丹河水库大坝安全监测系统的建设与应用

2024-04-27马千双吴学伟

治淮 2024年4期

马千双，吴学伟

（临朐县丹河水库运行维护中心，山东潍坊 262612）

1 工程概况

丹河水库位于临朐县辛寨镇大后河村东南，弥河支流—丹河中游，控制流域面积37km2。1959 年11 月，丹河水库开工兴建，于1960 年8 月建设完成并蓄水验收。水库枢纽工程建筑物组成主要有主坝、副坝、溢洪道（闸）、放水洞（南北两座）以及灌区（东西两个）、灌溉用泵站等，工程等别为Ⅲ等，主要建筑物级别3 级。丹河水库经过2000 年至2010 年除险加固后，防洪标准达到50 年一遇设计洪水标准，1000 年一遇校核洪水标准。

水库校核水位193.39m，相应库容1243 万m3；设计洪水位191.31m，相应库容927 万m3；警戒水位191.31m，相应库容927 万m3；汛中限制水位、汛中允许超蓄水位、汛末蓄水位均为189.00m，相应库容629 万m3。

2 安全监测概况

丹河水库除险加固工程完工后，在大坝0+085、0+250、0+440 断面及溢洪道左右岸共布设有27根测压管，每根测压管内设置有渗压计，在大坝0+085、0+250、0+440 位置布设有数据采集器（MCU）27 台，用以采集大坝渗流压力数据，所有设备供电方式采用太阳能供电，通过数据卡进行数据实时传输，数据最终传输至水库的中央控制室，通过现有安全监测的系统软件对所获数据进行整编分析处理，从而将相关图表在计算机及会议室屏幕上进行显示。在桩号0+030、0+135、0+250、0+360、0+440 处布设有6 个监测断面的30 个大坝沉陷位移观测点。

3 丹河水库安全监测存在的主要问题

目前，丹河水库的大坝安全监测设施仍不完备，缺少相应的自动化监测设施，现有监测设施由于运行时间较长，存在一定老化、数据失准等问题，整体技术较为落后，无法适应日后水库工程运行管理工作的高标准、严要求，具体表现如下：

1）丹河水库现有测压管均存在一定程度的淤积堵塞问题，对于日常大坝渗流监测数据的准确性产生了较大影响。

2）丹河水库大坝表面沉降位移监测主要采用人工观测的方式进行记录性监测，准确度存在一定偏差，在天气、人员等制约性因素下，无法保障数据观测的实时性及连续性，需进行自动化建设。

3）现有安全监测软件的模块化及智能化程度较低，无法适应日后大坝安全监测工作的高标准严要求，且自动化设备更新后需对系统进行重新整合优化。

4 以往安全监测工作开展情况

未维修改造前，丹河水库主要采用人工观测方式进行安全监测，工作开展要求如下：

1）库水位在汛限水位189.00m 以下时，测压管观测均为每10 天一次。

2）库水位超过汛限水位189.00m 时，测压管观测每10 天两次。必要时，加密观测次数。

3）库水位超过50 年一遇设计洪水191.31m 或发生导致水库出现重大险情因素时，测压管观测每天一次，重大险情由工程专业人员轮流24 小时不间断监测。

5 丹河水库安全监测系统主要建设内容

5.1 大坝渗流监测系统

在现有监测断面部署新一代大坝渗压智能监测设备，实现对大坝渗流数据的采集、存储、上传、分析以及管理功能。

5.2 大坝表面沉降位移监测系统

根据大坝的长度、分布等现状，在2 个断面，部署2 处位移监测点。并通过4G 无线通讯网络，实现各测站数据能够实时传输至系统后台，实现对数据的整编分析。

5.3 运行管理单位软硬件环境建设

利用丹河水库目前的办公条件和网络通讯系统，新购置安装一台国产高性能工控机，搭建数据库模块，针对性开发、安装大坝安全监测信息管理系统软件，并预留巡视巡检、表面变形监测、水压（应力）监测、库区环境量监测等接入功能，以全方位提高大坝的安全信息化水平。

6 丹河水库安全监测系统建设方案

在丹河水库现有大坝安全监测设施设备的基础上，通过维修改造施工，逐步完成对丹河水库大坝安全监测系统的全面优化升级，以实现智慧化控制的目的。通过完善水库大坝渗流观测设施和大坝表面沉降位移观测设施，建设大坝安全自动监测管理系统，从而完成对大坝各项安全监测数据的整编分析，实现智能化监管。系统结构框架如表1 所示。

