水库大坝安全监测中物联网技术的应用探讨

2022-02-18魏静洲

科学与信息化 2022年3期

关键词：大坝水位水库

魏静洲

郑州水工机械有限公司河南郑州 450007

引言

我国大部分水库大坝建设的地理位置存在一定的特殊性，经常容易疏导地震、洪水等自然灾害的影响，进一步突出了安全质检工作必要性。因此，我国要不断创新和完善水坝安检技术，发挥物联网技术的重要优势和作用，提升水库大坝安全监测工作效果。

1 水库大坝安全监测和物理网技术概述

水库大坝经过千年的建设发展，在世界各国被广泛建设应用，对人们的日常生产和生活产生较多便利条件，能够有效提升水能发电效率，对供水流量的安全稳定性进行有效保证，同时对农田灌溉和开垦提供有力的支持和保障，促进农业更好、更快的发展。另外，水库大坝的建设对周边特殊自然生态圈进行有效的开发效用，增强其旅游价值。水库大坝建设的过程中，经常出现水流囤积现象，同时周围土地承受压力在一定程度上增加，增加了地震自然灾害发生的概率，造成水坝出现坍塌的现象[1]。因此，相关人们需要加强水库大坝的安全监测力度，清晰正确地认识到该监测工作开展的必要性，给予足够关注和重视，全面严格检查水库大坝水位、周边自然生态环境、淤泥沉积、出水口等相关内容，有效清除相应安全隐患，最大程度的保障水库大坝的安全可靠性。物联网技术具有测量技术数字化和微功耗的特点，十分适合在水库大坝中应用。针对水库大坝的破坏形式，结合大坝安全监测特点，组成水库大坝安全监测系统，实现基于物联网监测数据的采集分析和预警，并通过多种数据分析方法，确定水库大坝各项风险，最终判断大坝安全运行状态。

新时代发展背景下，互联网和计算机在多个领域进行广泛应用，取得显著的成就，为人们提供更加便捷的信息服务。物联网技术属于互联网技术的范畴，主要是将相关具有信息传送、感应识别、CPU处理等能力的相关物质和网络连接的技术，如产品二维码、条形码等是物联网技术的典型代表[2]。人们通过信息识别，物联网能够有效提供更加便捷、优质的产品信息服务，同时结合CPU等控制元件达到远程操控和实时反馈等，有利于促进智慧生活和城市的建设发展。

2 水库大坝安全监测工作探析

现阶段，水库大坝监测工作立足在现代工学的基础上，同时配合数据采集和收集工作，便于相关人员全面分析和了解水库大坝的实际情况。通常情况下，水库大坝安全监测工作开展的过程中包含多个内容，相关工作人员需要加强水库大坝变形监测工作力度。水库大坝在日常应用的过程中受到多种相关因素的影响，出现水位升高的情况下，水库大坝从上到下承受较强的水压，同时受到当地自然环境气候、温度和重力等相关因素的作用下，长时间进行运作的过程中，水库大坝经常容易出现裂痕问题。因此，相关安全监测人员需要在日常实际工作中加大水库大坝变形问题的检查力度，可以应用水准点、倾角仪等，全面检查水库大坝表层、坝体和坝基等多个方面，保证水库大坝没有出现变形、裂痕、倾斜、松动等相关问题，最大程度的降低溃坝问题出现概率，减少安全事故的发生。

水库大坝主要包含钢筋、混凝土等现代先进建筑材料组成，在长时间受到水流挤压的影响下，在一定程度上降低了水坝性能。因此，相关工作人员在实践工作中需要加强水库大坝坝体的材料监测力度，实现变压力和应力等多方面的监测。通常情况下，水库大坝坝体材料监测工作可以和其他相关监测工作同时进行。水库大坝在水压较大、长时间承受水压、上下游水位差下，更加容易受到渗流场的不良影响，同时受到相应动物侵蚀、坝体接触泄露等相关影响，增加了溃坝问题发生的概率。相关安全监测人员需要高度重视水库大坝渗透检验，对渗流压力、渗流量等多个方面进行严格测试，及时发现水库大坝存在的安全问题，结合实际情况，采取针对性有效措施进行妥善处理。

水库大坝建造完成之后，受到周围自然环境参数变化、水库大坝自身运作的影响，如当地自然气候、温度、降雨、泥沙等相关自然环境。因此，相关检测人员需要全面检查自然环境相应变量，采集详细信息资料，对水库大坝运作环境进行全面总结和分析，有效估量内在问题。另外，水库大坝是水利工程的重要组成部分，需要一定的水力学监测，包含水压、水流状态、水位线等相关监测指标，同时相关人员在实际监测工作开展过程中，需要结合水库大坝运行的实际情况科学合理的选择监测指标。

3 物联网技术在水库大坝安全监测中应用探讨

3.1 系统集成式监测

相关工作人员开展水库大坝安全监测工作过程中，根据其发生损坏的形式，加强有库水位、渗流量、沉降监测力度。系统集成式监测主要采用传感器、数据采集单元和监测计算机组成环形网，监测计算机全面控制所有车辆控制单元，收集MCY数据，在数据库中保存，同时充分采用无线传感、嵌入式计算机、射频识别、子与信息、数据通信等技术，创建基于物联网水库大坝安全监测信息网络系统[3]。该监测系统集成应用分层、开放式结构形式，主要包含感知层，具有感知水库大坝水位、渗流、变形等因子；包含网络层，对相关信息数据进行有效传输；包含应用层，主要是水库大坝安全监测云中心。

