濟(jì)寧市尹城水庫(kù)大壩安全自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(kù)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(kù)容1 300 萬(wàn)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(kù)。水庫(kù)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(zhǎng)1 045 m，設(shè)計(jì)最大壩高21.3 m，設(shè)計(jì)壩頂高程124.69 m，壩頂寬5.0 m。溢洪道為開(kāi)敞式，設(shè)計(jì)底高程120.39 m，寬度60 m。水庫(kù)有東、西兩座放水洞，東放水洞設(shè)計(jì)輸水流量為1.8 m3/s、西放水洞設(shè)計(jì)輸水流量為1.25 m3/s。

1 水庫(kù)安全監(jiān)測(cè)設(shè)施現(xiàn)狀

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

2 水庫(kù)安全監(jiān)測(cè)主要問(wèn)題及需求分析

2.1 主要問(wèn)題

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

2）水庫(kù)無(wú)大壩安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)分析管理系統(tǒng)軟件，不能對(duì)大壩整體安全進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。監(jiān)測(cè)手段傳統(tǒng)單一，自動(dòng)化程度低，不能滿足水庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)化管理的需要。管理人員少、專(zhuān)業(yè)水平低。

2.2 水庫(kù)安全監(jiān)測(cè)設(shè)施需求分析

建立可靠有效的水庫(kù)大壩安全自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)大壩的滲流，變形等重要參量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警是非常必要的。系統(tǒng)建立后水庫(kù)各級(jí)管理部門(mén)可以及時(shí)掌握水庫(kù)運(yùn)行狀況，及時(shí)實(shí)施有效的指揮調(diào)度。

1）水庫(kù)重要運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集、傳輸、計(jì)算、分析。包括庫(kù)區(qū)上游來(lái)雨量、庫(kù)區(qū)水位、壩體表面變形監(jiān)測(cè)、壩體及壩基滲流壓力監(jiān)測(cè)等。

2）各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的歷史變化過(guò)程及實(shí)時(shí)狀態(tài)直觀顯示，可為水庫(kù)管理人員提供簡(jiǎn)單有效、直觀明了的信息參考。

3）預(yù)警信息及時(shí)發(fā)布。對(duì)各項(xiàng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘，分析驗(yàn)算，科學(xué)客觀地評(píng)價(jià)壩體實(shí)時(shí)狀態(tài)；當(dāng)水庫(kù)某項(xiàng)指標(biāo)出現(xiàn)異常（如水庫(kù)水位超過(guò)警戒水位，壩體位移或位移速率超過(guò)警界值，壩體浸潤(rùn)線異常等），系統(tǒng)能及時(shí)發(fā)出預(yù)警信息（包括聲光報(bào)警、監(jiān)測(cè)大屏顯示、短信報(bào)警功能等）。報(bào)警及時(shí)、迅速，做到超過(guò)限值立即預(yù)警。

4）管理及時(shí)便捷。可實(shí)現(xiàn)水庫(kù)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程登錄、遠(yuǎn)程訪問(wèn)、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(cè)。構(gòu)建大壩滲流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，新建大壩滲流觀測(cè)管，部署新一代大壩遠(yuǎn)程跟蹤式激光智能滲壓遙測(cè)儀設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)大壩滲流的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。

2）大壩壩體表面變形監(jiān)測(cè)。壩體表面變形監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括壩面的垂直位移和水平位移，部署GNSS 位移觀測(cè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)大壩表面變形的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。根據(jù)大壩的長(zhǎng)度、分布等現(xiàn)狀，在5 個(gè)斷面部署17 處位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，建設(shè)可靠、高速的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)各測(cè)站數(shù)據(jù)與中心的實(shí)時(shí)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(kù)軟件、大壩安全自動(dòng)監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)軟件等，預(yù)留巡視檢查、變形監(jiān)測(cè)、壓力(應(yīng)力)監(jiān)測(cè)、環(huán)境量監(jiān)測(cè)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(guò)對(duì)大壩壩體表面變形、大壩滲流等指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析驗(yàn)算，科學(xué)、客觀地評(píng)價(jià)實(shí)時(shí)安全狀態(tài)和變化趨勢(shì)。

