水庫大壩滲流自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立和應(yīng)用

許哲峰

(深圳市東江水源工程管理處松子坑水庫管理所，廣東 深圳 518122)

0 引 言

松子坑水庫管理所是深圳市東江水源工程管理處基層管理站所之一，主要負(fù)責(zé)松子坑水庫及大工業(yè)區(qū)支線的安全運(yùn)行管理工作。松子坑水庫是東江水源工程的重要調(diào)蓄水庫，工程區(qū)原狀為三座緊鄰的小(1)型水庫，分別是松子坑水庫、獺湖水庫和三角樓水庫，相互之間僅為山梁分隔。根據(jù)《深圳市供水水源修編規(guī)劃》(2003)和《深圳市水務(wù)發(fā)展十一五規(guī)劃》(2006)，為滿足深圳市用水調(diào)蓄要求，提出對(duì)松子坑水庫進(jìn)行擴(kuò)建。

松子坑水庫擴(kuò)建工程分兩期實(shí)施，(一期)擴(kuò)建工程于1993年10月開工，1995年12月下閘蓄水，1996年8月建成，將松子坑水庫和獺湖水庫合并為一座集水面積3.46km2，總庫容2659萬m3，共計(jì)16條大壩的中型水庫；(二期)擴(kuò)建工程于2017年9月下閘蓄水驗(yàn)收，新增4條大壩，建成后水庫集雨面積為4.96km2，總庫容達(dá)4157萬m3，現(xiàn)共計(jì)20條大壩。環(huán)庫檢修路呈“8”字形，可繞庫一圈，小圈10km、大圈15km。

松子坑水庫作為東江水源工程進(jìn)入深圳境內(nèi)的第一座聯(lián)網(wǎng)調(diào)蓄水庫，擔(dān)負(fù)著坑梓水廠日常供水、東江水源網(wǎng)絡(luò)供水工程停水檢修期間，應(yīng)急向深圳各區(qū)供水的任務(wù)。大工業(yè)區(qū)支線供應(yīng)大工業(yè)區(qū)水廠用水，工程自深圳市東部供水水源工程6#隧洞取水，沿水庫12#、13#副壩下游布置，交水至大工業(yè)區(qū)水廠結(jié)合井，線路全長1489m，工程主要包括：1#隧洞、連接箱涵、2#隧洞及連接管道等供水設(shè)施。松子坑水庫自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(遙測(cè)雨量計(jì)、風(fēng)速風(fēng)向傳感器、遙測(cè)氣壓計(jì)、溫濕度傳感器)、水情遙測(cè)系統(tǒng)(1個(gè)中心站、1個(gè)水情遙測(cè)站)、GNSS大壩位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、環(huán)庫光纖通信系統(tǒng)、會(huì)商系統(tǒng)和大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。對(duì)水庫大壩的滲流情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，是確保水庫大壩安全運(yùn)行的重要內(nèi)容之一，但由于水庫壩體的滲流問題本質(zhì)上是一個(gè)三維問題，影響水庫大壩滲流的因素較多，在分析的過程中難以對(duì)其邊界條件進(jìn)行準(zhǔn)確確定，導(dǎo)致最終得出的設(shè)計(jì)計(jì)算或者是采用的防滲措施效果不佳，所以，松子坑水庫大壩滲流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在大壩整體安全中占有重要地位[1]。

1 項(xiàng)目概況

1.1 構(gòu)建水庫大壩滲流自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的意義

①經(jīng)過多年的運(yùn)行后，雖然經(jīng)過不同程度的加固處理，但在加固處理的過程中，并沒有對(duì)心墻、壩基等部位進(jìn)行處理，僅僅是增加了觀測(cè)管，在水庫大壩長時(shí)間的運(yùn)行后，需要通過加強(qiáng)大壩滲流監(jiān)測(cè)來對(duì)水庫大壩內(nèi)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了解[2]。②在大壩壩體與壩基部位布置了較多的觀測(cè)管，使用人工形式進(jìn)行監(jiān)測(cè)相對(duì)精度較低，且整個(gè)檢測(cè)周期較長，在結(jié)果分析方面不能與自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比。③土壩的滲流問題是影響壩體穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，對(duì)水庫工程的安全運(yùn)行起到?jīng)Q定性作用，水庫在運(yùn)行的過程中，一旦遭受到暴雨、地震、施工建設(shè)等其它因素的影響，水庫大壩滲流自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的作用顯而易見。④信息技術(shù)的快速發(fā)展，使得水利工程管理逐步朝著自動(dòng)化、信息化、智能化方向發(fā)展，長期的監(jiān)測(cè)成果不僅能夠?yàn)樗畮齑髩伪O(jiān)測(cè)自動(dòng)化設(shè)計(jì)提供參考，科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，也使得滲流監(jiān)測(cè)自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集技術(shù)更加成熟。

1.2 水庫大壩滲流自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：水庫大壩監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)采用的是由DG型分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備組成的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式采用的是總線拓?fù)?，其中自?dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的通訊總線均采用光纜，可以有效地規(guī)避電訊號(hào)以及雷電流的破壞。如圖1所示為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 松子坑水庫大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)框架示意圖

