了較好的成效，能夠?qū)λ娬镜陌踩\(yùn)行提供必要保障。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的正常工作需要依附多個(gè)大壩監(jiān)測(cè)儀器的運(yùn)行，并且需要對(duì)各個(gè)測(cè)點(diǎn)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和整合，通過(guò)分析數(shù)據(jù)內(nèi)容判斷大壩及邊坡的穩(wěn)定性。

（1）自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成。自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包含監(jiān)測(cè)儀、管線等各類硬件設(shè)施，還需要一些采集卡等系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的整合和處理，由此可見，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是非常復(fù)雜的能夠集合多種技術(shù)和管理手段的綜合系統(tǒng)[1]。

（2）系統(tǒng)檢測(cè)方式。在高寒大壩及近岸邊坡附近設(shè)計(jì)能夠自動(dòng)監(jiān)測(cè)形變的儀器，各個(gè)監(jiān)測(cè)儀器之間需要相隔一段距離。此外，需要布置監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)、GPS衛(wèi)星、定位技術(shù)及全站儀等設(shè)備，對(duì)大壩的壩邊環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

在傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)中，對(duì)大壩穩(wěn)定性的監(jiān)測(cè)主要是通過(guò)各類儀器實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)需要人工的參與，這種簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)方式必須后期對(duì)大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和處理才能得到有效的數(shù)據(jù)，進(jìn)而做出決策。在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，不僅工作量大，也無(wú)法將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及時(shí)上報(bào)給工作人員，導(dǎo)致出現(xiàn)事故無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用能夠緩解工作人員的工作壓力，對(duì)壩體的實(shí)際情況實(shí)時(shí)監(jiān)控，出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)，做到事發(fā)即處理。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的采集、跟蹤、分析和處理等一系列智能化的信息處理手段，將觀測(cè)點(diǎn)收集到的數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)測(cè)站，便于工作人員能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控壩體的周圍環(huán)境，提升高寒大壩及近岸的穩(wěn)定性。

1.2 自動(dòng)化檢測(cè)工作機(jī)理

對(duì)高寒地區(qū)大壩及邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)需要應(yīng)用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行需要特定的硬件支撐，硬件包含數(shù)據(jù)處理設(shè)備、時(shí)間控制設(shè)備、各種數(shù)據(jù)端口等，將這些硬件組合在一起，構(gòu)成自動(dòng)化監(jiān)測(cè)儀器，將這樣的檢測(cè)儀器制作上百臺(tái)，并將其布置在需要檢測(cè)區(qū)域的周圍，對(duì)壩體外觀變形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)備組成是具有一定復(fù)雜性的，但其工作原理比較簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)的采集可以通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)，并且該模塊能將收集到的數(shù)據(jù)傳輸給觀測(cè)站的工作人員，工作人員只要在相應(yīng)的軟件上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理就可獲得與大壩邊坡穩(wěn)定性相關(guān)的信息，并且該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢、調(diào)用數(shù)據(jù)等功能，便于后續(xù)開展對(duì)數(shù)據(jù)的核查和處理工作。此外，該項(xiàng)系統(tǒng)需要各種現(xiàn)代化信息處理軟件完善系統(tǒng)功能，如數(shù)據(jù)采集軟件、數(shù)據(jù)管理軟件等，這些軟件的應(yīng)用能夠進(jìn)一步提升自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的效率，并且能夠獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息，有利于工作人員分析和獲取大壩邊坡的實(shí)際情況。通過(guò)這些軟件還能完成對(duì)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存、計(jì)算和共享，為水電站數(shù)據(jù)處理工作提供便利，其計(jì)算準(zhǔn)確性也得到保證。

1.3 系統(tǒng)可靠性測(cè)定

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性是需要在特定的時(shí)間和條件下，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)定功能的能力。系統(tǒng)的可靠性包含兩個(gè)方面：一是正確性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)沒有任何紕漏和錯(cuò)誤，能夠在正常的條件下實(shí)現(xiàn)各種功能。二是適應(yīng)性，系統(tǒng)能夠在特殊或者惡劣的環(huán)境下發(fā)揮其功能。

影響系統(tǒng)可靠性的因素有軟件、硬件、操作員。軟件的故障主要就是設(shè)計(jì)問(wèn)題，一旦發(fā)現(xiàn)軟件有問(wèn)題，必須及時(shí)改正處理，否則故障就會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，造成監(jiān)測(cè)效果不理想或者監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率較低等問(wèn)題。硬件故障通常是由于硬件出現(xiàn)物理?yè)p壞，硬件沒有軟件復(fù)雜，因此避免硬件出現(xiàn)問(wèn)題是簡(jiǎn)單可行的。在安裝或者檢查時(shí)，盡量對(duì)易磨損地區(qū)進(jìn)行檢查，能夠有效地避免硬件失誤而影響監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠性。操作員可靠性屬于人為操作問(wèn)題，這就需要工作人員提升技術(shù)和技能水平，在操作中規(guī)范行為，避免出現(xiàn)失誤[2]。

2 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)的主體設(shè)備：選用測(cè)量精確度為0.5 s的Nova TM50測(cè)量機(jī)器人和徠卡原裝進(jìn)口棱鏡，為了避免落石等其他因素對(duì)相機(jī)鏡頭造成破壞，在鏡頭外部安裝防護(hù)罩。

系統(tǒng)輔助設(shè)備：環(huán)境量監(jiān)控系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、電路控制系統(tǒng)。

