大坝安全监测自动化在彰武水库的应用

□孙丽芳（安阳市彰武南海水库工程管理局）

1.概况

彰武水库位于安阳市西南25km的海河流域卫河支流洹河上，总库容0.78亿m3，与上游10km的小南海水库组成两座梯级水库，总控制流域面积970km2，占洹河总流域面积1920km2的50.5%，对控制洹河洪水十分有效。彰武水库开发目标主要为防洪、灌溉、城市工业供水和兼顾发电、水产养殖等，以调节径流、兴利为主，与上游小南海水库联合运用，确保安阳市区、京广铁路、京珠高速、南水北调、107国道、世界文化遗产殷墟和沿河两岸群众的生命财产安全。彰武水库除险加固前，大坝安全检测中的坝基渗流压力、坝体渗流压力监测、渗流量监测由人工采用测响锤每周测量一次，水位由人工每天观测两次，雨量由人工观测，监测方式落后，且易出现失误，已不能满足水库的发展需要。2010年，为提高彰武水库的现代化管理水平，充分发挥水库综合效益，彰武南海水库工程管理局结合除险加固工程，建设了大坝安全监测自动化系统。2010年10月安装了渗流监测系统，11月安装环境量监测系统，12月安装了现场测控单元（MCU）。

2.大坝安全监测系统构建

2.1 系统组成

彰武水库大坝安全监测系统由数据自动采集系统和安全监测信息管理分析系统两部分组成。

2.1.1 数据自动采集系统：由布设在水库坝体内部和表面的的传感器、分布在各观测房内的测量控制单元（MCU）以及位于监控分中心站的计算机及其他辅助设备等组成，其目的是能够快速、及时、准确的采集到传感器的监测数据，并且能够及时、准确的把这些数据传送到监控分中心站的计算机内。

2.1.2 安全监测信息管理分析系统：该系统充分利用计算机多媒体先进的软、硬件技术，实现集成智能的数据管理、信息分析、推理和辅助决策，实时监测大坝的运行状况，为对大坝安全状况作出准确而高效的评判及决策提供可靠的依据，以充分发挥工程的效益。

2.1.3 根据彰武水库的实际情况，监控中心站建在水库附近的管理局通讯站内，通过通讯电缆与现场的测量控制单元相连。

2.2 系统监测项目布置

彰武水库大坝安全监测系统的主要监测内容为大坝渗流监测、水库水位监测、水库雨量监测和水库温度监测四部分。四部分内容现场数据的采集由相应的传感器完成，通过专用电缆引入测量控制单元（MCU），其中部分数据也可以通过人工录入的方式接入系统。

2.2.1 渗流监测项目

坝基渗透力和坝体浸润线监测：坝基渗透力和坝体浸润线大部分采用新埋设的观测管，个别采用老观测管，坝基渗透力测压管15个，坝体浸润线测压管15个。为了实现自动化观测，在每个观测管内放1支渗压计，所有渗压计均通过电缆引向大坝右岸的操纵室内。

渗流量监测：彰武水库为降低下游坝坡处的渗透压力，于1963年在主坝下游沿坝脚修建降压廊道长424m，宽1.2m，高2.1m，内建降压井41眼。1988年在廊道新设40根导管，每两眼降压井中间布设一根导管。在下游坝坡坡角布设一排降压井，通过导渗廊道和导渗管将基础的渗透压力释放出来，以确保坝体的稳定。基础内释放的水通过位于桩号0+627，距坝轴线120m处的量水堰进行监测。对原量水堰进行底部清理、更新水尺，同时在量水堰上安装1支堰流计，堰流计通过电缆引向大坝右岸电站的操作室内。

2.2.2 环境量监测项目

为了实现水库环境量的自动化观测，在水库内靠近大坝右岸操纵室的位置设置1支水位计，在水库电站操纵室房顶上设置自动雨量计1支和温度传感器1支，用以自动测量水库水位、雨量和温度。这些测量仪器采集的数据均通过电缆传送至设在大坝右岸的电站操纵室内监测站。

2.2.3 数据自动采集单元

数据自动采集单元是用来读取大坝安全监测各种传感器实测数值的设备，即现场测控单元（MCU）。彰武水库大坝安全监测系统的MCU安装在大坝右岸电站的操纵室内。各传感器通过专用电缆与MCU单元连接，MCU则通过光缆将这些集中采集到的数据传送到设在水库管理局通讯站内的监控机上。

