弃渣场自动化安全监测系统构建

2023-07-28陆进彬赵利鹏雷啸天

水利技术监督 2023年7期

李坚，陆进彬，赵利鹏，雷啸天，杨刚

(1.云南省滇中引水工程有限公司，云南昆明 650000；2.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083；3.中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京 100083)

弃渣场广泛存在于铁路、公路、水电等行业，是基础设施建设中的重要附属设施，其往往具有渣量大、弃渣水土流失危害严重等特点[1-4]，例如，2015年深圳光明新区红坳弃土场滑坡灾难引发公众广泛关注弃渣场边坡稳定与安全[5-6]；张建龙[7]对全国17座抽水蓄能电厂中48个弃渣场的运维状态开展了调查，其中13个弃渣场在后期运营中存在质量不平衡现象，并有国家专项资金进行支持，占总量31%，仅有3个弃渣场有监控系统。

滇中引水工程输水总干线上存在大量的隧道洞渣需要堆填处理，土石方开挖总8824.49万m3，土石方回填总量1630.34万m3，弃渣总量为7194.15万m3，其中四华道班弃渣场是弃渣量最大、堆高较高的弃渣场，属于重点监测对象。本文以此为依托，基于GPS、柔性测斜仪和渗压计等监测技术对渣场表面变形、深部变形和渗压进行监测，以建立自动化监测系统，并进一步介绍了自主研发的DBMS信息采集系统和工程安全监测信息管理及决策分析软件的工程应用，研究结果可供相似的弃渣场工程的安全监测借鉴使用。

1 水文地质概况

据丽江市气象站1971—2000年的实测资料，常年平均气温12.7℃，最高气温为18.4℃，常集中在6月份，最低气温为6.0℃，集中在1月份，常年极端最低气温为-11℃，极端最高气温为32℃；年降水量平均为753.7mm，且年内分配不均。降水汛期为5—10月，占全年降水量的91.3%。其大地构造单元位于松潘-甘孜褶皱系内，区域构造背景复杂，新构造运动活跃，且位于中甸-丽江-大理地震活动带西侧缘[8-9]。场址区8km范围分布有全新世活动的龙蟠-乔后断裂，区域构造稳定性差，曾在进场路发生过塌方。四华道班弃渣场堆高130m，弃渣量255.8万m3，工程等级2级，弃渣组成以灰岩为主，夹杂砂砾卵石，是滇中引水工程水源工程中的弃渣量最大、堆高较高的弃渣场，属于重点监测对象。

2 安全监测内容

四华道班弃渣场的最大堆高处布设了一个重点监测断面，在该监测断面上各隔一级马道布设了一个表面位移测点，总计7个表面位移测点。在重点监测断面左、右边各60m处各布置了一个普通监测断面，在重点监测断面上各隔一级马道布设1个表面位移测点，总计布设表面位移测点8个，共布置了15个表面位移监测点。在重点控制断面处布置了4个测斜和测压管道，对渣场滑动变形和浸润线变形实施控制。在弃渣场旁适当位置布设一个视频监控点，以能覆盖弃渣场的整个临空面为宜，主要监控弃渣场临空坡面的变形情况。

2.1 渣场变形监测

表面变形包括水平位移与竖向位移，各测点采用全站仪进行交会法测量和三角高程法测量。表面水平位移监测如图1所示。

图1 表面水平位移监测流程图

深部变形监测采用柔性测斜仪系统(由柔性测斜仪装置、自动化数据采集仪等部分组成)，以实现数据自动观测。监测原理如图2所示。

图2 测量原理示意图

2.2 渗压测量

采用电测水位计和振弦式仪器进行渗压测量。电测水位计探头从测压管管口缓慢放入，连续测读2次，2次测读误差不大于1cm。振弦式仪器观测流程如图3所示。

图3 振弦式仪器观测流程

3 自动化监测系统构建方案

基于上述GPS、柔性测斜仪和渗压计对渣场表面变形、深部变形和渗压进行监测，以此构建自动化监测系统，以实现实时自动化监测。

拟建的自动化监测系统为一种高效、快速、可靠的手段，能24h实时在线监测和分析变形数据，对弃渣场的位移进行周期性规律变化的趋势分析，对未来时间内的位移作出预判，系统大致由5部分组成：①数据前端采集部分；②数据通讯部分；③控制室数据存储、分析、管理、告警部分；④设备防雷部分；⑤系统供电部分，如图4所示。

图4 自动化系统组成示意图

3.1 信息收集装置

信息收集装置由GNSS接收机、渗压计、柔性测斜仪组成。

3.2 数据传输

数据的传输是实现边坡变形检测全智能化的重要环节，同时也是工程现场与地面控制中心之间的重要联系纽带。本项目数据通信方式拟采用GPRS无线进行传输，每个监测点(孔)独立使用一个GPRS传输模块。

