濟(jì)寧市尹城水庫大壩安全自動監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

郝曉輝，李鵬明，高 原

（1.山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250014；2.山東高速城鄉(xiāng)發(fā)展集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

尹城水庫位于淮河流域泗河支流蘆城河上游，控制流域面積34.6 km2，總庫容1 300 萬m3，是一座以防洪、灌溉為主兼顧發(fā)電、漁業(yè)養(yǎng)殖的中型水庫。水庫樞紐由大壩、放水洞和溢洪道等部分組成。大壩為折線型均質(zhì)壩，全長1 045 m，設(shè)計最大壩高21.3 m，設(shè)計壩頂高程124.69 m，壩頂寬5.0 m。溢洪道為開敞式，設(shè)計底高程120.39 m，寬度60 m。水庫有東、西兩座放水洞，東放水洞設(shè)計輸水流量為1.8 m3/s、西放水洞設(shè)計輸水流量為1.25 m3/s。

1 水庫安全監(jiān)測設(shè)施現(xiàn)狀

目前，尹城水庫僅有雨水情觀測設(shè)施和水庫視頻監(jiān)視系統(tǒng)，監(jiān)視系統(tǒng)由1 臺16 路嵌入式數(shù)字硬盤錄像機(jī)、工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)、6 臺一體化球型攝像機(jī)、監(jiān)視工作站組成。

2 水庫安全監(jiān)測主要問題及需求分析

2.1 主要問題

1）大壩無壩體表面變形監(jiān)測設(shè)施，不能及時掌握壩體危害性裂縫、沉降、滑坡等病險情及安全隱患。大壩無壩體及壩基滲流壓力監(jiān)測設(shè)施，不能監(jiān)測散浸、滲水、流土、管涌等病險情及安全隱患。

2）水庫無大壩安全運行監(jiān)測分析管理系統(tǒng)軟件，不能對大壩整體安全進(jìn)行分析評價。監(jiān)測手段傳統(tǒng)單一，自動化程度低，不能滿足水庫標(biāo)準(zhǔn)化管理的需要。管理人員少、專業(yè)水平低。

2.2 水庫安全監(jiān)測設(shè)施需求分析

建立可靠有效的水庫大壩安全自動監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對大壩的滲流，變形等重要參量的實時監(jiān)測和預(yù)警是非常必要的。系統(tǒng)建立后水庫各級管理部門可以及時掌握水庫運行狀況，及時實施有效的指揮調(diào)度。

1）水庫重要運行數(shù)據(jù)的采集、傳輸、計算、分析。包括庫區(qū)上游來雨量、庫區(qū)水位、壩體表面變形監(jiān)測、壩體及壩基滲流壓力監(jiān)測等。

2）各項監(jiān)測數(shù)據(jù)的歷史變化過程及實時狀態(tài)直觀顯示，可為水庫管理人員提供簡單有效、直觀明了的信息參考。

3）預(yù)警信息及時發(fā)布。對各項實時數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘，分析驗算，科學(xué)客觀地評價壩體實時狀態(tài)；當(dāng)水庫某項指標(biāo)出現(xiàn)異常（如水庫水位超過警戒水位，壩體位移或位移速率超過警界值，壩體浸潤線異常等），系統(tǒng)能及時發(fā)出預(yù)警信息（包括聲光報警、監(jiān)測大屏顯示、短信報警功能等）。報警及時、迅速，做到超過限值立即預(yù)警。

4）管理及時便捷?？蓪崿F(xiàn)水庫安全監(jiān)測系統(tǒng)的遠(yuǎn)程登錄、遠(yuǎn)程訪問、遠(yuǎn)程管理和遠(yuǎn)程維護(hù)。

3 主要建設(shè)內(nèi)容

1）大壩滲流監(jiān)測。構(gòu)建大壩滲流監(jiān)測系統(tǒng)，新建大壩滲流觀測管，部署新一代大壩遠(yuǎn)程跟蹤式激光智能滲壓遙測儀設(shè)備，實現(xiàn)對大壩滲流的實時在線監(jiān)測。

2）大壩壩體表面變形監(jiān)測。壩體表面變形監(jiān)測內(nèi)容包括壩面的垂直位移和水平位移，部署GNSS 位移觀測設(shè)備，實現(xiàn)對大壩表面變形的實時在線監(jiān)測。根據(jù)大壩的長度、分布等現(xiàn)狀，在5 個斷面部署17 處位移監(jiān)測點，建設(shè)可靠、高速的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)各測站數(shù)據(jù)與中心的實時傳輸。

3）管理處軟硬件環(huán)境建設(shè)。利用現(xiàn)有的辦公環(huán)境及網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫軟件、大壩安全自動監(jiān)測信息管理系統(tǒng)軟件等，預(yù)留巡視檢查、變形監(jiān)測、壓力(應(yīng)力)監(jiān)測、環(huán)境量監(jiān)測等接入功能，全面提升大壩安全信息化規(guī)范化管理水平。

4）建設(shè)安全分析子系統(tǒng)。通過對大壩壩體表面變形、大壩滲流等指標(biāo)的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)分析驗算，科學(xué)、客觀地評價實時安全狀態(tài)和變化趨勢。