2.2.4 监控中心站

根据水库的实际情况，监控中心设置在水库管理局通讯站内，配置监控机1台，通过光缆与现场测控单元（MCU）相连，通过无线宽带接入设备与市水利局监控中心相连。

2.3 大坝安全监测系统施工

沿坝顶路面开挖50cm×50cm电缆沟，人工把沟底虚土进行摊平并埋设φ50PVC管道，PVC管口用PVC专用接头连接并用PVC专用胶粘接，PVC管中穿钢丝以便敷设检测仪器电缆。

坝顶0+137.6平台线缆从0+0851通过与埋设PVC管道至溢洪道西耳房3楼，下游0+128平台线缆从0+0852延水沟30cm通过与埋设PVC管道至溢洪道西耳房3楼，下游0+121平台线缆从0+0853延水沟15cm到0+6003通过与埋设PVC管道128平台0+6002管道至溢洪道西耳房3楼。温度计安装在溢洪道楼顶西墙角。线缆从外墙到溢洪道闸房西办公室3楼。

大坝安全检测数据采集单元安装在溢洪道西耳房3楼西墙上，数据通过采集单元采集数据并通过光缆传到办公楼服务器。

3.大坝安全监测系统功能

彰武水库大坝安全自动化启闭系统主要是通过监控主机（工控机）监控部件检测大坝及数字信息自动化采集与传输，并在计算机上以实时图像和数字以人机界面的形式反映出来，能够在监控中心远程、直观地了解大坝渗流、水位、雨量、温度等的运行情况，达到可以在计算机上远程地监控大坝运行状况。

3.1 监测功能

可随时采集、监测各类传感器数据，监测大坝运行情况，对每支传感器设置其警戒值，如传感器数据超过警戒值，系统能够以各种方式自动进行报警。监测数据的采集方式有选点测量、巡回测量、定时检测，并可在模块和采集单元（MCU）上进行人工测读。

3.2 显示功能

显示水库输泄水建筑物及大坝系统的总貌、各监测项目概貌、监测项目布置图、监测项目变化过程曲线、监测数据分布图、报警状态显示窗口等。

3.3 操作功能

在监控主机输入、输出监测数据、自动生成并打印日报表、月报表、年报表、监测现有传感器状态、查询监测项目历史数据；整个系统的运行管理（包括大坝调度、水库进库流量、出库流量、库水位、每月最高、最低水位等）；修改大坝安全监测系统配置、大坝安全监测系统测试、大坝安全监测系统维护等。

3.4 网络浏览功能

建立与水库管理局MIS网的联接，可与网内各站点通过Web、FTTP和Email进行信息交流，网内各计算机可通过浏览器访问本系统有关的实时数据和图表，确保水库所有职工随时了解大坝运行情况。

3.5 测量控制单元（MCU）的功能

采集大坝监测仪器，并通过系统对传感器在水中漂移引起的误差进行修正。同监控主机进行通信，可实现选点测量、巡回测量、定时检测，并带有人工测读接口，可进行人工测量。具有自检功能，自检内容包括数据存储器、程序存储器、中央处理器、供电状态、测量电路以及传感器线路状态等。系统将故障信息输送到监控中心计算机，以便水库维修。

3.6 监测中心站功能

对测量控制单元进行编程、修改设备及修改运行方式。操作人员下发指令给MCU，使其按指定的方式进行数据采集，并可进行人工读数的输入，汇集各MCU存储的数据。显示仪器位置参数、MCU设置记录、工作状态、显示和打印监测结果、各类报表、过程线等。数据的通信及远程传输，可以把有关的测量结果传递到水库管理局以及市水利局等。

彰武水库大坝安全监测采用自动化后，由监控主机（工控机）可以直接监测坝基渗流压力、坝体渗流压力、渗流量、雨量、水位、温度等，观测数据准确无误，实现对整个坝体的全方位实时监测，通过监测信息管理分析软件实现对坝体安全指标的评估，为水库工程管理提供最直接的决策依据。同时，彰武水库自动化形成了综合自动化系统网络系统，主要由大坝安全监测系统、闸门远程监控系统、水库视频监视系统、雨量遥测系统、洪水调度系统等组成，有效提高了水库综合自动化水平。