数据传输系统能全天候运行和长距离的数据传输，保障测点同控制室数据通讯正常，数据通信速率一般在10～60kbps之间或者更高，视数据量最终确定。GPRS通讯方式如图5所示。

图5 GPRS通讯方式示意图

3.3 电源装置

设备供电方式一般有太阳能供电和电力网络线路供电2种，由于弃渣场不具备电力网络线路供电条件，本项目所有监测点采用太阳能系统供电，而后方控制中心采用220V交流电供电。所有监测点和基准点采用太阳能供电系统，保证在连续阴雨天的情况下能保证GNSS能连续正常工作7个工作日。

控制中心的服务器配置UPS，保障控制中心停电的情况下，服务器仍能持续工作30min。

太阳能系统主要由太阳能组件、太阳能充电控制器、蓄电池组件、逆变器、直流及交负载等构成，可直接提供12、24、48V的直流，还可提供220、380V的交流电源，如图6所示。

图6 太阳能供电系统示意图

3.4 防雷系统

所有监测点均布设避雷针，馈线避雷器，电源避雷器。

建立对信息收集装置、数据传输、电源装置具有防护功能的防雷接地系统。GNSS装置的直击雷防护，配置避雷针和接地系统，连接电流低于10Ω。GNSS系统的感应及避水防护方面，应安装天线馈线与电源回路之间的感应避雷器，接地电流低于4Ω。但现场情况由于没有地网，很难保证达到，所以将在现场布设简易地网，以达到保证GNSS安全为前提。具体防雷措施有：

(1)基站天线有防直击雷的防护，避雷针与地网作了可靠相连。天线馈线严格按照标准选择其接点。

(2)在电力线进入之前，安装电力线的电涌防护装置。

(3)天线的防雷：将避雷针利用加工的角钢固定在观测墩上，既满足国家标准的要求，又更好的保护GNSS天线设备，而且能保证避雷针同观测墩有效的稳定性，架设高度为2m，用扁钢同地网焊接，然后接入地网，要求直击雷引出线的接地点与设备接地引下线的接地点距离不应小于10m，接地之前对地网进行电阻测试。

(4)感应雷保护：感应雷的保护使用城区内监控站的保护方法，不采用城市电网的无须加装电源变压器。本防护系统设计以下2个角度考虑为主，电源线防雷、通信接收器防雷。电器设备应安装天馈线电涌保护装置、电力线电涌防护装置以及通信线(数据线)电涌保护装置。

3.5 中心控制系统

中心控制系统拟采用自主研发的DBMS信息采集系统和工程安全监测信息管理及决策分析软件。系统主要包含系统设置、数据采集、数据查询、过程曲线、数据录入、仪器管理、巡视检查等功能。通过设置采集计算机，系统能够部署在不同的采集计算机上进行分布式数据采集。

对于图形分析，其子模块可绘制满足管理及分析需要的各类图形及表格，包括多个物理量的综合过程线图、相关图(包络图)、分布图等。利用这些分析方法，可以将同一监测点不同方向的测值在一张图上表现出来，例如表面监测点的X向累计位移、Y向累计位移、H向累计位移以及水平合位移；可分析某部位的水位对该部位变形的影响，即将水位过程线与该部位的变形监测数据进行相关性分析；可将相同部位不同监测项目的仪器进行关联性分析，如：分析应力和变形之间的关联性；能对同一工程部位、同一个断面内的监测点资料进行比较分析。系统能够进行多个监测点同时间的安全监测资料对比分析，其中时程分布图描述的是监控点资料总量随时间变动情况的曲线图，能对现场工程部位、监测断面、装置型号、监测时间等因素加以随机综合，查询出所需要的监控点信息曲线。

3.6 辅助预警分析

辅助预警包括阈值管理和阈值组合管理，其中阈值管理用于设置并管理各种监测仪器的预警阈值，阈值组合管理用于将设置好的阈值绑定到特定的安全等级上，即：可以设置测点安全、关注、预警和危险所对应的数值范围。选择测定并设置截止时间后，系统将对各测点截止时间前一次数据成果进行阈值评判。以此将监测对象的安全状态分为4个等级：安全、关注、预警和危险。处理措施如图7所示。

图7 辅助预警安全等级处理措施

安全管理等级分别是安全(绿)、注意警示级别(蓝)、注意检查级(黄)、公司内部会商级(橙)。对不同等级警情分别采用以下方法进行管理，但范围不限：①注意警示级别，必须在规定时间内核实、确定；②注意检查级，必须及时进行查看、确认；③公司内部会商级，在现场评价认定必要时，将对公司相关各方专题开展专项会评估。