數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)主要由4臺(tái)MCU以及1臺(tái)CCU-1中央控制裝置組成。大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括自動(dòng)化系統(tǒng)共113個(gè)滲壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)、12個(gè)量水堰監(jiān)測(cè)點(diǎn)(其中3個(gè)人工監(jiān)測(cè)點(diǎn)，9個(gè)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)點(diǎn))以及配套的MCU測(cè)控裝置、服務(wù)器、交換機(jī)、防火墻、自動(dòng)化軟件等，監(jiān)測(cè)點(diǎn)覆蓋一期1#壩、4#壩、6#壩、11#壩、13#壩、14#壩、15#壩、二期1#壩、2#壩，其中一期86個(gè)測(cè)壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)、4個(gè)量水堰監(jiān)測(cè)點(diǎn)、配套MCU測(cè)控裝置、服務(wù)器、自動(dòng)化軟件等一套，二期27套測(cè)壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)(內(nèi)套測(cè)壓管，覆蓋1#、2#壩)，5個(gè)量水堰監(jiān)測(cè)點(diǎn)、配套MCU測(cè)控裝置、服務(wù)器、交換機(jī)、自動(dòng)化軟件等一套。GNSS大壩位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括7個(gè)GNSS自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)以及配套的服務(wù)器、工作站等。

1.3 功能實(shí)現(xiàn)

采用中央控制裝置對(duì)所有的測(cè)控裝置進(jìn)行巡測(cè)，測(cè)量完成后，所測(cè)得的數(shù)據(jù)信息均能夠自動(dòng)儲(chǔ)存在中央控制裝置中，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有測(cè)控?cái)?shù)據(jù)信息的集中存儲(chǔ)。自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所使用的測(cè)控裝置能夠按照既定的時(shí)間設(shè)置完成所有的巡測(cè)，并將測(cè)控得到的信息數(shù)據(jù)傳輸至中央控制裝置。①監(jiān)測(cè)功能：監(jiān)測(cè)功能主要是通過各類傳感器來實(shí)現(xiàn)的，水庫大壩滲流自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以通過預(yù)設(shè)隨時(shí)完成對(duì)壩體各測(cè)控裝置的監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)的時(shí)間、次數(shù)可以根據(jù)需求進(jìn)行隨意設(shè)計(jì)，監(jiān)測(cè)的形式可以是單點(diǎn)、多點(diǎn)、選測(cè)等。②顯示功能。顯示功能主要是指對(duì)水庫大壩滲流總體情況以及壩體內(nèi)部各檢測(cè)子系統(tǒng)的情況、監(jiān)控圖、報(bào)警狀態(tài)等。③操作功能。操作功能是指可以在計(jì)算機(jī)或微機(jī)上進(jìn)行各種形式的監(jiān)視操作，也可以進(jìn)入控制系統(tǒng)將所監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出、打印、報(bào)告、評(píng)估等。④綜合信息管理功能。主要是指各種報(bào)表的制作、數(shù)據(jù)庫的管理以及安全評(píng)估。例如對(duì)定位測(cè)量、節(jié)點(diǎn)測(cè)量的控制；傳感器數(shù)據(jù)的入庫；信息數(shù)據(jù)的打??；遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通訊等[3]。

1.4 軟件設(shè)計(jì)

水庫大壩滲流自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能主要包括大壩測(cè)壓、水雨測(cè)報(bào)、原始數(shù)據(jù)管理、工程資料管理、系統(tǒng)設(shè)置、常用網(wǎng)站鏈接等6個(gè)部分。根據(jù)現(xiàn)有的水庫測(cè)報(bào)系統(tǒng)電位布設(shè)情況，設(shè)置有中心站1處、雨量站3處。

1)大壩測(cè)壓。對(duì)大壩的測(cè)壓管進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控，使用安裝在大壩中的測(cè)壓管進(jìn)行比較測(cè)量，形成觀測(cè)段，設(shè)置不同的測(cè)量點(diǎn)，分析各段的浸潤線，比較實(shí)際浸潤線與歷史浸潤線，及時(shí)對(duì)水庫壩體的水位壓力及其變化進(jìn)行掌控。其中，壓力計(jì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)是系統(tǒng)的核心功能之一。

2)水雨數(shù)據(jù)查詢。它可以查詢水雨情況的原始數(shù)據(jù)，根據(jù)特定的日期和時(shí)間生成特定的存儲(chǔ)容量/流量數(shù)據(jù)，并可以根據(jù)日、月、年和時(shí)間段降雨生成水位表，例如：日降雨報(bào)告，年度平均水位報(bào)告等，為水庫管理提供參考。根據(jù)水和雨的條件，它還可以生成年、月和日的水位過程線和降雨直方圖，支持動(dòng)態(tài)繪制豐富的圖形元素。

