水库大坝安全监测自动化技术在水库设备安全中的应用研究

2017-01-20周柯宇

中国设备工程 2017年22期

关键词：渗流大坝水库

周柯宇

(中国水利水电第七工程局有限公司试验检测研究院,四川成都 611730)

水库大坝安全监测自动化技术在水库设备安全中的应用研究

周柯宇

(中国水利水电第七工程局有限公司试验检测研究院,四川成都 611730)

简单讲述了水库大坝安全监测的重要作用,分析了目前大坝监测自动化技术现状,并以某水库大坝为例,分析水库大坝安全监测自动化技术在水库安全中的应用.

水库大坝安全监测;自动化技术;现状;应用

水库是我国广泛采用的水利工程之一,一般的解释为调节水流和拦洪蓄水的水利建筑物,可以用来蓄水、灌溉、发电、防洪和养鱼.水库是在山沟或河流的狭口处建造拦河坝形成的人工湖泊,有时天然湖泊也称为水库(天然水库).大坝是水库的主要建筑构件之一,做好大坝的管理有助于保证水库的安全性,提高水库收益.自动化技术是一门综合性的技术,与信息学、系统工程学、计算机技术、电子学、自动控制等都有着密切关系,核心技术就是自动控制和计算机技术.目前很多地区的水库大坝都在应用自动化技术进行安全监测,具有良好的效果.

1 水库大坝安全监测的重要作用

对大坝进行安全监测是保证大坝安全运行的前提,安全监测内容包括混凝土大坝、地下水、边坡等,目的是实时了解大坝建筑的使用情况、坝身防渗体有无裂缝、地下水的浸润情况、输电线路运行情况以及大坝周围边坡的情况等,以便于随时了解大坝运行的情况,及时发现问题,并采取解决措施,以免问题严重性扩大,影响水库的安全运行.发生洪水期间对大坝的安全监测还可以用来控制蓄洪和泄洪的速度,特别是对已建造好多年的水库大坝来说,进行大坝的安全监测大大提高了大坝对洪水的应对能力,增加了其在洪水期间的运行效率和安全性,有效降低洪涝带来的损失.还有日常对大坝的安全监测还可以有目的的进行调水,确保下游农业的发展有足够的水源,提高对干旱天气的应对能力.另外,利用安全检测收集到的数据制定科学合理的大坝维护方案,可以有效延长大坝的使用寿命.

2 大坝安全监测自动化技术现状分析

上个世纪60年代开始,逐渐有建造久远的大坝出现问题,造成损失,因此,人们更加意识到大坝安全监测的重要性.传统的大坝安全监测从一开始的人工巡查到摄像头监测和人工巡查结合,逐渐朝向高科技化发展,而科学技术的快速进步,为大坝安全监测的自动化提供了有利条件.我国从80年代起开始引进、学习和应用大坝安全监测自动化技术,直至现在,大坝安全监测自动化技术已趋成熟,并且由国家联合相关行业颁布了大坝安全监测有关的技术标准,如《大坝安全监测自动化技术规范》等.

2.1 大坝安全监测自动化系统

大坝安全监测自动化系统具有监测范围比较广,监测项目比较多,监测环境一般比较恶劣,测点分布范围十分广泛而且分布不均匀等特点.在设计时根据水库大坝的实际情况和主要的作用方面进行系统的设计,设计要遵循实时、实用、先进、可靠、标准、通用等原则,并且留有一定的可扩展空间.在设备上选择科学的网络设备,先进软件的接口以及网络软件技术,特别是电脑智能化的发展,要让设备跟上形势,实时快速的进行数据传输和分析;因为监测需要在断电的情况下也能保存数据,这就要求系统有高水平的备份和运行日志.对收集资料的整理首先要将实际问题解决掉.系统要严格按照标准建设、扩充和连接.

2.2 自动化监测技术的内容

监测信息采集的主要内容包括对大坝的变形监测和渗流监测,前者是监测大坝的基础结构,利用自动化检测技术确保其没有出现变形的情况;主要针对水平和垂直面进行监测,监测大坝是否存在位移现象;对混凝土大坝的监测一般设置多个测点;主要针对重要性较大的大坝和高坝;对土石大坝需要在坝顶设置水平检测点,并间隔固定距离设置连续的测点.后者是监测渗透压力和渗流量,是大坝安全监测的重点,尤其是对洪涝多发的地区,要做到全天候的监测;对混凝土大坝一般是在基础廊道设置压力监测孔,在坝体不同地段设置多个测点,渗流量的监测需要结合水库排水沟的实际情况进行,并且划分区域监测,最终计算总渗流量;对土石坝的监测是在坝底的集水区设置测点,并在大坝左右两侧安装地下水测点,实时监测地下水的水位变化,从而计算渗流量.

