济宁市尹城水库大坝安全自动监测系统设计

郝晓辉，李鹏明，高 原

（1.山东省水利科学研究院，山东 济南 250014；2.山东高速城乡发展集团有限公司，山东 济南 250000）

尹城水库位于淮河流域泗河支流芦城河上游，控制流域面积34.6 km2，总库容1 300 万m3，是一座以防洪、灌溉为主兼顾发电、渔业养殖的中型水库。水库枢纽由大坝、放水洞和溢洪道等部分组成。大坝为折线型均质坝，全长1 045 m，设计最大坝高21.3 m，设计坝顶高程124.69 m，坝顶宽5.0 m。溢洪道为开敞式，设计底高程120.39 m，宽度60 m。水库有东、西两座放水洞，东放水洞设计输水流量为1.8 m3/s、西放水洞设计输水流量为1.25 m3/s。

1 水库安全监测设施现状

目前，尹城水库仅有雨水情观测设施和水库视频监视系统，监视系统由1 台16 路嵌入式数字硬盘录像机、工业以太网交换机、6 台一体化球型摄像机、监视工作站组成。

2 水库安全监测主要问题及需求分析

2.1 主要问题

1）大坝无坝体表面变形监测设施，不能及时掌握坝体危害性裂缝、沉降、滑坡等病险情及安全隐患。大坝无坝体及坝基渗流压力监测设施，不能监测散浸、渗水、流土、管涌等病险情及安全隐患。

2）水库无大坝安全运行监测分析管理系统软件，不能对大坝整体安全进行分析评价。监测手段传统单一，自动化程度低，不能满足水库标准化管理的需要。管理人员少、专业水平低。

2.2 水库安全监测设施需求分析

建立可靠有效的水库大坝安全自动监测系统，实现对大坝的渗流，变形等重要参量的实时监测和预警是非常必要的。系统建立后水库各级管理部门可以及时掌握水库运行状况，及时实施有效的指挥调度。

1）水库重要运行数据的采集、传输、计算、分析。包括库区上游来雨量、库区水位、坝体表面变形监测、坝体及坝基渗流压力监测等。

2）各项监测数据的历史变化过程及实时状态直观显示，可为水库管理人员提供简单有效、直观明了的信息参考。

3）预警信息及时发布。对各项实时数据进行深度挖掘，分析验算，科学客观地评价坝体实时状态；当水库某项指标出现异常（如水库水位超过警戒水位，坝体位移或位移速率超过警界值，坝体浸润线异常等），系统能及时发出预警信息（包括声光报警、监测大屏显示、短信报警功能等）。报警及时、迅速，做到超过限值立即预警。

4）管理及时便捷。可实现水库安全监测系统的远程登录、远程访问、远程管理和远程维护。

3 主要建设内容

1）大坝渗流监测。构建大坝渗流监测系统，新建大坝渗流观测管，部署新一代大坝远程跟踪式激光智能渗压遥测仪设备，实现对大坝渗流的实时在线监测。

2）大坝坝体表面变形监测。坝体表面变形监测内容包括坝面的垂直位移和水平位移，部署GNSS 位移观测设备，实现对大坝表面变形的实时在线监测。根据大坝的长度、分布等现状，在5 个断面部署17 处位移监测点，建设可靠、高速的数据传输网络，实现各测站数据与中心的实时传输。

3）管理处软硬件环境建设。利用现有的办公环境及网络、数据库软件、大坝安全自动监测信息管理系统软件等，预留巡视检查、变形监测、压力(应力)监测、环境量监测等接入功能，全面提升大坝安全信息化规范化管理水平。

4）建设安全分析子系统。通过对大坝坝体表面变形、大坝渗流等指标的实时监测数据分析验算，科学、客观地评价实时安全状态和变化趋势。

5）建设信息化平台。包括实时状态、常规监测、安全监测、安全分析、视频监控、调度管理和电子档案7 个功能模块。

4 监测系统组成

4．1 大坝渗流监测系统

大坝渗流监测系统由测压管、远程跟踪式激光智能渗压遥测仪、无线通信管理网关、太阳能供电装置及管口保护装置组成。对水库大坝8 个监测断面的24 处渗压监测点，部署新一代远程跟踪式激光智能渗压遥测仪监测设备，实现对大坝渗流监测数据的采集、存储、上传管理功能。

1）监测仪器选择。大坝渗压自动监测选用远程跟踪式激光智能渗压遥测仪。该设备采用机电一体化控制与高精度激光测量技术，可自动跟踪渗压水位变化，实现对水利设施的渗压水位非接触式测量，避免了因水质腐蚀、淤积、结垢和微生物等导致传统接触式水位传感器失灵的现象，克服了因渗压管倾斜弯曲使激光束无法测量的技术弊端，测量精度高，使用寿命长，运行稳定可靠，是激光测距技术在测水量水领域的创新应用。根据尹城水库现场实际情况，依据每个测压管的管口高程、管底高程、变幅等数据确定监测设备量程，通过远程跟踪式激光智能渗压遥测仪监测测压管内的水位变化情况。

2）渗流监测系统功能。包括对坝体和坝基的渗流浸润线数据，能定时和不定时地自动采集和存储；对大坝渗流作用情况进行实时定性定量的简单分析，实时显示各监测断面的渗流浸润线以及数据报表等；对大坝渗流安全实时监测、分析和预警等内容。

4.2 大坝表面变形监测系统

1）监测设备选型。GNSS 全称是全球导航卫星系统，GNSS 监测系统主要由空间部分（人造地球卫星）、地面监控部分（分布在地球赤道上的若干个卫星监控站、注入站和主控站）和用户部分（用于接收卫星信号的设备）组成。GNSS 监测系统主要包括天线、接收机、通讯系统及相关解算、坐标转换及分析处理软件等组成部分。GNSS 在变形监测中具有测站间无需通视，可提供监测点的三维位移信息，全天候监测，监测精度高，操作简便，易于实现监测自动化等特点。根据水库大坝的实际情况，水库大坝新建变形监测点设备全部使用GNSS 监测，今后观测以GNSS 监测系统为主，实施自动化观测。

2）变形监测系统功能。建立GNSS 监测系统实现水库大坝的水平位移监测与垂直位移监测，同时，为满足水库达标建设要求，在建立GNSS监测系统的同时，在可实现全站仪监测的部分断面使用高精度全站仪进行定期人工监测，获取GNSS 监测数据的冗余观测，建立人工观测数据档案，通过对两种监测方式获取数据的对比与融合，提高坝体表面位移的监测精度。

4.3 水库安全运行综合监测分析管理系统

合理利用现有硬件平台，实现对大坝渗流、表面变形数据的统一管理，预留环境量、应力监测数据接口，实现对大坝安全运行全要素的综合管理。

5 结 语

尹城水库水库大坝安全设施项目实施后，系统运行正常，实时地监测到大坝的位移、变形、渗流等一系列大坝安全运行的重要参数，及时反映了工程实际运行情况，准确地呈现了大坝安全状态，提高了管理决策的准确性和及时性，为工程设施的安全运行提供保障，为指挥部门及制定防洪抗旱调度方案决策提供科学依据。