宫山嘴水库坝体自动化监测系统技术研究

宫山嘴水库坝体自动化监测系统技术研究

刘恒

(辽宁省水利水电科学研究院， 沈阳110003)

本研究为辽宁省科技成果转化专项计划项目：水库综合信息化管理技术(2011302004)。

摘要：本文通过对我国自动化监测系统现状和宫山嘴水库概况进行调研分析，找出其中的薄弱环节，采用模块化开放式的结构进行总体设计。构建了坝体外部变形监测系统、内部渗流监测系统和分析评价系统，分别从系统的测点布设、功能结构、监测方法等方面进行归纳总结。系统建成后，水库管理人员可实时了解水库大坝内部渗流与外部变形的实时信息和安全变化趋势，为水库防汛抗旱提供第一手资料，提高水库运行管理水平。

关键词：宫山嘴水库；外部变形；内部渗流

中图分类号：TV698.1

Study of Dam Automation Monitoring System Technology in

Gongshanzui Reservoir

LIU Heng

(ResearchInstituteofWaterResourcesandHydropowerofLiaoningProvince,Shenyang110003,China)

Abstract：In the paper, status quo of automation monitoring system in China and a survey of Gongshanzui reservoir are researched and analyzed, therefore weak links are discovered. Modular and open structure is adopted for overall design. Dam external deformation monitoring system, internal seepage monitoring system and analysis evaluation system are constructed. It summarizes and concludes respectively from the aspects of measuring point layout, functional structure, monitoring methods, etc. After the system is constructed, the reservoir management personnel can comprehend real-time information and safety change trends of reservoir dam internal seepage and external deformation, thereby providing first-hand information for reservoir flood control and drought resistance, and improving reservoir operation management level.

Keywords：Gongshanzui reservoir; external deformation; internal seepage

我国是世界上第一筑坝大国，同时也是世界上水库溃坝数量最多的国家，水库一旦垮坝将严重威胁人民的生命财产安全。因此，对水库大坝的安全监测是水库稳定运行与效益发挥的重要保证，传统的人工观测已无法满足水库现代化管理的高标准要求，必须采用自动化监测系统来实时掌握水库大坝当前安全状态及变化趋势。纵观国内外监测技术研究现状，监测工作主体仍以人工为主，监测、分析技术力量薄弱，无法及时发现、处理隐患，形成了一大批病险水库。土石坝监测系统技术尤为不足，在线监测分析评价相关技术尚不规范；监测系统实施关键技术和运行保障技术与措施尚不成熟。本研究选择宫山嘴水库为示范水库开展相关研究。

1枢纽概况

宫山嘴水库位于距建昌县城6km的宫山咀乡，是一座防洪、灌溉、发电、养龟、旅游等综合利用的大(2)型水库，库容1.2亿m3，绵延9km。水库由大坝、溢洪道、输水洞、电站和引水建筑物五部分组成。水库主坝为黏土心墙砂壳坝，溢洪道为直泄陡槽式，第一输水洞为坝内埋管结构。水库包含梯级电站4座，8台机组，总装机3105kW，设计年发电量663万kW·h，实际年发电量584万kW·h。

2现状分析

目前宫山嘴水库开展的观测均为人工观测，人工资料整编。观测内容主要包括水平位移观测、垂直位移观测、坝体渗流观测、坝基渗流观测。表面位移监测采用的是视准线法及水准测量法，坝体浸润线监测采用的是测深钟法，这种传统的人工监测方法，监测强度大、精度低，而且监测设施已基本老化破坏，仅有断面桩号为0+090.0、00+250(每个监测断面设5个测点)的10个坝体渗流测点可用。

实现水库坝体自动化安全监测的关键技术包括坝体外部变形监测与坝体内部渗流自动监测两部分内容。主要是研制各种专用监测仪器，并使用一些传统的和现代的测量仪器，动态地获取大坝的性态资料，以便作出安全评价。它涉及自动控制、精密机械、光电、微电子、计算机、传感和通讯等技术。大坝安全监测技术发展的特点可概括为自动化、智能化、高精度、高可靠性、实时、连续、遥控、遥测和网络化。

3总体设计

自动化监测系统是保证大型水利枢纽工程安全运行与效益发挥的重要组成部分，本研究通过对水库实际情况的分析与调研，采用现代化信息手段，完成坝体外部变形监测系统、坝体内部渗流系统和分析评价系统的建设。在总体结构设计上采用新的设计理念，增强系统的灵活性、可升级性和均衡性。系统组态以模块式结构为核心，软件设计在基于数据库的原则下纳入软件可重用技术，适合未来发展的需求。

