水库大坝安全监测自动化系统的应用

黄振敏

（梨树县水利工程质量服务中心 吉林省四平市 136500）

大坝是水库的关键水工建筑物之一，包括混凝土坝、土工坝两种类别，后者占水库总数的百分之九十以上。因土工坝为散粒体结构，分析难度大，无法及时获取坝体渗流、坝基渗透压力等参数，对水库大坝安全监测提出了较大难题。而通过将自动化系统应用于水库大坝安全监测，可以有效解决上述问题。基于此，对水库大坝安全监测自动化系统的应用进行适当分析具有非常重要的意义。

1 水库大坝安全监测自动化系统的应用背景

如图1所示，一座大（2）型多年调节水库，总库容为4.15×108m3，为当地控制性枢纽工程，位于干流上，干流全长101.2km，流域面积3265.21km2。水库大坝为均质土坝，全长2356.21m，坝顶相对高程21.3m，宽6.58m，防浪墙高1.18m。其中主坝位于右岸，全长796.21m，最大高度21.36m；副坝位于左岸，全长1563.21m，最大坝高度16.23m。

大坝于1996年实施了全面加固改建，改建后的水库大坝安全监测系统所应用的自动化设备为ROCTEST 监测设备+2380 数据采集系统+专业作图软件，可以在独立MCU（测控单元）中存储监测数据，主机则可应用数据采集系统将监测数据传输到计算机中进行分析。安全监测包括变形监测、渗流监测两个主要部分，前者包括表面竖向位移观测、体内分层水平位移观测、倾斜检测、裂缝检测、挠度检测等；后者包括大坝坝基渗压观测、土坝坝体浸润线观测、大坝坝体渗流量观测等[1]。除此之外，还包括上下游库水位、水温、降雨量、气压、气温等数值监测。

2 水库大坝安全监测自动化系统的应用过程

2.1 变形监测

2.1.1 监测系统

水库大坝变形监测系统包括坝体倾斜监测、坝体裂缝监测、挠度监测、水平位移监测几个功能模块。其中坝体倾斜监测主要采用静力水准仪，坝体裂缝监测则依靠测缝针运行，挠度观测主要通过双向垂线坐标仪，配合六台单向垂线坐标仪（即两组正垂线+三条倒锤线），对坝体垂直度上不同高程测点、倒锤线之间水平位置变化进行不间断监测[2]。

水库大坝水平位移检测主要通过四条不锈钢钢丝制作的引张线（两条位于大坝基础廊道，两条位于主坝坝顶）、一台变位机、二十二台垂线坐标，定期测量大坝在水平方向的位置移动与否（一般规定大坝向上游方向移动为负）。其中主坝坝顶引张线主要由二十多台单向引张线构成，因坝体较长，主要是在坝顶将一条引张线划分为两条，经单向引张线仪组成其中一条引张线。配合位于大坝右侧倒垂线仪、量距仪进行观测。同理，可以进行大坝左岸观测。而在大坝廊道内分别与土坝廊道内、混凝土坝段灌浆廊道内具有一条引张线，分别由四台、十六台引张线仪组成，可以由双向垂线仪器、倒锤线仪器控制观测。全部引张线仪器均为基于比率测量技术的电容感应式变形测量仪器，可以通过中间极、位于测点仪器底板的极板测定各点垂直于偏离基准线变化量，计算获得各点水平位移变化量。

图1：水库大坝

图2：水库大坝安全监测自动化系统结构

2.1.2 运行原理

水库大坝安全变形监测自动化系统包括数据采集单元、通讯网络、信息管理软件、计算机工作组、传感器几个功能模块。其中数据采集单元可以采集传感器监测数据，经通讯网络传输给计算机工作组，也可以随时经信息管理软件处理。每一数据采集单元均包括多个类型各异的智能采集模块、电源部件、通信模块及浮充蓄电池供电、防雷、防潮部件，具有独立数据通信、时钟、分布控制、数据存储功能[3]。传感器主要安装在大坝监测部位，经四目单模光缆、两芯220V 电源线连接的RS-485 现场总线通信，具体系统结构如图2所示。

在实际运行过程中，水库大坝安全变形测量主要是利用差分功能算法，在不测量气象元素的情况下，构建一个依托于基准网的简单模型，实时、自动开展距离的大气折射率差分改正。由于水库大坝测点、基准点均设置在稳定位置，可以看做测点、基准点间距离一定。此时，设定测点、基准点斜距已知，在变形监测过程中某一时刻测得的斜距与已知数值之间的差异就可以看做是由气象条件变化诱发[4]。此时，可以在计算机工作组调取区域差分气象参数，为水库大坝变形控制提供数据参考。

