红谷田水库大坝安全自动监测系统的建设与运用

(1.保山学院信息学院，云南 保山 678000；2.云南省施甸县水务局，云南 保山 678200)

1 引 言

红谷田水库位于云南省保山市施甸县坝区东北部，施甸河右岸一级支流官市河中游，水库总库容1190.3万m3，最大坝高85.7m，工程等别为Ⅲ等，水库规模为中型。死水位1631.34m对应库容77.9万m3, 正常蓄水位1676.5m对应库容1088.9万m3, 设计洪水位1677.5m对应库容1112.3万m3, 校核洪水位1679.0 m对应库容1190.3万m3。水库枢纽工程由拦河坝、溢洪道和输水隧洞组成，拦河坝为黏土心墙堆石坝。大坝为2级建筑物，溢洪道、输水隧洞为3级建筑物。

红谷田水库大坝安全监测项目包括：ⓐ坝体表面水平位移和垂直位移；ⓑ坝体和坝基的孔隙水压力、渗透压力；ⓒ内部变形；ⓓ绕坝渗流、渗漏量、岸坡地下水位；ⓔ强震监测等[1-2]。

2 安全监测系统组成

红谷田水库大坝自动化安全监测系统由测站、监测中心站、通信设施及配套电源组成。

测站：本项目设置4个测站，分别位于大坝后坝坡4间观测房内。

中心站：由工作站、数据采集软件及分析软件组成。

电源：采用交流电中心运程供电方式。

通信：采用光缆通信方式。

在大坝后坝坡观测房内安装一体化自动变形观测设备对大坝内部水平及沉降变形进行监测，并通过大坝安全监测系统进行实时监测。在大坝坝体及两岸坡坝的测压管内安装渗压计对坝体内部浸润线水位及两岸水位进行监测，并通过大坝安全监测系统软件绘制大坝坝体各监测断面的浸润线，掌握大坝坝体内部的浸润线变化情况。在大坝下游渗漏汇水点安装监测设备，对上述各渗流汇水点进行渗流量监测。坝体表面沉降位移观测采用人工观测、手工录入系统方式进行。

3 系统建设的主要内容

3.1 坝体表面变形监测

大坝表面变形包括垂直位移、水平位移，在大坝坝顶的上游、下游侧分别布置一条视准线，每条视准线布设6个表面变形监测点、两个工作基点、两个校核基点。在大坝下游坝坡布设三条视准线，埋设12个表面变形监测点、6个工作基点、6个校核基点。每个变形监测点安装强制对中装置和水准标点，水准标点设置在表面位移观测墩下部或旁边。

3.2 内部变形监测

大坝内部变形包括水平位移(上下游方向)和垂直位移(沉降变形)。水平位移监测设备采用SSC-2型引张线铟钢丝水平位移计，垂直位移监测设备则采用SYW-2型水管式沉降仪。内部变形监测分别布置在坝轴0+125、坝轴0+175断面。在坝轴0+125、坝轴0+175的1620.0m(3个沉降测点、3个水平位移测点)、1645.0m(2个沉降测点、2个水平位移测点)高程处分别安装埋设10个沉降变形测点、10个水平位移测点。修建4座观测房，安装4套水管式沉降测量装置、4套水平位移计测量装置。

3.3 大坝渗流监测

3.3.1 坝体内部渗流监测

在坝轴0+105的基础部位及坝体1650.0m高程布设渗压计监测坝体渗流，基础部位布设4支渗压计，坝体部位布设5支渗压计。

在坝轴0+175的基础部位及坝体1630.0m高程布设渗压计监测坝体渗流，基础部位布设4支渗压计，坝体部位布设5支渗压计。

在坝轴0+245的基础部位及坝体1650.0m高程布设渗压计监测坝体渗流，基础部位布设2支渗压计，坝体部位布设3支渗压计。

3.3.2 绕坝渗流监测

在大坝的两坝端防渗帷幕线后适宜位置各布设1个孔，下游坝坡结合水文地质条件分别在两岸山体可能产生渗流的流线和梯度方向各设3个渗流监测孔，布设渗压计8支。钻孔、制作、安装埋设测压管，可采用电测水位计和渗压计两种方法监测。

