小型水库雨水情测报和大坝安全监测系统建设研究
2023-08-20董文佳
董文佳
(衡山县县城防洪堤管理所 湖南衡山 421300)
监测系统建设是水库信息化建设管理的重要内容,系统建设需要根据水库与大坝运行实际环境、功能需求进行综合设计,切实保障系统建设的兼容性、稳定性、可拓展性,优化系统工作参数。在安全监测系统建设过程中,应高度重视监测系统的硬件配置,将硬件设施设备与软件系统结合,发挥系统雨水情测报和安全监测的基本功能。
1 项目概况
小型水库的建设年限比较长,安全隐患问题较为突出,为响应国家对水库安全问题的号召,在水库除险加固项目中要求建设安全监测系统,对水库运行过程中的各项数据进行汇总,健全安全预警管理机制。衡山县湘江流域共计拥有小型水库数量132 个,多为土坝类型,流域水体总面积达到48.6 km²,年径流量达到5.01亿m³,年降水量在1 420 mm 以上。为实现对该流域内小型水库的安全监测,准确反馈雨水情测报数据信息,依据《水库大坝安全管理条例》《水文检测数据通信规约》等文件内容,利用智能传感、无线通信等技术,进行安全监测平台的建设,自动对水库运行过程中的相关数据进行分析,对水域资源的信息化调度和管理。雨水情测报与大坝安全监测系统建设根据要求需要进行平台建设与相关设施的检测,用于对雨量、水位、渗流、形变等问题的反馈,对既有的雨水情测报设施进行改造升级,对未建设系统的区域进行项目施工建设,并将监测数据实时反馈至监测平台之中。系统建设内容包括雨水情监测系统、视频监控系统、大坝安全监测系统这3个部分[1]。
2 雨水情测报及安全监测系统建设要点
目前,衡山县内该流域小型水库的监测设施已经完成一部分,但仍以人工监测为主,不具备数据自动采集传输的功能,甚至部分设备已经损坏失效,自动化程度无法满足安全监测的要求。通过对水库监测的现状进行分析,水库运行管理方面存在较大的安全隐患,亟须建设更加完善、可靠的监测系统,具体建设要点如下。
2.1 提升自动化程度
以衡山县水库监测系统目前建设的现状,其仍存在较大的安全隐患,且在通信功能、监测设备上仍存在无法实现自动化问题,信息传输较为缓慢。管理人员难以通过系统及时发现并解决安全隐患问题,当发生自然灾害时,无法采取有效的措施应对。因此,需要进一步提升现有监测系统的自动化程度,对其进行优化、完善,及时传递水库运行数据信息、识别潜在安全隐患。
2.2 强化数据传输
设备类型不统一,自由通信协议和通信规约不同,在数据传输上难以实现标准化的数据传输。数据在平台之中无法共享,导致水库的安全管理工作难以有效落实。衡山县水库建设为进一步强化数据传输的规范性、稳定性,建立通信管理平台,实现数据的科学传输[2]。
2.3 加强水库监测管理
根据自动化工作流程和信息化管理方式,需要对以往小型水库管理模式进行创新优化,实现对水库安全管理的标准化、规范化建设,实现自动化管理模式和自动化信息平台作业流程的契合。
3 水库雨水情测报大坝安全监测系统设计
3.1 结构设计
水库雨水情测报和安全监测系统的建设以信息技术为依托,实现对水库运行过程中的在线信息提取,实时采集水库运行过程中设备、环境等相关信息,并将其传输到系统平台。安全监测系统内容包括雨水情监测系统、视频监控系统、安全监测系统等,前端设备负责信息的提取,云平台负责数据信息的分析,在软件系统和硬件设备的联合作用下,实现对系统的运行管理和安全预警,为管理人员提供精准的数据服务。按照结构进行安全监测系统的设计,将其分为雨量计、水位计、渗压计、堰流计等设备,配置数据采集装置、遥测终端设备,做好监测系统的防雷接地,设置监测点。