3.2 物联网载体监测装置

相关水坝安监人员在日常工作过程中，采用承载物联网技术的相关监测工具，在渗透损坏监测、坝体倾斜裂纹等监测工作中，结合实际情况和需求，选择合适的相关监测工具，能够将监测的相关信息数据向监测中心进行全面完整的传输，同时便于工作人员读取以往信息资料，提升水库大坝安全监测分析的有效性，进而有效保证水坝安全监测工作质量和效率。

3.3 预测报警系统

预测报警系统建设的前提条件需要保证相关信息数据的精准性，但是监测物误差在水坝实际安全监测过程中客观存在的，主要包含偶然、系统误差和粗差。该系统经过数据自校、回归分析等相关措施，有效识别粗差，进而有效剔除相关数据。洪水越顶经过汇集水库大坝水位信息数据，对水位超过常水位、洪水位设计和校核进行全面分析，确定是否存在洪水越顶安全风险。相关人们采用统计模型，对各个监测点的设计、校核、给定上游等水位下渗流压力、渗流量进行有效计算，和安全允许值进行相应比较。当预测值高于安全允许值的情况下，采用统计模型反推渗流压力水位在安全范围内的最小安全上游水位。另外，工作人员可以在周围设置携带物联网技术的检测仪，当出现异常状况之时直接连入主机产生报警，以及生成日志文档，便于后期管理。例如，我们根据部分水库大坝偶然偏差、系统误差和粗差三种破坏类型，洪水越顶可以经过采集水库水位数据，对水位是否超过常水位进行分析，同时科学合理的设计和校核洪水位，明确是否存在洪水越顶风险。工作人员采用统计模型，对个测点在设计、校核、上游等水位下渗流压力和渗流量进行详细计算，对比安全允许值。水库大坝安全预测预警能够采用实时采集的水位和渗压水位进行边坡稳定分析，根据块体极限平衡理论，应用Bishop法进行计算，同时应用单纯形法搜索最小安全系数，与规范值进行比较的郭晨中，确定边坡稳定风险。物联网技术在水库大坝监测中应用的过程中，预测预警还能够对数据进行多元逐步回归分析和分离变量统计、位势、相关性、滞后性和化引流量等分析，最终获得水库大坝安全状态评价。

3.4 物联网技术增强安全监测管理

相关人员对水库大坝安全监测进行管理的过程中，物联网可以承载在工作头盔、安全门上，对安全监测人力资源管理提供更加优质的服务，同时置于待检测物体之后，开展扫码识别、射频识别，能够有效降低安全检测人员在实际工作中由于自身疏忽等原因引发一系列工作问题，进而有效提升水库大坝安全监测效率。相关人员对水库大坝安全监测实现智能化管理，主要对信息互联互通和智能控制，结合采集数据对采集频率、水位升高等进行科学合理的自动调整，能够及时发现安全监测中存在的安全隐患，同时不会采集过多信息数据，系统中有效挖掘分析信息数据。工作人员结合监测平台对洪水越顶风险、渗透破坏分析、边坡失稳风险进行实时分析，进而对监测频次进行实时有效调整。

3.5 智能管理

物联网技术在水库大坝安全监测中的应用大多在于信息的互联互通和智能控制，全面分析监测信息数据，取得理想的智能管理和控制成效。相关人员在安全监测工作中，采用物联网技术有效突破传统监测工作存在的局限性，以往监测中大多按照固定时间间隔开始自动采集，当时间采集时间较多的情况下，就会导致内存占用较大，在很大程度上增加了采集设备使用次数，容易造成采集设备受到相关因素的影响，减少其使用年限，同时存在较多的无效信息和数据，当采集时间设定的间隔较长，存在数据极值错过的现象，不能及时发现水库大坝存在的安全风险。因此水库大坝安全监测系统要不断挖掘分析数据，结合采集数据自动调整采集频率，如水位升高的情况下增加监测频次，便于工作人员及时发现安全风险隐患，同时有效避免采集数据过多。工作人员结合安全监测平台的实时分析结果，科学合理的调整监测频次，当洪水、渗透和边坡风险等级超限的情况下需要加密采集数据。

工作人员采用物联网技术，借助监测数据分析实现智能管控的过程中，需要根据粗差识别，详细准确判断信息数据，同时对比仪器自检结果，对仪器是否存在失效进行正确判定，当仪器出现故障问题的情况下及时发出相应预警，提示工作人员及时更换仪器。同时，工作人员在每次采集数据之前需要进行自检工作，保证采集系统电源处于安全正常的状态，当出现电量不足的现象及时发出报警信号，加强对内存情况的实时检测，当内存存在不足现象对数据采集效率产生不良影响，自动清空内存。另外，对面板堆石坝、重力坝和拱坝等混凝土结构，在出现温度转变的情况下，就会出现较高的温度应力，从而对结构产生一定程度的损坏，减少其使用寿命。因此，工作人员充分物联网技术的重要作用，结合温度监测结构，对大坝喷淋系统进行有效管控，采用喷水降温的方式对大坝安全进行有效保障。水库大坝中部分大体积混凝土，如拱坝一般都会创建通水降温系统，全面实时监测水库大坝坝体内部温度的监测，实现自动通水管控，进而有效保证水库大坝不会产生温度裂缝。