3.4 渗漏量监测

大坝下游坝脚渗漏量主要包括坝基渗漏量、坝体渗漏量，以及由于降雨产生的部分山体渗流量。红谷田水库在下游坝脚的右侧设置量水堰一座，2015—2017年施工期渗漏量监测采用容积法量测。

2018年至今蓄水过程中，采用量水堰法观测。人工观测采用钢尺量测，自动化监测用量水堰微压计观测。

3.5 地震反应监测

在下游坝坡上坝踏步一侧、大坝坝顶下游侧分别布置4台强震加速度计(含12个拾震器)，4台传感器通过屏蔽电缆引入监控中心，全部接入设置于中心的强震记录仪，构成一个强震台阵监测系统。

4 系统组网

4.1 安全监测中心组网方式

大坝安全监测中心位于大坝右岸的管理工作站内，由服务器、大坝安全监测工作站、网络设备等组成。

4.2 测站组网方式

4个观测房测站分别由各测点传感器和测控终端(MCU)组成。各测站网络与监测中心的通信由监测中心到下游坝面埋设的光纤有线通信实现，传输介质采用单模光纤，通信方式为RS485通信。监测系统网络结构见图1。

5 系统技术指标

a.通信接口：RS-485(两线或四线制可选)。

b.通信方式：采用RS-485现场总线。

c.测量方式：选测、定时自动测量。

d.测控终端的容量：内置1～4个数据采集模块。

e.定时间隔：1min～30天采样一次。

f.采样时间：2～55s/点。

g.工作电源：采用中心UPS远程供电。

h.工作环境：温度-20～50℃，相对湿度不大于95%。

i.系统平均无故障时间(MTBF)：20000h。

j.系统防雷电感应：600～1500W。

6 系统设备及安装调试

6.1 测控终端(MCU)

MCU-M测控终端是大坝安全监测系统的关键设备，由数据采集模块、电源模块、人工比测模块、防雷模块等部件组成。大坝的内部变形、渗流、渗漏量等项目可通过传感器自动进行数据采集和存贮，定期用笔记本电脑从MCU中读取数据。

6.2 数据采集模块

数据采集模块分为系统主电路和测量电路两部分，本工程模块采用单板结构设计、隔离技术、CMOS集成芯片，具有智能化程度高、功耗低、抗干扰能力强、测量精度高、可靠性好等优点，对于不同类型的传感器可选择相对应的测量电路。

6.3 测控终端安装及调试

6.3.1 安装

a.确定安装位置，并考虑仪器接入及电缆布置。

b.为便于测控终端维护方便，安装高度低于1.6m。结合本工程结构，安装测控终端采用悬挂安装的测控终端。

c.将引入监测房的仪器电缆按顺序接入测控终端的接线端子上，进线需整齐，标记需明确。

6.3.2 调试

测控终端完成所有的接线后就可以开始调试。调试过程主要包括设置、通信检查、自检、测量、联调、整理。

6.4 中央控制单元(CCU)

中央控制单元(CCU型)是拦河大坝安全监测系统的通信、管理和控制设备，接受信管主机命令，控制系统中的测控终端运行，接受测控终端的测值和故障信息，将测控终端的测值和故障信息传输给信管主机。

6.4.1 组成

以监控主机为主体，配置数据采集系统软件、通信转换接口和通信防雷器、MCU工作电源开关和指示灯，以及系统加热电源开关、机柜等部件。监控主机通过串行口与安全监测局域网相连，串行口经信号转换与各测控终端相连，组成大坝监测数据的自动化采集系统。