3.2 功能需求
水库雨水情测报系统和大坝安全监测系统的建设应用需要具备水位监测、雨量监测、安全信息采集等功能,并将数据信息传输至数据库。为切实保障系统建设功能满足实际要求,对安全监测系统的具体功能应包括自动化运行、实时数据采集、信息报送功能、远程控制功能、日志储存、智能供电、安全运行等。(1)安全监测系统在工作过程中,需要按照预设的流程进行站点的实时监测,支持每日24 h的无人监测,在发现问题时,自动预警。(2)安全监测系统在工作过程中,需要将水库运行过程中的水位信息、雨量信息、渗流数据、变形情况等数据实时传输到平台,然后按照要求,定时获取监控图像数据,并反馈现场的情况。(3)安全监测系统在工作过程中,需要采用定时、增量数据传输方式,将监测数据发布到上级平台。(4)安全监测系统在工作过程中,应具备在无人值守的情况下操作远程控制按钮,进行视频监测设备的远程唤醒的功能。(5)安全监测系统在工作过程中,需要采集水库运行数据储存到数据库,以日志方式储存数据1年以上,便于工作人员实时提取历史数据,对比数据变化。(6)安全监测系统使用太阳能供电装置,可智能充电控制,在2 d 左右可完成80%的蓄能。(7)安全监测系统在工作过程中,采用主信道和备用信道数据传输方式,设置报警通信节点,可以提取水库设备运行过程中的相关参数,并自动将其上传到系统平台。(8)安全监测系统在工作过程中,需要具备抗雷击、抗干扰能力,以便满足日常作业的安全需求[3]。
3.3 工作流程
监测系统总控制装置为遥测终端机设备,是整个系统的总传输端,在前端配置传感器装置进行相关数据识别和提取,自动采集水库的水文要素、安全要素等,将采集的视频图像信息和参数信息经过遥测终端机设备,传输至监测平台,并在本地数据库中加以储存,由上级部门负责对相关数据的处理。遥测站的工作流程主要包括数据采集和数据传输,由供电系统供给监测设备运行过程中所需的能源,在对监测站点进行布设和信息源明确的基础上,利用传感器进行采集数据采集,并使用编码器、解码器进行数据的格式转化,经过调制后将其发送到相关的平台。传输装置具备显示功能和拓展通信口,按照上述流程,监测系统可以利用4G 通信网络采集站点的现场信息、现场信号,并且应用光纤通信,完成视频、图像、数据的传输工作,在保障数据传输稳定性的基础上,满足实时数据时延传输的要求。同时,为了减少监测系统对电能的消耗,可以在利用交流电为监测系统供电的同时,采用太阳能浮充供电的方式。
监测系统的核心装置为遥测终端机,应用物联网技术进行连接。传感器装置中包括摄像头、水位计、渗压计等装置,用于对不同类型数据的科学采集[4]。
3.4 监测参数
3.4.1 数据监测
对雨水情监测系统进行参数设置,系统可用于对水位、降水量等参数的提取,设置整点汇报一次,汇报信息内容包括工况、压力、信号、时间、降水量、水位等。如果监测结果表明降水量在1 mm以上,且水位变化在1 cm以上,则缩减频率,每间隔5 min进行一次汇报。
大坝安全监测内容主要包括降水量与库水位,采用整点汇报方式,对设备运行过程中的压力参数以及时间进行反馈。当监测结果表示大坝的渗流量、压力参数或者形变参数超出预设的安全阈值时,或者当大坝处于初蓄期、洪水时,采用加报的方式,每间隔5 min进行一次汇报。
3.4.2 站点布设