5）建設(shè)信息化平臺。包括實時狀態(tài)、常規(guī)監(jiān)測、安全監(jiān)測、安全分析、視頻監(jiān)控、調(diào)度管理和電子檔案7 個功能模塊。

4 監(jiān)測系統(tǒng)組成

4．1 大壩滲流監(jiān)測系統(tǒng)

大壩滲流監(jiān)測系統(tǒng)由測壓管、遠(yuǎn)程跟蹤式激光智能滲壓遙測儀、無線通信管理網(wǎng)關(guān)、太陽能供電裝置及管口保護(hù)裝置組成。對水庫大壩8 個監(jiān)測斷面的24 處滲壓監(jiān)測點，部署新一代遠(yuǎn)程跟蹤式激光智能滲壓遙測儀監(jiān)測設(shè)備，實現(xiàn)對大壩滲流監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、存儲、上傳管理功能。

1）監(jiān)測儀器選擇。大壩滲壓自動監(jiān)測選用遠(yuǎn)程跟蹤式激光智能滲壓遙測儀。該設(shè)備采用機(jī)電一體化控制與高精度激光測量技術(shù)，可自動跟蹤滲壓水位變化，實現(xiàn)對水利設(shè)施的滲壓水位非接觸式測量，避免了因水質(zhì)腐蝕、淤積、結(jié)垢和微生物等導(dǎo)致傳統(tǒng)接觸式水位傳感器失靈的現(xiàn)象，克服了因滲壓管傾斜彎曲使激光束無法測量的技術(shù)弊端，測量精度高，使用壽命長，運行穩(wěn)定可靠，是激光測距技術(shù)在測水量水領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用。根據(jù)尹城水庫現(xiàn)場實際情況，依據(jù)每個測壓管的管口高程、管底高程、變幅等數(shù)據(jù)確定監(jiān)測設(shè)備量程，通過遠(yuǎn)程跟蹤式激光智能滲壓遙測儀監(jiān)測測壓管內(nèi)的水位變化情況。

2）滲流監(jiān)測系統(tǒng)功能。包括對壩體和壩基的滲流浸潤線數(shù)據(jù)，能定時和不定時地自動采集和存儲；對大壩滲流作用情況進(jìn)行實時定性定量的簡單分析，實時顯示各監(jiān)測斷面的滲流浸潤線以及數(shù)據(jù)報表等；對大壩滲流安全實時監(jiān)測、分析和預(yù)警等內(nèi)容。

4.2 大壩表面變形監(jiān)測系統(tǒng)

1）監(jiān)測設(shè)備選型。GNSS 全稱是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，GNSS 監(jiān)測系統(tǒng)主要由空間部分（人造地球衛(wèi)星）、地面監(jiān)控部分（分布在地球赤道上的若干個衛(wèi)星監(jiān)控站、注入站和主控站）和用戶部分（用于接收衛(wèi)星信號的設(shè)備）組成。GNSS 監(jiān)測系統(tǒng)主要包括天線、接收機(jī)、通訊系統(tǒng)及相關(guān)解算、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及分析處理軟件等組成部分。GNSS 在變形監(jiān)測中具有測站間無需通視，可提供監(jiān)測點的三維位移信息，全天候監(jiān)測，監(jiān)測精度高，操作簡便，易于實現(xiàn)監(jiān)測自動化等特點。根據(jù)水庫大壩的實際情況，水庫大壩新建變形監(jiān)測點設(shè)備全部使用GNSS 監(jiān)測，今后觀測以GNSS 監(jiān)測系統(tǒng)為主，實施自動化觀測。

2）變形監(jiān)測系統(tǒng)功能。建立GNSS 監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)水庫大壩的水平位移監(jiān)測與垂直位移監(jiān)測，同時，為滿足水庫達(dá)標(biāo)建設(shè)要求，在建立GNSS監(jiān)測系統(tǒng)的同時，在可實現(xiàn)全站儀監(jiān)測的部分?jǐn)嗝媸褂酶呔热緝x進(jìn)行定期人工監(jiān)測，獲取GNSS 監(jiān)測數(shù)據(jù)的冗余觀測，建立人工觀測數(shù)據(jù)檔案，通過對兩種監(jiān)測方式獲取數(shù)據(jù)的對比與融合，提高壩體表面位移的監(jiān)測精度。

4.3 水庫安全運行綜合監(jiān)測分析管理系統(tǒng)

合理利用現(xiàn)有硬件平臺，實現(xiàn)對大壩滲流、表面變形數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，預(yù)留環(huán)境量、應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)對大壩安全運行全要素的綜合管理。

5 結(jié) 語

尹城水庫水庫大壩安全設(shè)施項目實施后，系統(tǒng)運行正常，實時地監(jiān)測到大壩的位移、變形、滲流等一系列大壩安全運行的重要參數(shù)，及時反映了工程實際運行情況，準(zhǔn)確地呈現(xiàn)了大壩安全狀態(tài)，提高了管理決策的準(zhǔn)確性和及時性，為工程設(shè)施的安全運行提供保障，為指揮部門及制定防洪抗旱調(diào)度方案決策提供科學(xué)依據(jù)。