中央控制单元的数据采集软件在Windows98系统中用高级语言编写，独立运行。

6.4.2 技术参数

a. COM1和COM2为两个用于通信的串行口，通过信号转换器，采用半双工方式工作。

b.连接模块的数量：128台。

c.连接测控终端的距离：1.2km。

d.测量方式：定时自动测量。

e.系统平均无故障时间(MTBF)：20000h。

f.工作环境：温度10～30℃，相对湿度不大于75%。

g.工作电源：交流电220V±10%、50Hz。

6.4.3 安装

中央控制单元安装位置在管理中心，室内接地线电阻小于5Ω，管理中心周围避免剧烈震动和强电磁场干扰，室内保持通风、干燥，温度需保持在10～30℃，相对湿度不大于75%。

7 监测与资料分析

红谷田水库工程施工期为2014年12月—2018年12月,运行期为2019年1月至今。目前所埋仪器运行正常，测值稳定。

7.1 渗压计监测资料整编分析

渗压计2014年12月16日开始埋设,2016年12月20日安装埋设完成,截至2020年11月30日,对已埋设近6年的渗压计进行周期观测分析,各断面渗压计压力测值随库水位的变化成相关关系，总体压力测值变化较小，没有异常。坝体、坝基主要断面监测的渗水压力过程线及渗水压力换算水位过程线见图2～图7。

图2 坝横0+105断面渗水压力过程线

图3 坝横0+105断面渗水压力换算水位过程线

图4 坝横0+175断面坝基渗水压力过程线

图5 坝横0+175断面坝基渗水压力换算水位过程线

图6 坝横0+245断面渗水压力过程线

图7 坝横0+245断面渗水压力换算水位过程线

7.2 绕坝渗流监测资料整编分析

下游坝面安装7个测压管观测孔，左右两岸各钻孔安装了4个绕坝渗流测孔。下游坝面7个测压管孔内水位低于设计浸润线。

左右两岸各钻孔安装了4个绕坝渗流测孔,自2018年蓄水后，各孔内水位均有所增长，与坝前水位表现具有相关性,绕坝渗流控制较好。

7.3 量水堰监测资料整编分析

量水堰部位汇水包括坝基渗漏、坝体渗流、两岸山体渗水、地表降水径流等,2016年5月开始观测,坝后量水堰无渗水。2019年5月汛期开始后有少许渗水，渗漏量与库水位无相关性，受降雨影响相对明显。水库蓄水至正常水位后，最大渗漏量出现在2020年7月21日，为3.89L/s(14.004m3/h)。量水堰流量与库水位相关过程线见图8。

图8 水堰流量与库水位相关过程线

7.4 内部变形监测资料分析

在坝横0+125断面和0+175断面(主河槽段)的1620.00m高程分别布设有3个水管沉降仪测点，1645.00m高程分别布设有2个水管沉降仪测点；在每个水管沉降仪的旁边，相应地布置有测量水平位移的引张线式水平位移计测点。

a. 4组同高程沉降量分布曲线规律基本一致，呈“斜线”形分布，大致为离坝轴线较近的测点沉降量明显大于离坝轴线较远的测点沉降量，坝体不均匀沉降与测点上覆层厚度相关。埋设初期，坝体沉降变形较快，随着孔隙水压消散及土颗粒调整，沉降变形减小，当前沉降量趋于收敛。坝横0+125断面1620.00m高程沉降量近期测值变化规律与整体规律略有差异，自2018年以来，该断面离坝轴线最远测点AV5变形量大幅增长，近两年增幅达27.5cm，目前该处沉降量为59.3cm，超过上游各测点沉降量。

b.在大坝1620.0m高程，最大沉降量为80.5cm，位于坝横0+175的测点(坝纵0+022.0)；在大坝1645.0m高程，最大沉降量为83.6cm，位于坝横0+175的AV6测点(坝纵0+022.0)，最大沉降量在2/3坝高处。