系統(tǒng)控制設(shè)備：室內(nèi)控制盒、服務(wù)器及客戶終端。

大壩及邊坡穩(wěn)定性自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)架及組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)軟件

軟件開發(fā)和設(shè)計(jì)要依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況進(jìn)行，主要包含現(xiàn)場(chǎng)控制、溫度控制、服務(wù)器及信息處理部分。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

現(xiàn)場(chǎng)控制模塊，安裝于現(xiàn)場(chǎng)控制盒內(nèi)，用于判斷周圍環(huán)境數(shù)據(jù)和外部條件等是否符合監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)該模塊的應(yīng)用能夠定時(shí)對(duì)全站儀等設(shè)備進(jìn)行啟動(dòng)和關(guān)閉操作，將經(jīng)過(guò)校驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理后上傳至服務(wù)器[3]。

溫度控制模塊，安裝于現(xiàn)場(chǎng)溫度控制系統(tǒng)內(nèi)部，由服務(wù)器控制，主要用于控制溫度，也就是對(duì)室內(nèi)溫度檢測(cè)設(shè)備的測(cè)值進(jìn)行控制，根據(jù)特定的要求和條件，自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度，確保室內(nèi)保持恒溫環(huán)境。

服務(wù)器模塊，主要作用是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的操作，并對(duì)測(cè)量過(guò)程進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，通過(guò)環(huán)境量差分改正活平差計(jì)算實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的計(jì)算功能，對(duì)以極坐標(biāo)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，由此獲取三維坐標(biāo)，對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)具體位置進(jìn)行精準(zhǔn)評(píng)定，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。

信息處理模塊，該模塊是基于ASP.NET技術(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)的，能夠在主流網(wǎng)頁(yè)瀏覽器中使用，具備項(xiàng)目管理、多級(jí)報(bào)警設(shè)計(jì)、對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢等功能。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 項(xiàng)目概況

該研究對(duì)象為貴州省黔南山區(qū)某渡河的水電站，該水電站主要作用是為周圍居民發(fā)電，次要作用是對(duì)渡河通航條件進(jìn)行調(diào)整和改善。該水電站總裝機(jī)容量為800 MW，每年可發(fā)電43.74億kW·h。該水電站屬于河床式電站，二等大型工程，建筑等級(jí)為二級(jí)。樞紐有溢流壩、左右岸重力壩等，壩頂高程為502.5 m，壩軸線全程為2.05 km。

壩邊坡總長(zhǎng)為2.89 km，在2 km范圍內(nèi)為滑坡體，斜坡地段為碎石土，厚度在50 m左右，分為3層。各個(gè)碎石土層結(jié)構(gòu)不同，泥土包裹著碎石塊，土體基底結(jié)構(gòu)為細(xì)顆粒包粗粒，能夠承受壓力的骨架石結(jié)構(gòu)較少，因此該部分的邊坡抗剪強(qiáng)度較差。

3.2 觀測(cè)點(diǎn)布局

對(duì)該大壩及近岸邊坡進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)，觀測(cè)點(diǎn)取10個(gè)，分別在靠近左岸邊坡、大壩邊坡、后視控制點(diǎn)在水電站旁的穩(wěn)固墻上，系統(tǒng)運(yùn)行需要特定的軟件做后臺(tái)，采取盤左盤右的監(jiān)測(cè)模式對(duì)各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，整個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的測(cè)回時(shí)間控制在4 min左右。

3.3 系統(tǒng)運(yùn)行簡(jiǎn)介

（1）到達(dá)設(shè)定的時(shí)間后，系統(tǒng)能夠通過(guò)傳感器對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行觀測(cè)，確保周圍環(huán)境符合監(jiān)測(cè)條件后，溫度模塊開始實(shí)行觀測(cè)模式，為系統(tǒng)整個(gè)運(yùn)行期間室內(nèi)環(huán)境溫度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，確保溫度能夠滿足設(shè)備正常運(yùn)行。為了盡量避免天氣環(huán)境惡劣造成雨水進(jìn)入觀測(cè)房，造成設(shè)備損壞，在這種惡劣的天氣，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

（2）確保室內(nèi)外的環(huán)境穩(wěn)定，系統(tǒng)開始監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)獲得數(shù)據(jù)將會(huì)通過(guò)固定的軟件及硬件設(shè)備，由信息處理模塊傳回軟件后臺(tái)處理，用于高寒區(qū)大壩及邊坡周圍外觀變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)展示。當(dāng)出現(xiàn)超限和異常值時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)在平臺(tái)進(jìn)行預(yù)警和微信報(bào)警。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)水電站大壩外觀變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行剖析和研究，結(jié)合我國(guó)高寒地區(qū)現(xiàn)有的水電站大壩邊坡變形監(jiān)測(cè)儀器對(duì)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行分析，對(duì)傳統(tǒng)水電站自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行剖析，分析不足之處，在設(shè)計(jì)新型的大壩邊坡變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)盡量避免出現(xiàn)這些問(wèn)題，保證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性，為我國(guó)發(fā)電事業(yè)做出貢獻(xiàn)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]徐海濤.高寒區(qū)大壩及近岸邊坡外觀變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的解決方案[J].西北水電，2019（6）：58-61.

[2]李春龍. 大壩變形監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)的運(yùn)用與研究[J]. 中國(guó)戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，2019（34）：136，138.

[3]蘇凱.芻議自動(dòng)化技術(shù)在大壩變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代物業(yè)（中旬刊），2019（6）：52.