4外部变形监测

外部变形监测主要是从整体和局部监测大坝所处环境、大坝本身及局部位置随时间的变化，即确定测点在某一时刻的空间位置或特定方向的位移。

4.1系统功能

本研究根据工程的实际情况，水平位移采用全站仪、竖向位移采用电子水准仪视准线法进行测量，采集的数据自动输入并存储至计算机中，进行数据的显示、分析、整编和存档等。

4.2系统结构

系统在0+097断面、0+240断面和0+350断面分别设置水平和竖向位移观测点，在坝体两端各变形测点纵断面的延长线上布设工作基点和校核基点各1个。表面变形测点为竖向和水平向共用测点。工作基点和校核基点各6个，构成变形观测的基准网。由于水库环境所限，工作基点与校核基点位置选择有些困难，根据现场的地理位置，在满足《土石坝安全监测技术规范》(SL 60—94)的基础上选定。

a. 工作基点。在每一纵排测点两端的岸坡上各布设1个，采用整体钢筋混凝土结构，立柱高度为1.2m，强制对中底盘的对中误差小于0.1mm，设在其相应的基岩上，保证两侧基点、校核基点的通视。

b. 校核基点。建在山体稳定的基岩上，保证校核基点与工作基点之间通视，定期校测，校核基点的结构及埋设要求与工作基点相同。

c. 变形监测点。测点采用墩式结构，同时兼作竖向和横向水平位移观测的测点，墩顶高出坝面0.15m，设有强制对中底盘，其对中误差均应小于0.2mm。

4.3监测方法

a. 水平位移控制网、监测网的建立。在主坝左、右端测点的纵断面的延长线上各建立1个工作基点和1个校核基点，由6个基点组成四边形水平位移控制网。用全站仪进行基点的水平坐标定位。监测网由主坝两端的工作基点及坝上9个水平位移监测点组成。9个水平位移监测点在原位置恢复。

b. 水平位移监测方法。将全站仪布设在某工作基点上，以另一个工作基点为后视方向，仪器按各测点的初始坐标自动寻找目标点，自动进行下一个点的监测及记录，采集的数据在计算中心进行后处理，得到各点的水平位移量。

c. 垂直位移监测方法。用数码水准仪及测尺，沿坝两岸起测基点与坝上各位移标点(水平位移标点与垂直位移标点共用一点)组成附合水准路线。按国家三等水准测量(GB 12898—91)方法进行监测。

4.4变形观测软件

b. 数据库管理功能。包括数据修改以及人工数据添加处理、数据显示以及打印设置、动态更新数据库等功能。有权限的用户可在网络计算机上使用Excel报表编辑器编辑、修改、打印数据库数据，支持用户二次开发。

c. 查询检索。查询检索大坝位移历史及实时数据。

d. 数据分析功能。根据测量的数据对大坝安全情况进行客观分析，得出大坝安全情况的结论。

5内部渗流监测

渗流安全问题在大坝整体安全中占有重要地位，渗透水流除浸湿土壤降低其强度指标外，当渗透力大到一定程度时，将导致坝坡滑动、防渗体被击穿、坝基的管涌与流土等重大渗流事故，直接威胁大坝的运行安全。

5.1测点布设

本研究在水库原有10个完好测点基础上，增设6个绕坝渗流测点、3个第一输水洞线与坝接缝处渗流压力测点，总计19个测点，对各渗流压力测点实现自动化监测。

方案一：采用惯性传感器：可采用惯性传感器进行惯性导航来确定小车的路程。作为不需外部依赖的导航方式，惯性导航有着特殊的优势，在飞行器定位等有着广泛的应用。但由于我们仅为二维平面的运动，且通过加速度进行两次积分计算路程势必会造成较大的误差，而通过滤波等手段处理则大大增加了程序的复杂性且未必能较好的消除误差。

a. 在正常工作断面0+090.0、00+250处，每个监测断面设5个测点，共计10个测点，测压管内安装渗压计进行坝体坝基渗流压力监测。

b. 在原点号201、202、203、291、292、293共6个绕坝渗流测点的右侧，距原测点0.5m处重新钻孔，钻至死水位以下1.5m处埋管，在管底安装渗压计进行绕坝渗流压力监测。

c. 在原第一输水洞线与坝接缝处点号115、125、135共3个渗流测点的右侧，距原测点0.5m处重新钻孔，钻至输水洞底高程以下2m处埋管，在管底安装渗压计进行渗流压力监测。