站点布设根据不同类型观测内容进行站点的设施,水库设置降水量观测点一个,流域较大区域可适当增加观测点。观测点布设在空旷且无遮挡的位置,使用分辨率为0.5 mm的雨量计进行降水量参数的监测。
水位监测点设置在上游坝坡位置,保持水面平稳、泄流量小的原则,用于监测水库水位是否平稳。每个水库设置一个监测点,使用不锈钢水尺板进行数据提取,设置1 个水准点,根据实际的应用情况,安装不同类型的水位计,实现对不同位阶水位数据的提取,按照需求同时布设浮子式水位计、气泡式水位计,浮子式水位计与水面建筑垂直,观测死水以下水位,建立水位监测井。气泡式水位计安装在岸边比较干净的位置,避免泥沙淤积对观测结果产生影响[5]。
视频监控点布设在溢洪道、大坝、放水涵等位置,主要用于观测大坝的整体面貌,观察其局部位置是否出现渗漏等问题。视频监控点布设2 个以上,较长的大坝适当增加视频监控点。摄像头安装在视野比较开阔的位置,可自动变焦对水库的全景进行反馈,并具备连续循环储存功能,采集的视频与图像可进行半个月的储存,并具备安全预警功能。
3.5 监测内容
监测内容包括渗流量、渗流压力、形变情况等。渗流量监测设置监测点1 个,视具体情况适当增加监测点数量,并在水库高于15 m 以上的位置设置1 个监测点。渗流压力根据断面的数量和位置进行监测点布设,按照要求应设置2个横断面渗流监测点,设置在最大坝高位置,穿越建筑物。例如:高于15 m 的位置设置绕坝监测面,坝高在70 m 以上,则需要在横断面位置适当增加2个左右的监测点。形变监测主要监测坝体是否出现裂缝、开裂等情况,通过开合监测、错位监测、倾斜监测等方式,进行安全隐患数据的采集。在坝高为15 m位置设置坝顶纵断面,在坝高30 m位置增设坝坡纵断面。例如:大坝为砌石坝或者混凝土坝,则在坝顶位置设置形变监测断面。
4 雨水情测报系统及大坝安全监测系统建设
4.1 雨水情测报系统建设
雨水情测报系统建设主要包括水准点、水尺桩、标识条、防雷接地等,在多个设施、设备的联合作用下,完成雨水情相关数据的采集和分析。具体雨水情测报系统建设内容如下。
4.1.1 水准点
水准点建设依据《水位观测标准》文件中的要求,进行水文站相关基础设施的建设,每个小型水库配置一个水准点,并将其设置在地形较为稳定的区域,并在水准点附近建设标识杆。水准点的基座建设使用质量等级为C25的砼建设,水准标准为不锈钢材料组成,设置复合窨井盖的参数为50 cm×50 cm×4 cm。标识杆基座的建设与水准点基座相同,标杆使用镀锌钢管建设而成,并在钢管上涂刷红、白相间的反光漆。水准点埋设施工完成施工,进行高程水准点的引测,保持水库引用高程与引测高程的一致性,实现对雨水情相关数据的采集[6]。
4.1.2 水尺桩
水库的水尺桩建设布设在大坝的迎水坡面位置,保障水位观测结果的科学性,同组水尺在相同断面位置进行布设,并在水尺桩建设完成后检验其是否符合安全、稳定的基本原则。雨水情测报使用的水尺桩类型为直立式,使用不锈钢材料进行制作,形状为圆筒状,控制管径参数为13.3 cm,厚度为0.15 cm,长度为110 cm,底部采用不锈钢法兰进行固定、连接,并使用膨胀螺栓将混凝土与基础连接,采用现场浇筑的方式进行施工。
4.1.3 水位标识条
水位标识条的建设使用不锈钢面板,控制其尺寸大小为500 cm×20 cm×0.15 cm。标识条使用红色打印,并进行黑色水位高程数字的反馈,将其安装在迎水面,使用膨胀螺栓进行安装和固定。