c.在大坝1620.0m和1645.0m高程，坝横0+175断面的各测点沉降量都大于坝横0+125断面相应部位测点沉降量，说明沉降量与观测断面的坝体高度(测点上覆层厚)相关，符合坝体沉降一般规律。

d.自取得沉降观测数据以来，大坝沉降量均未超过最大坝高的1%，满足规范要求，沉降变化趋势符合大坝沉降的一般规律。

坝横0+125断面1620.0m、1645.0m高程沉降量分布见图9～图10，坝横0+175断面1620.0m、1645.0m高程沉降量分布见图11～图12。

图9 坝横0+125断面1620.0m高程沉降量分布

图10 坝横0+125断面1645.0m高程沉降量分布

图11 坝横0+175断面1620.0m高程沉降量分布

图12 坝横0+175断面1645.0m高程沉降量分布

7.5 水平位移资料整编分析

大坝0+125断面和0+175断面水平位移量为-26.04～109.34mm，其中除AH3测点以外，均表现为向下游位移，符合变形规律。水平位移主要受坝体填筑和蓄水、温度等环境变化的影响，1645.0m高程水平位移整体小于1620.0m高程，最大水平位移测值为109.34mm(向下游侧位移)，发生在2020年5月28日1620.0m高程的AH8测点(坝横0+175.0、坝纵0+022.0)。1645.0m高程的4个测点，其水平位移测值较小，在20mm以内，安全裕度较高。

自2018年5月起，大坝开始蓄水，随着库水位上升的影响，水平位移均有所增长，但增幅不大，目前10个引张线式水平位移计测点的水平位移整体趋于收敛，未见异常。

坝横0+125断面1620.0m、1645.0m高程水平位移分布见图13～图14，坝横0+175断面1620.0m、1645.0m高程水平位移分布见图15～图16。

图13 坝横0+125断面1620.0m高程水平位移分布

图14 坝横0+125断面1645.0m高程水平位移分布

图15 坝横0+175断面1620.0m高程水平位移分布

图16 坝横0+175断面1645.0m高程水平位移分布

7.6 黏土心墙沉降环资料整编分析

坝横0+175.0断面累计沉降量在-1.8～-5.2cm之间，最大累计沉降量在高程1670.685m的26号环；坝横0+125断面沉降量小于主断面，累计沉降量仅在-1.150～-4.100cm之间，最大累计沉降量在高程1678.817m的19号环，其他各沉降环累计沉降量都比较小，目前测值稳定变化不大。黏土心墙沉降变形量小主要说明心墙填筑质量较好，施工过程控制质量高。因取得初始测值较晚，当前变形值未包含黏土心墙填筑初期沉降变形量，这也是当前累计沉降量较小的原因之一。

8 水库数字化发展展望

当前，随着人工智能、物联网、大数据等新技术的不断发展和日趋成熟，水库数字化和一体化发展是大势所趋。通过建设数字化水库，可实现对水库水雨情预测、智能视频识别分析、闸门电站自动运行、大坝安全监控自动化等功能，可为水库的运维提供更加科学的管理方案，并使得水库的综合管理水平和保障体系更加完善。

9 结论及建议

红谷田水库大坝安全监测系统采用可靠、耐久、经济、实用的传感器技术、通信技术、电子技术和计算机技术，实现了全天候自动监测，系统设备的安装埋设过程中成活率、完好率较高。通过4年施工期及2年运行期的坝体表面变形、内部变形、大坝渗流、渗漏量等自动监测数据的分析，大坝变形符合一般规律，渗流渗压变化在合理范围，沉降满足规范要求，大坝运行状态良好，各项监测指标均有安全裕度。大坝安全监测系统的建设与运用，基本实现了组网在线监测、趋势对比分析、及时发现问题，使运行管理单位能够及时了解大坝运行性状，科学判断和采取有效的调度措施，并有针对性地实施除险，保障了水库大坝的安全运行，提高了水库的现代化管理水平。