基于物联网技术的水库大坝安全监测探讨

张竞竞

(山西省水利水电勘测设计研究院生态水利分院)

随着水力资源的不断开发利用，水库大坝及其他类型的水工建筑物数量持续增加，发生水工事故的几率也在加大。各地出现的重大水工事故使人们认识到，水库大坝监测对于拦水建筑物设施安全来说必不可少。对于任何施工和蓄水运行中的水库大坝，都应布设监测系统，及时量测汛期非常规条件下的坝体及基础变形、渗压渗流、应力应变状态等，以掌握大坝及其基础的发展演变趋势，对可能出现的事故前兆进行预报预警并提出处理措施与建议，适时排除安全隐患，以保证人民群众的生命财产安全。水库大坝的安全监测，应建立在对监测数据的快速采集、传输、分析、处理的基础上，是为工程管理部门服务的安全决策支持系统。本文结合耿庄水库工程的实际，应用物联网技术，对水库大坝监测系统的必备条件、监测内容以及系统的主要设计问题进行了探讨，以制定最佳的大坝监测方案，使大坝安全监测趋于理想状态。

1 物联网技术简介

物联网即无线传感器网络，是继计算机、互联网和移动通信之后的又一次信息产业革命，目前已被正式列为国家重点发展的战略性新兴产业之一。美国《技术评论》杂志提出，传感网络技术将是未来改变人们生活的十大技术之首。具体地说，就是把多个感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、供水系统、水库大坝、油气管道等各种物体中，并相互连接，形成物联网。

1.1 技术架构

无线传感器网络(Wireless Sensor Network)综合了微电子技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等先进手段，能够协同地实时监测、感知和采集网络覆盖区域中各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理，处理后的信息通过无线方式发送给用户。从技术架构上来看，物联网可分为三层:

1.1.1 感知层

感知层由各种传感器以及传感器关联构成，包括二氧化碳浓度传感器、温度传感器、湿度传感器、摄像头、GPS等感知终端，其主要功能是识别物体，采集信息，其作用相当于人的眼、耳、鼻、喉和皮肤等神经末梢。

1.1.2 网络层

网络层由各种互联网、有线和无线通讯网、云计算平台等组成，负责传递和处理感知层获取的信息，相当于人的神经中枢和大脑。

1.1.3 应用层

应用层是物联网和用户(包括人、组织和其他系统)的接口，它与行业需求结合，实现物联网的智能应用。

1.2 应用领域

物联网的行业特性主要体现在其应用领域内，目前，农业监控、工业监控、城市管理、智能交通和环境监测等各个行业，均有物联网应用的尝试，某些行业已经积累了一些成功的案例。

2 水库工程应用实例

2.1 耿庄水库简况

耿庄水库是万家寨引黄工程北干线向朔州市供水线路末端的调节水库，位于朔城区陡沟村南、秋寺院村东，南连大同—运城二级公路，东北紧邻平朔—秦皇岛专用铁路。水库按双库设计，两库库容均为118万 m3，总库容236万m3。一库位于工程区西部，二库位于工程区东部，均属半挖半填型平原围封水库。大坝均为碾压均质土坝，坝顶高程均为1 127.70 m，最高蓄水位均为 1 126.0 m;坝高 0－10.5 m，坝顶宽 7.0 m/8.0 m;一库大坝轴线长度2 237.6 m，二库大坝轴线长度2 155.5 m，共用坝段长697 m。该水库的主要任务是年调节、事故调节、水量平衡、沉积处理泥沙，同时兼有反调节功能。

2.2 监测系统的必备条件

水工建筑物受周围环境因素变化的影响，按各自的物理力学性能对其做出不同的反应。就监测建筑物的性状而论，将视原因或环境量与效应量两类不同的物理量而定。作用于水库大坝的主要原因量有库水位、气温、水温等。就耿庄水库工程的具体情况来看，可能的影响因素有大气状态导致建筑物体积与受力的变化、库水深度使库底倾斜导致位移的变化以及地震的破坏等。这些因素，有的影响极微，有的可根据将来的运行情况酌情予以考虑。从重力的角度看，笔者认为库水位是起决定作用的原因量。

大坝及基础一般产生的效应量为:内部应变及应力、绝对的和相对的水平与垂直位移、渗流流量等。根据耿庄水库碾压均质土坝的工程实际，有必要对这些效应量进行全面监测。据分析，影响整体安全的关键效应量依次为:绝对水平位移(产生预料所不及的大量滑动)，渗流变化(是否会产生意外的管涌现象变化)，垂直位移(导致水工建筑物产生过分的变形，使之运转不灵)。

以上情况只是从两类物理量的静止状态来说的。事实上，随着时间的推移，有必要测出两类物理量随时间的变化程度，评价变化着的原因量和效应量对整体安全的影响。要使监测系统能够圆满地完成监测主要原因量的反应任务，并且及时地评价各个效应量所表示的安全程度，这样的有效安全监测系统必须具备三个条件:一是量测的速度与频度需与量测物理量的演变速度相一致，量测的精度需与被量测物理量量级与变化幅度相适应;二是要有可能同时和全面地处理务实测量的分析与比较;三是要在量测完成之后立即完成处理、分析数据工作。

