分析无线传感网络在大坝安全监测中的应用

易 伟

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵阳550081)

大坝安全监测系统可以由水库水位和坝体渗流及坝基渗流等进行实时的数据监测，对数据进行存储，及时进行图表的处理，对水库水位和枢纽区渗液位的分析，也可以提高大坝监测的效率，不仅能使数据采据的周期减少，还能提高数据采集频率与实时性，有效降低劳动的强度。

1 工程概述

贵州省东北部的石垭子水电站属于乌江水系左岸一级支流，处于洪渡河的中下游。石垭子水电站的枢纽以碾压混凝土重力坝与右岩引水发电系统共同组成。石垭子水电站的正常蓄水位可以达到544 m(高程)，水库的容量为3.215 亿m3，装机达到140 MW(2 ×70 MW)，出力26.1 MW，而年发电量为4.782 ×108kW·h。大坝堰顶高程为523.50 m，而厂房设置于右岩的山体内，属于地下厂房，以单一洞室的形式布置的，由右到左布置格局为主变室、安装室及主机、副厂 房等，全长99 m，洞室位于P1m2厚层，在灰层中厚层中具有较好的稳定性，距岸最短的距离有75 m。石垭子水电站的取水口是坝式进水口，进水口布置于大坝10#坝段，而底板的高程是504 m，以一条内径为7 m的引水隧洞引水到厂房。

2 大坝安全监测现状

从坝监测发展的历程可以发现，世界各国都以三种方式实现监测的自动化。从数据管理自动化到管理自动化配合部分采集自动化及全自动化。

我国关于大坝安全监测的研究工作早在20 世纪70年代就开始了，到了80年代已经取得了很大的进步，到了20 世纪90年代中期，我国的监测自动化技术发展的已十分成熟，使大坝安全监测在实时、稳定、可靠、实用等性能上得到了很大的提高。我国对大坝安全监测上使用的监测工具有几下几种，如表1 所示。

表1 我国大坝安全监测使用的监测工具和仪器

表1 中所示的我国大坝安全监测使用的监测工具和仪器都是利用有线传感器监测，现阶段还没有通过无线传感器网络实现监测的实例。我国传统有线监测是连接在控制处理的中心，中心对所有数据进行实时的处理。有线传感器由总线传输数据量不高，数量过大的传感器就要遇到数据采集的难题了。有线的连接既限制传感器的携带方便，还需要数据的存储具有准确性，需要非标准的输出格式工程单元。在一些大型重要应用的领域，传感器要独立使用导线完成数据监视、采集和控制连接。连接具有临时性，实验完成后就要拆卸或者重构［1］。

3 无线传感网络在大坝安全监测中的应用

以贵州省东北部的石垭子水电站为例，对应用的无线传感网络在大坝安全监测中的应用进行分析。

3.1 石垭子水电站中无线传感网络的监测应用

3.1.1 监测实施的情况

石垭子水电站的监测部位有大坝、地下厂房、引水及尾水系统、左右岩坝肩边坡、11#滑坡体。这些监测仪器已经全部完成安装，正式投入到运行中，安装的仪器和电缆按照图纸要求完成，按照石垭子水电站的监测特点，工程各部位开始运行分析。

3.1.2 大坝左、右岩的坝肩坡应用监测

大坝的左、右岸坝肩边坡有3个监测断面，安装了6 套多点位移计，3个测斜孔和10 支锚杆测力计，2 台锚索测力计，6个表面变形的监测墩。在2012年2月的11#堆积体建表面完成观测墩13个及500米观测通道。

3.1.3 大坝坝体的监测

大坝坝体的监测包括了混凝土温度和渗流、渗压、应力应变及大坝变形、水力学监测等方面内容。大坝混凝土温度的监测为:按照设计图纸的要求，在工程设计发生变更时，要通知工程联系，埋设了98支温度计。按照大坝浇筑的进度，全部完成了埋设工作。而仪器设计工作要在大坝垫层、坝体及导流底孔、导流洞等部位完成。通过石垭子水电站中无线传感网络的监测应用，可以对无线传感网络在大坝安全监测中的应用进行分析，分析结果如下:

1)主要的监测量

大坝级别不同监测项目也就不同，一级大坝与二级大坝的仪器监测上主要监测项目见表2。

表2 一级大坝与二级大坝的主要监测项目

2)应用无线传感网络的优势:应用无线传感网络，可以使用无线通信使很多困难得以克服，而且无线传感网络的优势为:与无线传感网络应用于大坝安全监测相比，传统的有线传感网络的施工时间长，而且投资大，连接导线十分繁琐，使用无线传感网络则可以省掉导线安装与校准的时间和工作程序。无线传感网络不需要使用导线完成传感仪器和大坝的连接，就大大降低了经费的投入。使用无线传感器在位置设计上可以在距离监测中心站更远的位置，甚至可以安置在具有危险性的区域。使用无线传感网络可以进行大量无线节点的布置，这样可以提高系统容错性与可靠性。无线传感网络易安装，易维护，易拆卸，可以在一个节点完成多传感器的集成。可以实现分布式的数据处理，对数据融合后可以降低数据传输量，减少能耗。

3)应用无线传感网络监测的系统设计:无线传感器在近些年来才成为科学研究的重点内容，在我国大坝安全监测中并没有得到广泛应用。对无线传感器网络的构建可以完成大坝安全的监测系统，而这种系统构思已经建立了初步系统的框架。可以说，大坝安全监测的系统的设计十分复杂，总的设计下要包括几项子系统，这些子系统可以进行数据采集与处理、评价。不同子系统有着不同的功能，一定要精心的设计，才可以实现系统完整的应用功能。

无线传感网络监测系统的核心是对大坝收集的数据进行综合的分析和推理，对数据、方法、模型及知识等各库都进行核心补充与延展作用。尤其是图形与图像库更是对数据库进行了必要的补充与延展，实现了系统的总控、信息系统的输入和输出，成为了系统的核心支持。在确定系统监测流程与数据的支持下，完成了系统间的联系，使系统保持良好操作环境与人机交互。

4 结 语

综上所述，无线传感网络有着极大的应用价值与应用前景。随着我国科学技术的发展，无线传感网络应用的领域也必将涉及的越来越广泛，既有大坝的安全监测，也有军事国防的监测、工农业的控制及生物医疗等领域。在无线传感网络上虽然还有很多问题没有解决，但是，通过实验还是可以逐步的成熟起来，为无线传感网络的应用打下坚实的基础。

［1］杨福宝. 基于ZigBee 无线传感器网络节点的研究［J］. 制造业自动化，2011，33 (10):85－88.