5.2系统结构与组网方案

水库大坝长达510m，大坝与溢洪道分离布设，坝上管理楼位于大坝右岸与溢洪道之间，管理楼可俯视大坝，各大坝浸润线、绕坝渗流测压管处与管理楼间可实现无遮挡通视。

本研究采用分层分布开放式结构无线网络方式构建系统结构，分层分布式结构是当今大坝自动化观测系统中普遍应用的系统体系结构，即将系统划分为信号采集层、数据传输层、数据处理层、展示层，层与层之间通过先进的总线式结构、数字化数据传输、处理与展示实现高稳定、高可靠、高性能的监测系统，直接减少接线数量、节点数量、线路长度，提高数据传输的抗干扰能力和数据分析效率。

采用无线传输组网方案，随着现代通讯技术的发展与不断成熟，无线传输方式已逐渐成为主流，由于无需敷设有线线路，避免了敷设线路引起的资源耗费，可大大降低工程建设投资与运行管理费用。同时，由于无线传输为全数字信号传递过程，解决了有线传输无法解决的线路老化、信号失稳、雷电对设备影响等问题。此外，配合微功耗设计，系统可采用锂电池、太阳能板供电，解决了有线供电无法解决的电源质量对设备的影响问题，特别适用于外部自然环境恶劣、电源质量不高、对大坝主体完好程度要求很高的水库大坝监测系统。因此，主采集终端(无线网络协调器)设于坝上管理楼内，各大坝测点设无线网络渗压传感器，监测数据采用无线IP网方式传输至此，最终数据均汇集到坝上管理楼，实现入库、处理、分析与输出，同时利用水库管理局局域网实现共享。

5.3系统功能

监测中心站使用无线网络协调器连接安全监测计算机，通过配置监控和系统软件可以实现自动数据接收、数据本地存储、远程数据转发(GPRS/SMS)、数据统计、图表分析、报表打印、超限报警、测站电压低落报警等功能。

a. 数据采集。中心可以设置定时巡测时间、巡测间隔，选测数据采集终端和监测传感器，可以设置数据采集终端测量密度。定时自动将分中心站计算机的时钟写入数据采集站，以保证数据采集站内实时时钟与分中心站同步。操作人员可通过中心站计算机下发命令，读取数据采集站当前的数据；可通过中心站计算机下发命令，读取数据采集站内特定日期的自记数据；可通过中心站计算机下发命令，向数据采集站写入采集数据、发送数据的时间控制参数等。

b. 采集数据的处理。将数据帧的地址信息转化为特定的点号、站名；将一帧中多个采集数据转换为最小采集数据单元；对采集数据进行率定；合成新的采集数据，比如测压管水位加入海拔高程，根据水库水位合成库容数据，由水位、闸位数据合成流量数据等。对异常数据按照设计标准进行排异处理，实时了解坝体和设备的运行状态。

c. 采集数据存储。将处理过的采集数据存入采集数据原始数据库。数据入库有以下几种方式：ⓐ周期方式：每间隔设定的时间周期，定时向数据库写入采集数据；采用该种方式写入数据库的参数有渗压、渗流量、水位、流量等；ⓑ事件触发方式：当一个采集参数发生一定量的变化时，将该采集数据写入数据库；采用该种方式写数据库的参数有水位数据、报警数据等；ⓒ二者结合方式：当采集参数发生变化时，将该采集数据写入数据库。当在一定时间间隔内没有产生入库条件时，以周期方式写数据库。

6分析评价系统

监测系统是数据来源的基础，分析评价系统则是大坝安全监测的核心。系统实现了对监测数据的数据分析与安全评价，为水库管理人员提供实时信息。系统包括数据管理、查询显示、坝体平面、断面分析、数据分析和安全评价等十余项功能。其中坝体平面监测实现了对大坝全部观测点的显示，窗体中可显示各测点在坝面中的位置。并可通过鼠标交互查询测管当前观测值，同时可利用放大镜功能查询坝体平面细部。图中通过“刷新”按钮刷新选择时间的观测数据。用户还可以通过选择来指定历史观测数据进行显示。浸润线分析实现了对大坝断面观测点的显示，并绘制相应的设计浸润线和实测单位线，窗体中可显示各测点观测值。系统界面如图1、下页图2所示。

图1　坝体平面监测界面

图2　浸润线分析界面

7结语

本研究通过现代化的技术手段实现了水库控制运用管理的现代化、信息化综合支持，完成了宫山嘴水库外部变形监测系统和内部渗流监测系统的建设，分别实现了大坝外部变形与内部渗流的数据分析与安全评价。水库管理人员通过该系统可实时了解水库当前安全状态和变化趋势，实现对水库的健康管理，充分发挥水库效能。通过多个汛期的实际运行检验，全面取代了水库传统的人工观测方法，为水库的管理水平带来了质的飞跃。

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