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

4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

4．1 大壩滲流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

大壩滲流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由測(cè)壓管、遠(yuǎn)程跟蹤式激光智能滲壓遙測(cè)儀、無(wú)線通信管理網(wǎng)關(guān)、太陽(yáng)能供電裝置及管口保護(hù)裝置組成。對(duì)水庫(kù)大壩8 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的24 處滲壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)，部署新一代遠(yuǎn)程跟蹤式激光智能滲壓遙測(cè)儀監(jiān)測(cè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)大壩滲流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、上傳管理功能。

1）監(jiān)測(cè)儀器選擇。大壩滲壓自動(dòng)監(jiān)測(cè)選用遠(yuǎn)程跟蹤式激光智能滲壓遙測(cè)儀。該設(shè)備采用機(jī)電一體化控制與高精度激光測(cè)量技術(shù)，可自動(dòng)跟蹤滲壓水位變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)水利設(shè)施的滲壓水位非接觸式測(cè)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(wú)法測(cè)量的技術(shù)弊端，測(cè)量精度高，使用壽命長(zhǎng)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，是激光測(cè)距技術(shù)在測(cè)水量水領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用。根據(jù)尹城水庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，依據(jù)每個(gè)測(cè)壓管的管口高程、管底高程、變幅等數(shù)據(jù)確定監(jiān)測(cè)設(shè)備量程，通過(guò)遠(yuǎn)程跟蹤式激光智能滲壓遙測(cè)儀監(jiān)測(cè)測(cè)壓管內(nèi)的水位變化情況。

2）滲流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能。包括對(duì)壩體和壩基的滲流浸潤(rùn)線數(shù)據(jù)，能定時(shí)和不定時(shí)地自動(dòng)采集和存儲(chǔ)；對(duì)大壩滲流作用情況進(jìn)行實(shí)時(shí)定性定量的簡(jiǎn)單分析，實(shí)時(shí)顯示各監(jiān)測(cè)斷面的滲流浸潤(rùn)線以及數(shù)據(jù)報(bào)表等；對(duì)大壩滲流安全實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、分析和預(yù)警等內(nèi)容。

4.2 大壩表面變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1）監(jiān)測(cè)設(shè)備選型。GNSS 全稱是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，GNSS 監(jiān)測(cè)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(gè)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(hào)的設(shè)備）組成。GNSS 監(jiān)測(cè)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(cè)中具有測(cè)站間無(wú)需通視，可提供監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維位移信息，全天候監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)精度高，操作簡(jiǎn)便，易于實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化等特點(diǎn)。根據(jù)水庫(kù)大壩的實(shí)際情況，水庫(kù)大壩新建變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)備全部使用GNSS 監(jiān)測(cè)，今后觀測(cè)以GNSS 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為主，實(shí)施自動(dòng)化觀測(cè)。

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

4.3 水庫(kù)安全運(yùn)行綜合監(jiān)測(cè)分析管理系統(tǒng)

合理利用現(xiàn)有硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)大壩安全運(yùn)行全要素的綜合管理。

5 結(jié) 語(yǔ)

尹城水庫(kù)水庫(kù)大壩安全設(shè)施項(xiàng)目實(shí)施后，系統(tǒng)運(yùn)行正常，實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)到大壩的位移、變形、滲流等一系列大壩安全運(yùn)行的重要參數(shù)，及時(shí)反映了工程實(shí)際運(yùn)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(shí)性，為工程設(shè)施的安全運(yùn)行提供保障，為指揮部門(mén)及制定防洪抗旱調(diào)度方案決策提供科學(xué)依據(jù)。