2.3 自动化监测技术的主要构成

目前使用的大坝安全自动化监测技术主要包括水平和垂直位移传感器、地下水位监测装置、中央控制装置等.水平位移传感器目前有2种,垂线和引线,主要工作方式是电机式和电容式,电机式监测速度较慢但不挑环境,可靠性强;电容式监测速度快,对工作环境要求严格,线路过长还容易发生偏离.近几年出现了激光垂直监测,效果较好但成本过高;还有高精度的自动化扫描仪,可实现对大坝的实时监测,但成本高,技术操作要求高.地下水的监测使用较多的是弦式渗压计,持久耐用、稳定性高,缺点是容易受大气压的影响使得结果不够准确.中央控制设备主要是计算机、后备电源、显示装置等,随着网络技术的发展逐渐形成监测局域网形式的监测系统,具有适应性强、稳定性高、可靠性强的特点,成本也比较低,目前应用比较广泛.

3 水库大坝安全监测自动化技术在水库安全中的应用

以四川某水电站为例讲述水库大坝安全监测自动化技术的具体应用.四川某水库水电站采用混合式开发,水库正常蓄水位398m,库容6330万m3,设计引用流量2640.9m3/s,电站装机容量772MW,多年平均发电量33.03亿kW.h.水电站主要由非溢流坝、泄洪冲砂闸、左岸副坝、右岸太平副坝、电站主厂房、尾水渠、船闸等建筑物组成.

3.1 自动化监测系统

(1)厂房监测系统:包括在厂房高程338观测廊道内布置了变形监测的监测装备和测点,用于基础的沉降和变形观测及结构缝观测;在厂房4#机坝纵附近布置渗流监测断面,用4支弦式渗压计观测渗流;在厂房4#机蜗壳周边布置了16支钢筋计用来观测钢筋的应力变化情况;在4#机轴线方向布置了4组应变计用来观测混凝土的应变情况;在4#机进口布置了一个温度监测断面,用来观测4#机进口混凝土温度变化情况.

(2)安装间监测系统:包括在坝纵0+460.50布置了一个渗流监测断面,利用渗压计对检修集水井和渗透集水井进行渗透压力观测;在渗漏集水井和检修集水井分别布置了两个钢筋应力监测断面,共18支钢筋计.

(3)泄洪冲砂闸监测系统:在泄洪冲沙闸布置了两个渗流监测断面,坝纵0+226.55(5#闸墩)和坝纵0+127.25(14号闸墩),每个断面布置了4支渗压计,用来监测坝基渗透压力;在坝横0+004.5一线布置了7孔测压管,用来监测防渗墙后的渗透压力;在泄洪冲沙闸布置了两个应力应变监测断面,坝纵0+226.55(5#闸墩)和坝纵0+127.25(14号闸墩),每个断面布置了12支钢筋计,用来监测闸墩的钢筋应力变化情况;布置了2套7向应变计组,用来监测闸墩混凝土的应变情况.

3.2 自动化检测系统的组成

监测系统主要由监控中心站和各部位监测站组成.本工程计划布设一个监控中心站、4个监测站,监控中心站布设在中控室内,4个监测站布设于厂房观测廊道、安装间观测廊道、泄洪冲沙闸5#闸墩、泄洪冲沙闸14#闸墩,其间采用光缆通讯,并采用220V永久电源供电.

3.3 自动化监测系统的必要性

本电站现有的监测项目都是以人工观测为主,观测劳动强度大,且受人为因素的影响较大,观测数据实时性、可靠性和稳定性差,无法及时反映水工建筑物变化情况,特别在遇到大坝性态异常或洪水、地震等异常情况时,不能实施动态监测.因此针对电站目前安全监测设施的运行情况,对大坝安全监测系统进行完善,将部分关键监测项目实施自动化监测.这是行业发展的要求,也是电站实际生产和管理工作的要求,更是安全监测自动化技术发展的趋势,是大坝安全信息化建设必不可少的部分.

3.4 自动化监测系统带来的效益

首先,本电站使用的自动化监测系统比同等的系统成本减少了200万元,系统将实现大坝安全监测自动化,该系统可以在10年内保持国内技术领先水平.其次,系统可以在雷雨、狂风、烈日、大雾等各种恶劣天气下保证高频次数据采集与分析,监控水工建筑物运行安全.另外,高频次、高质量的测量数据让大坝顺利通过安全鉴定、注册及定检,确保电站顺利蓄水发电,产生巨大的间接经济效益.最后,该系统能够监控水工建筑物安全运行,保障电站及下游居民的生命财产安全;降低了工作人员的劳动强度,也保证工作安全;系统全自动采集数据和处理监测数据,降低了工作人员的劳动强度,杜绝人工输入数据所产生的人为误差,而且监测数据处理后自动传输至大坝中心,保证大坝中心随时掌控大坝安全运行状态,能直接、快速的对大坝安全问题进行诊断.