4.1.4 防雷接地
监测站点进行安全防护,使用不锈钢避雷针,避免在观测过程中受雷电等恶劣天气影响,使观测结果受到影响。防雷接地设施使用热镀锌角钢,埋设深度为0.8 m,控制接地电阻在10 Ω以下。
4.2 视频监控系统建设
视频监测系统由雨量计、水位计、摄像机、终端系统、通信模块、供电系统等组成。对视频监控系统进行建设的过程中,结合系统的功能需求,将通信模块、遥测装置、防雷器、水位计等相关设备均安装在机箱之中,采用一体化的装设方式,并将其安装到立杆支架之上。视频站的建设主要包括管网敷设、基础开挖、接地网建设等内容,探头采用固定安装的方式,并保障其不会因水流产生变动,气管则采用向下倾斜的安装方式,弯曲位置避免水平,切斜度控制在5°以内。气管出气口位置设置在水位以下8 cm 处,避免因淤泥、泥沙等使其堵塞,并控制弯曲半径在10 cm 以下。通信模块的安装使用屏蔽电缆,安装PVC 管对通信装置进行保护,并将避雷器设备与通信模块连接,应对恶劣天气对雨水情测报结果的影响。
4.3 大坝安全监测系统建设
大坝安全监测系统建设所应用的设备包括水压计、渗压计、监测系统、数据采集装置等,大坝安全检测系统建设根据监测所使用的设施与设备,进行具体参数的配置,实现对数据的精准采集。
4.3.1 量水堰建设
量水堰建设使用矩形断面设计方式,长度是水头的7 倍以上,上游堰槽的长度在1.5 m 以上,下游堰槽的长度在0.5 m 以上,堰槽两侧处于平行的状态,并与河流水流的方向处于垂直状态之中。水尺、水位计等安装在堰板之上,在4倍左右水头位置设置水尺、水位计等设备。堰板使用不锈钢材料进行制作,并控制过水堰口下游边缘位置角度为45°,采用平面铺设方式,如存在凹凸位置,则控制误差值在3 m以上,且堰口位置凹凸位置误差值在1 mm 以内。堰板顶部为水平的布设方式,两侧的差值应小于堰宽的0.2%。为确保量水堰水尺的精确程度,控制设备读数误差值在1 mm以内[6]。
4.3.2 测压管
测压管使用的材料为PE 管、热镀锌钢管,控制测压管的φ50。按照测压管的分布,可将其分为花管和导管两部分,设施建设过程中需要保障测压管的水平程度,均匀排列,且观察管内是否存在毛刺。透水段的长度应控制在2 m 上下,使用包扎的方式对其进行防护,保持管内的封闭效果。管端接头使用外箍的方式进行连接。
4.3.3 土建工程
监测系统的设备安装及土建工程建设是保障监测系统功能实现的前提基础。在对观测带位置进行明确之后,对场地进行协调。在进行形变监测时涉及土建工程,基础尺寸控制在80 cm 上下,地面裸露水泥平台,控制混凝土等级为C25。监测系统数据采集类型为GNSS数据,通过基准站、监测站、控制中心之间的数据连接,实现对形变数据的监测和处理。在基础内应设置钢筋地龙,控制主筋直径参数在1.4 cm以上,使用镀锌螺纹杆进行连接,并将地脚螺纹螺栓裸露在外面,使用法兰盘进行立杆的固定和连接。使用镀锌钢管,高度为14 cm,厚度为0.3 cm,喷塑白色油漆,并做好设备的防锈处理工作[7]。
5 结语
综上所述,衡山县小型水库数量较多,为进一步强化对水库运行过程中的安全管理,解决水库运行过程中的安全隐患,进行雨水情测报和安全监测系统的建设工作,建立规范化的运行管理模式,实现对水库运行过程中的预报、预警。从软件结构和硬件设施角度出发进行安全监测系统的科学建设,做好系统建设过程中保障措施,可建立水库长效安全运行机制。