2.3 安全监测系统的结构

主要包括两个子系统:量测系统和资料管理系统。对于大坝监测系统来说，也就是由大坝监测区设备及中心监测站设备两部分组成。

2.3.1 量测系统

安全监测系统中的量测系统，是由量测物理量及其必要转换的若干仪器设备组成的协调统一体。由于建筑物的安全监测具有时间和空间概念，所以量测系统的组成，应该视坝的类型、规模及坝在施工过程与运行寿命中的各个不同阶段而有所变化。

2.3.2 资料管理系统

对实测的原因量及效应量进行处理、解释、储存。

2.4 物联网在大坝安全监测中的应用

根据碾压均质土坝的工程特性及耿庄水库工程的具体技术条件，设计以下四项监测内容:(1)变形监测:竖向位移监测，采用水准法测量;横向水平位移监测，采用视准法测量。变形观测点采用墩式钢筋混凝土结构，墩顶予埋强制对中底盘。(2)水库渗流量监测:采用三角量水堰。(3)库水位监测:采用测尺和自动测报水位计，二者并用。(4)渗流监测:采用无线渗压计。根据正常运行期间必须逐日量测环境原因量及渗流的准则，监测系统的重点应放在库水位和渗流的监测上。

2.4.1 系统组成

系统由中心监测站设备及水库大坝监测区设备两部分组成。中心监测站设备由计算机系统和ISM频段的无线数据转换器组成;大坝监测区设备由ISM频段的无线数据路由器、无线测压管水位传感器、无线扬压力传感器及无线水库水位传感器组成。大坝自动化监测系统共监测2个库水位和12个渗流渗压点，采用干电池供电(太阳能)的低能耗无线水位传感器，无线 ISM 频段符合 IEEE802.15.4标准，把采集到的水位数据按一定时间间隔发送给无线路由器，无线路由器再把数据传送给和计算机系统相连的无线数据转换器，计算机把接收到的水位数据进行处理，以图表形式显示分析库水位、坝体渗流、坝基渗流和扬压力。

大坝监测区设备由2个无线智能库水位计(无线水位传感器)和12个分布于各个测压管的无线渗压计组成。无线智能库水位计连续不断地监测库水位，当库水位有1 cm的变化时，通过ISM频段主动发送数据到中心监测站;或者当监测站需要实时数据时，发送命令给无线智能库水位计，可实时发回监测数据。

水位传感器为低能耗的数字压阻式传感器，灵敏度高，分辨率高，体积小，安装于测压管底部的死水位以下。数据传输无线装置和太阳能电池系统安装于测压管管口保护盖上。无线渗压计采用干电池供电(3－5年换一次电池，大多数时间处于休眠状态)，当收到中心监测站发出的命令时，采集数据并把数据通过无线电波发回。渗压计也采用低能耗的数字压阻式传感器，放置于测压管底部，通过防水线缆与放置于测压管口的无线数据传输装置相连。

中心监测站设备由计算机系统(包括计算机、打印机、后备电源等)和无线数据转换器以及大坝监测软件组成。

2.4.2 系统特点

系统的主要特点:(1)所有设计均采用国际或国家水利行业标准;(2)系统可在温度 －40℃ －60℃环境下正常工作;(3)通讯采用无线ISM频段，通讯协议采用IEE802.15.4标准;(4)无线水位传感器采用低能耗设计，用普通干电池供电，可工作5年以上;(5)各个设备相互独立，系统防雷电、抗雷击能力强;(6)系统寿命和平均无故障时间长，某一设备损坏并不影响整个系统;(7)系统具有自检测故障功能;(8)施工简单，安装、维修方便。

2.4.3 主要技术指标

主要技术指标:(1)水位测量精度优于1 cm;(2)水位测量分辨率优于0.02%;(3)水位量程0－100 m;(4)所有设备至均无故障时间大于30 000 h;(5)无线通讯频段433 M或2.4 GHZ;(6)无线数据通讯最大速率250 KBPS;(7)系统使用寿命大于10年;(8)系统容量可接无线水位传感器6万个。

2.4.4 系统工作机制

系统工作机制为自动式，这是一种不受监测中心站指令控制的工作方式，当发生一个计量单位变化时，主动将信息向中心站发送。其特点是能耗低、结构简单、实时性强，能很好地反映参数变化全过程。

3 结语

从水库大坝监测技术的发展趋势来看，已从以验证设计为主向以监测安全为主转移。基于无线传感器网络(物联网)的水库大坝安全监测系统，可使监测资料分析从被动性的后处理向主动性的实时分析转变。因此，要求我们要用全新的观念去研究和设计大坝安全监测系统。本文是我们的初步尝试成果，有待在今后的实践中进一步完善。