表1 大坝安全自动监测管理系统结构框架表

6.1 大坝渗流监测系统

对原有测压管进行清洗，更换设备进行测压，设备采用跟踪式智能渗压遥测仪，监测数据通过4G无线通信网络传输至系统软件平台，从而实现对测压管渗压水位数据的自动测报。

6.1.1 跟踪式智能渗压遥测仪

1）设备工作原理及优点：采用跟踪式监测控制技术，对水面的位置及水面变化进行实时感知及追踪，将水面的位置信息转换为相应的水位数据完成上传。设备集水位智能感知、变化跟踪、数据采集处理、无线自组网数据传输、自供电等一体化设计，具有功耗低、抗雷击性强、抗干扰性强、数据准确、稳定可靠、不受水质泥沙等因素影响等特点。

2）设备精度要求：测量精度不大于1cm，变幅0～20m。

3）设备通讯系统：监测站与数据中心采用4G通讯方式。

4）设备供电系统：采用太阳能供电系统，根据实际需求，确保在连续5 个阴雨天的情况下，设备依然能够正常运行。

6.1.2 测压管清洗及井口处理

1）测压管清洗。目前测压管清洗主要有高压水冲洗法、充气沉积法、电动涡流清淤法以及组合钎掏泥法，根据各方法处理范围及优缺点（表2），选择合适的方法。在具体清洗过程中，需严格控制施工工艺，确保清淤（清洗）过程中不对测压管管壁及内部反滤层造成破坏。

表2 测压管清淤（清洗）方法比较表

2）井口处理。井口加装带锁防护箱，防护箱采用304 不锈钢材质，锁具宜采用密码锁。

6.2 大坝表面沉降位移监测系统

在丹河水库监测区附近，选择地质条件好的位置（坝体附近稳定性好的基岩上）建立1 个基准点。在大坝特殊情况的断面（出现裂缝、冲沟、渗水、最大坝高断面等）上部署2 个监测点，并将监测数据通过无线通信管理网关接入安全监测自动化平台，实现对位移沉降相关数据的自动测报。

6.2.1 沉降位移监测设备

结合现有成功案例，综合考虑建设成本及丹河水库安装环境，监测方法选择GNSS 监测。

1）设备工作原理及优点。通过对一定范围内具有代表性的区域建立变形观测点，在远方距离监测点合适的位置建立基准点。在基准点架设GNSS 接收机，根据其高精度的已知三维坐标，经过几期观测从而得到变形点坐标（或者基线）的变化量。根据观测点的形变量，建立安全监测模型，从而分析滑坡、大坝等的变形规律并实现及时的反馈。具有定位精度高、观测时间短，以及全天候实时观测等优点。

2）设备精度要求。GNSS 监测型接收机防水防尘等级IP67。标准双频：H ≤1.5m，V＜3m（10，PDOPS4）。水平：士2.5mm+lppm（RMS）。垂直：5.0mm+lppm（RMS）。可靠性＞99.9%。

3）设备通讯系统。基准站、监测点与管理中心之间采用4G 通讯方式。

4）设备供电系统。采用太阳能供电系统，根据实际需求，确保在连续5 个阴雨天的情况下，设备依然能够正常运行。

5）设备防雷设计。系统充分利用库区内现有的防雷和接地设施，配置避雷针，并做好相关导线接地工作。

6.2.2 GNSS 监测技术要求

监测技术要求结合《岩土工程监测规范》（YS/T5229—2019），4.3 水平位移监测与4.4 垂直位移监测章节内容进行确定。

6.3 软硬件环境建设

6.3.1 大坝安全监测管理软件系统

系统应具备以下功能：

1）监测数据采集管理：实现对丹河水库大坝沉降、位移、渗流（压）信息的自动监测数据的采集入库管理。

2）对丹河水库其他已建系统的数据的融合接入。

3）数据库建设：根据丹河水库安全监测需求，整合数据资源，优化现有数据库。

4）数据统计分析：实现丹河水库大坝安全各相关数据的查询、统计、报表、数据分析、异常情况预警预报功能。

5）图表绘制展示：通过捕捉到的数据自动形成相关图表。

6）资料整编分析：实现综合整编考证数据、监测记录数据、监测成果统计数据、监测成果图等数据及资料的功能。

7）移动端建设：为方便工程科管理人员的日常运维管理，针对性开发手机APP 移动端软件平台，实现随时查看大坝相关数据、及时推送重要信息等管理功能。

6.3.2 硬件系统

工控机作为控制安全监测自动化设备和系统的计算机，对于实现系统的整体监测和控制起着至关重要的作用。水库管理单位作为政府的职能部门，对于设备采购宜采用国产设备，确保数据的保密性，经比选后选用研华工控机。

工控机设备型号及相关配置：型号IPC610；主板E19AIMB-705G2；IntelI7-67003.4GHZ 四核八线程CPU；8GBDDR42133 内存；1T 硬盘；2G 显卡；300W 工业级电源；K+M；6COM；2×RJ45；4 个USB3.0，6 个USB2.0；5 个PCI 插槽，含24 寸显示器以及win7 及以上正版操作系统。