3)數(shù)據(jù)的維護(hù)和查詢。根據(jù)水庫的日常管理需求，進(jìn)行數(shù)據(jù)維護(hù)和查詢。支持降雨數(shù)據(jù)修改、水位數(shù)據(jù)修改、測(cè)壓儀和站水文參數(shù)修改、降雨權(quán)重設(shè)置、水位-存儲(chǔ)關(guān)系設(shè)置、站工作查詢、每月降雨日查詢、每天24h降雨查詢等功能管理，支持?jǐn)?shù)據(jù)庫修改、編輯、選擇、設(shè)置和其他操作，并在菜單中提供幫助信息。

1.5 系統(tǒng)通信和入庫

自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中軟件功能的實(shí)現(xiàn)需要高質(zhì)量通訊技術(shù)的支持，一般常用的通信方式包括超短波、GSM短信息以及GPRS無線網(wǎng)絡(luò)這3種，經(jīng)過對(duì)比上述3種通訊技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，最終確定選擇使用GSM通信技術(shù)。GSM通信手段與超短波、GPRS無線網(wǎng)絡(luò)相比，不需要設(shè)置中繼站，且通信的質(zhì)量更加安全可靠，可以在測(cè)試站附近使用，降低了整個(gè)通信系統(tǒng)成本。該系統(tǒng)采用自報(bào)告和呼叫測(cè)試的混合工作系統(tǒng)，即除了讓所有站點(diǎn)根據(jù)設(shè)置的時(shí)間或其它參數(shù)自動(dòng)完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息采集與報(bào)告外，所設(shè)置的中心站點(diǎn)還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)測(cè)壓管數(shù)據(jù)的召測(cè)，并利用自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部的計(jì)算軟件將水庫壩體的浸潤線進(jìn)行表征，為大壩安全數(shù)據(jù)的調(diào)度提供保障。主要措施如下：

1)向前置機(jī)自動(dòng)取數(shù)。信息數(shù)據(jù)的顯示主要包括三個(gè)項(xiàng)目，強(qiáng)雨站信息數(shù)據(jù)的顯示、壩體壓力計(jì)數(shù)據(jù)的顯示、原始數(shù)據(jù)的顯示。其中強(qiáng)雨站顯示數(shù)據(jù)主要包括水位、電壓等參數(shù)；壓力計(jì)的檢測(cè)數(shù)據(jù)主要包括水溫、大氣等參數(shù)；接收的原始數(shù)據(jù)主要是指對(duì)比原始數(shù)據(jù)與數(shù)字變送器的實(shí)時(shí)通信。狀態(tài)欄能夠?qū)ι鲜龈黜?xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行查看，且狀態(tài)欄是與系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫連接的，一般情況下是以最小化系統(tǒng)的運(yùn)行界面進(jìn)行，能夠自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的接收與傳輸，并將接收到的信息數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)庫。

2)數(shù)據(jù)召測(cè)。能夠采用手動(dòng)或定期形式對(duì)測(cè)試站的信息數(shù)據(jù)采集形式進(jìn)行確定，用來對(duì)水庫壩體進(jìn)行巡測(cè)。通過操作界面左側(cè)位置處的“站點(diǎn)選擇”來確定待巡測(cè)的站點(diǎn)，并將其添加在右側(cè)位置，之后結(jié)合實(shí)際情況對(duì)巡測(cè)頻率進(jìn)行設(shè)置，比如設(shè)置為1h，則表明每間隔1h對(duì)待測(cè)站點(diǎn)壩體數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與采集。利用界面中測(cè)站設(shè)置滿足不同條件的站點(diǎn)測(cè)量?！傲⒓礈y(cè)量”框中的功能是：當(dāng)要立即測(cè)量站點(diǎn)時(shí)，在“站點(diǎn)選擇”框中選擇“選擇要測(cè)量的站點(diǎn)”，然后單擊“即時(shí)測(cè)量”框中的“確定”按鈕以立即測(cè)量站點(diǎn)。系統(tǒng)發(fā)出測(cè)量命令后，終端發(fā)送的數(shù)據(jù)包將顯示在空白欄中[4]。

2 實(shí)際應(yīng)用評(píng)價(jià)

自松子坑水庫大壩滲流自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)投入使用后，實(shí)際應(yīng)用情況表明，該自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的實(shí)用功能性，所使用的技術(shù)較為先進(jìn)，運(yùn)行穩(wěn)定，且系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)開放，數(shù)據(jù)采集、傳輸準(zhǔn)確可靠，滿足了水庫大壩滲流數(shù)據(jù)信息的自動(dòng)化采集、模型化處理以及分析評(píng)判等[5]。但總體而言，該系統(tǒng)在極端惡劣的環(huán)境下，會(huì)偶發(fā)性出現(xiàn)數(shù)據(jù)中斷問題，表明該系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性存在改進(jìn)空間。

3 結(jié) 論

水庫大壩的安全運(yùn)行是發(fā)揮水庫效益的保證，水庫大壩滲流自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，是提升水庫安全運(yùn)行性的重要手段，自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用能夠?yàn)榉治鏊畮靿误w的滲流穩(wěn)定分析提供數(shù)據(jù)支撐，有效地提升了監(jiān)測(cè)效率，降低了監(jiān)測(cè)手段滯后帶來的不可靠分析發(fā)生的概率，為水庫大壩的穩(wěn)定運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。