论棋盘山水库大坝安全监测自动化系统技术研究

刘　奇　高永超　何维民

摘要 大坝是水库的重要枢纽，是保障水库功能和效益发挥的关键，大坝安全自动监测是保证大坝安全的重要措施，是坝工设计、建设和运行管理中必不可缺的工作。对辽宁省棋盘山水库实现大坝安全监测自动化系统技术研究成果进行介绍，并重点对实现土石坝安全监测自动化的关键技术进行探讨。

关键词 土石坝；安全监测；自动化系统；辽宁沈阳；棋盘山水库大坝

中图分类号 TV62 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2009）07-0280-01

棋盘山水库位于沈阳市棋盘山开发区浑河支流蒲河上游辉山—棋盘山山谷中，是一座以防洪为主，兼顾灌溉、旅游等综合利用的中型水库。水库控制流域面积133km²，总库容8 016万立方米。下游影响19个乡镇、4个国营农场、60多万人口、7.33hm²耕地。长大铁路、沈哈高速公路、沈北煤田等重要交通干线经过

此地，其地理位置重要。

1 研究目标

调查统计结果表明，造成病险水库的主要原因之一就是大坝安全监测方法落后，人工监测不及时，监测数据不准确，不能及时发现坝体隐患，大坝长期带病超限运行，在遇暴雨洪水高水位运行时，容易引起坝体滑坡或垮坝事故。因此，有必要研究适合于水库工作环境的、能够长期稳定运行的新型总线结构自动采集技术，以解决分散式结构采集模式在水库实际应用中存在的问题。并结合当前世界先进的水库土石坝自动化监测设备，综合运用水利、计算机信息及通讯技术，结合实际土石坝工程，设计与开发土石坝自动化安全监测与分析评价预报系统，最终总结、研究水库大坝安全监测自动化系统解决方案。

2 完成研究内容

2.1 大坝外部变形监测技术

具体研究内容包括水库坝体外部变形的测点布设、应用全站仪进行外部变形自动化监测、外部变形数据分析模型理论及通用程序模块的设计与开发等。

2.2 总线式结构自动化观测技术

具体研究内容包括PROFIBUS、MODBUS总线结构式智能化（大坝）渗流、浸润线监测技术研究，并根据水利工程特点设计全新的防雷系统等。

2.3 大坝安全自动监测技术

具体研究内容包括监测数据的自动采集、传输与入库、采集数据库的设计、数据库优化技术、数据异常报警技术等。

2.4 水库大坝安全分析评价预报系统

具体研究内容包括：基于实时采集数据库、水库工情数据库、参数库的大坝安全分析评价预报系统软件设计开发的研究，系统通用性、可靠性、可移植性的研究，大坝安全分析、评价与预报模型理论的研究与通用程序模块的

设计与开发等。

3 研究成果

3.1 总线式结构自动化观测技术研究

通过理论研究和结合实际工程监测施工设计，应用现代电子理论方法对监测系统的系统结构、计算机监测软件、传感器等方面进行了优选研究，根据水库大坝环境和不同水库大坝参数的差别，先后选用了2种结构系统：PROFIBUS总线结构式智能化（大坝）渗流监测系统，MODBUS总线结构式智能化（大坝）渗流监测系统。实践证明，2种结构系统具有接线量小、线路短、结点少、故障率低等优点，彻底解决了大坝监测中存在的电源波动、干扰、潮湿、高温严寒和人为破坏等难题，为水库大坝监测提供了现代化的方法手段。

3.2 系统防避雷技术研究

由于监测系统设备在坝面安装、无廊道屏蔽、系统分布范围大等原因，导致土石坝安全自动监测系统更容易遭受雷击。专业统计分析表明，有90%的雷害是由感应雷电流沿通讯电缆、电源电缆进入系统损毁设备。本研究的工程防雷措施同时从构建覆盖整套系统的屏蔽防护体系、切断雷电流传输通道、建造良好下泻通道最大限度输导雷电流等方面入手，具体工程措施包括：数据传输主干路采用光缆通讯；所有电缆采用镀锌钢管保护并地埋敷设，使系统设备和通讯线路完全置于全屏蔽法拉第笼的保护之下；合理利用测压管体系构建接地系统，使系统接地电阻在1Ω以下；所有设备采用单端接地方式，避免由于地电位差引入干扰；在各信号电缆、电源电缆两端加装浪涌识别防雷设备，切断雷电流传输通道；为整个系统加装避雷针，最大限度降低直击雷危害等。同时，研究设计了串联式浪涌识别电源防雷、串联式信号线避雷、分散式联合接地系统模式和电源稳压系统，有效地避免了直击雷、感应雷和电压浪涌波动对系统的破坏和影响。

3.3 水库大坝安全分析评价预报系统

为开发建立具有通用性、可移植性的水库大坝安全分析评价预报系统，本研究将系统划分为数据采集子系统、数据管理信息子系统和分析评价预报子系统。对采集数据库的效率优化、监测数据动态维护管理、坝体变形安全分析模型理论、渗流安全分析模型理论进行了深入研究。建立集坝体裂缝分析、过程线分析、浸润线分析、位势分析、相关分析及坝体安全综合评价（包括坝体安全评价体系与评价准则的建立、模糊综合评价模型、灰色关联度评价模型与人工神经网络评价模型的开发）等功能的大坝安全分析评价预报系统。

4 结语

通过对棋盘山水库大坝安全监测自动化技术的研究，目前已形成一套成熟稳定的建设模式，项目研究成果对棋盘山水库大坝安全监测自动化建设与除险加固改造具有全面的指导作用。该成果的实施能够极大地提高水库大坝的安全监测水平，提高水库防洪和供蓄水能力，发挥水库的巨大作用，对水库流域的可持续发展具有促进作用和应用价值。

5 参考文献

[1] 何玉春，谢明勇.水库大坝安全观测与运行管理[J].水利技术监督，2009（1）：71-72.

[2] 方卫华.国内外水库安全管理与大坝安全监测现状与展望[J].水利水文自动化，2008（4）：5-10.

[3] 于贺海，徐伟，郭维东.自由水库大坝除险加固及监测设计研究[J].中国水运，2008（12）：154-155.