2.1.3 应用过程

在运行历程中，水库大坝体裂缝监测最大倾角为0°0′26″，坝顶、土坝、混凝土坝廊道水平位移最大值分别为8.13mm、1.11mm、1.11mm。而坝体裂缝监测仅有一处测值年变化幅度较大，但最大变化量小于3.0mm，其余变化量均小于1.0mm。总的来说，受水库水温、水位及地形因素影响，裂缝无较大发展。

2.2 渗流监测

2.2.1 监测系统

水库大坝渗流监测自动化系统包括一副坝浸润线监测、大坝左岸绕坝渗流监测、坝基扬压力监测、大坝右岸绕坝渗流监测、坝体渗流量监测、二副坝渗流监测几个部分组成，除坝体渗流量监测采用超声波水位计外，其余均采用电热法测量。

2.2.2 应用原理

水库大坝渗流监测自动化系统无法直接进行渗流参数测量，主要是通过测量渗流发生位置的温度变化，反演渗流参数。常用的介质温度测量方法为电热法、梯度法，均是依据热传导能量方程开展。热传导能量方程为：

上述式子中，t 为介质温度，cw、ρw分别为水比热容、水密度；τ、x 分别为时间、距离；v 为渗流速度，λ、C 分别为导热系数、介质比热容；ρ、qv 分别为介质密度、内热源强度。

在使用电热法是时，qv 为外接电源所产生热量，在光纤、周围传热一定时温度场较为稳定，可以通过大密度、高硬度测温光缆+光纤不锈钢套管组成抗高压结构，在整平层上铺设，配合预留在坝顶电缆沟内的通讯光缆以及缠绕测量光缆的加热装置（可调节电压的直流加热电源、加热导线），进行渗流测量，并将渗流测量的数值随时传输至监测室内。

2.2.3 应用过程

水库大坝安全监测自动化系统在水库除险加固工程中实施，经过近一年试运行，发生了一次总线故障，导致采集数据无法传输至监测管理站，但因系统采用分布式结构，总线故障排除后可以进行数据采集装置中存储数据的重新读取[5]。通过对各绕渗监测读取数据进行分析，得出该水库大坝均存在不同程度的绕坝渗流，渗流量大小受所处位置、库水位、气候因素等诸多因素影响。如因测点位于断层位置，而断层位置地质条件较差，扬压力监测渗透压系数为一个较大值，但均在最大渗压系数0.3 以下，其余各个位置渗压系数则处于一个较小的数值。除此之外，一副坝浸润线监测也可以反映坝体具体渗流情况特别是在下雨前后的渗流情况。

3 水库大坝安全监测自动化系统的应用效益

3.1 保障运行安全

对于运行多年的水库大坝而言，大坝安全与否，不单单取决于大坝自身固有工程地质条件、所处外部环境因素、工程设计施工运营管理措施，而且取决于贯穿于大坝运行整个过程的监测条件。通过将自动化系统应用于水库大坝安全监测，可以实时、全面、动态更新大坝运营数据，发现日常运行管理期间特别是大风、暴雨、洪水、地震等恶劣条件下大坝运行风险隐患，及时采取措施，保障大坝安全运行[6]。

3.2 促进水利信息化建设

信息技术是全球通用性最佳、创新速度最快、渗透性最强的新技术。水利信息化就是最大程度挖掘现代信息化技术优势，广泛利用信息资源，促进信息交流，实现水库基本水情雨情、防洪调度、安全监测、安防监控、兴利调度一体化。通过自动化系统在水库大坝安全监测中的应用，可以带动水利现代化、信息化建设，为水利事业发展提供充足借鉴。

3.3 实现科学管理

《水库大坝安全管理条例》明确提出必须依据相关技术标准对大坝进行安全监测，随时掌握大坝运行情况。传统水库大坝安全监测存在渗流监测设施布设少、内部分成水平位移监测设施功能丧失、渗压渗流自动检测采集抗雷击能力差等问题，影响了大坝管理科学性。而通过将自动化系统应用于水库大坝安全监测，可以及时、准确获取大坝监测数据，为水库安全定期检定、安全管理、资源调配工作的科学开展奠定基础。

4 总结

综上所述，自动化系统在水库大坝安全监测中的应用，可以将水库大坝管理提升到一个新的高度，预期效果较为显著。因此，水库大坝安全管理人员应依托自动化技术，面向工程运行管理、质量评价、结构分析，构建一个完善的安全检测框架，全面、细致监测大坝运行情况，并积极参与到大坝管理决策中，带动水库大坝整体管理工作以及区域社会的安全、健康发展。