大坝安全监测自动化系统应用探讨

程洪波

（泉州市山美水库管理处 362000）

1 工程概况

山美水库位于福建省南安市晋江支流东溪中游,水库总库容6.55亿m3，正常蓄水位96.48m，设计洪水位98.78m，校核洪水位100.70m。山美水库是一座以灌溉为主，结合防洪、供水、发电等综合利用的大（2）型水利枢纽工程。

水库枢纽工程由主坝、副坝、溢洪道、引水隧洞及地下厂房、坝后厂房等组成。主坝为粘土心墙坝，粘土心墙顶宽5m，顶部高程104.48m，坝顶长315m，坝顶宽8m，最大坝高75.5m，坝顶高程105.48m。为了及时了解大坝的运行性态、发展趋势和安全隐患，提高水库大坝运行管理水平，山美水库管理处委托南京水利科学研究院为山美水库大坝安装了一套功能实用、技术先进、性能可靠、结构开放的大坝安全监测自动化系统，该系统能在线或离线分析大坝安全运行性态，为管理单位和上级主管部门实时提供辅助决策信息，实现水库管理信息化、现代化。

水库大坝监测项目主要包括主坝变形监测、主坝渗流监测、副坝渗流监测和环境量监测等。

2 大坝自动化监测系统构成及功能

2.1 监测系统构成

大坝监测系统由各种类型传感器，测量控制单元和中央控制室组成。传感器包括测缝计、孔隙水压力计、流量计、上游水位计和气压计等；测量控制单元（MCU）系统设在大坝左坝头观测房，用于对各种传感器进行数据采集和存储，并与中央控制室计算机连接通讯，发送指令和数据传输，实现实时监测；中央控制室设在水库管理处办公楼，它与测量控制单元通过光纤传输体统，实现双向通讯，配有数据采集和数据处理分析软件，可进行在线监控或离线监控。

大坝监测系统结构如图1所示。

图1 大坝监测系统结构

2.2 监测系统功能

2.2.1 监测数据采集功能

监测系统可对输出为频率、电压、电流、脉冲及数字编码等信号的传感器进行常规巡测、定时巡测、常规选测和人工测量。

2.2.2 数据通信与资源共享功能

测量控制单元与中央控制室之间具有双向通讯功能，中央控制室不仅可以向测量控制单元发出指令，而且随时接受测量控制单元采集的数据，中央控制室与外界通过多种媒介实现双向通讯，达到资源分级共享。

2.2.3 资料维护与管理功能

监测系统对各种监测项目的考证资料和监测资料具有维护与管理功能，包括资料录入、修改、删除、查询，以及对考证资料和监测资料按年份进行备份或恢复等功能，以保证资料的连续性和完整性。

2.2.4 资料整编与分析功能

监测系统按SL169—96《土石坝安全监测资料整编规程》的要求对监测资料及时制成图表进行整编，并结合工程实际情况建立分析模型，实现在线处理或离线处理，对工程安全评价提供信息。

2.2.5 系统自检功能

系统具有自检功能，当设备发生故障时，系统会自动报警，显示故障信息，及时提醒管理人员进行维修。

2.2.6 系统防雷功能

利用坝体测压管的外壳接地电阻小的优点，将传感器避雷器接地与测压管的外壳焊接起来连成一个整体，使中央控制室与测量控制单元建筑物形成均压等电位接地网，达到系统防雷功能。

3 大坝自动化监测系统应用

3.1 系统数据采集

依靠大坝自动监测系统的数据采集软件实现计算机与测量控制单元（MCU）通讯，完成监测数据的采集任务。其数据采集原理及程序如图2所示。

图2 数据采集原理及程序

3.1.1 MCU自检

MCU自检是将计算机与MCU连接，计算机使MCU进行自检，并将自检结果再返回至计算机，显示给操作人员，达到远程诊断MCU的目的。自检内容包括：通信、MCU内部温度、MCU工作电压、MCU充电电压、MCU测量模块和通道等。

3.1.2 参数设置

在MCU正常工作之前，要根据工程的具体情况，需要对MCU的参数和数据库中的各测点指标进行设置。设置的项目包括通信速率、系统时间等。

3.1.3 单点测量

单点测量主要针对某种仪器中某个测点进行的各种电测量（如孔隙水压力计的频率和温度）和相关仪器测量（如测量测压管内的孔隙水压力计，还要测量气压计），计算出工程物理量，并将测量数据保存至数据库，需要时可以进行打印。

3.1.4 巡回测量

巡回测量是对一个MCU或多个MCU上的测点进行的测量，所测仪器类型可以是一种，也可以是多种。巡回测量时，数据采集软件以列表的形式给出MCU及与各MCU相连的仪器类型，计算出工程物理量，供操作人员选择和对测量数据进行检查。当测量数据超出量程范围或事先设置的安全警戒时，将给出提示或告警，并将测量数据保存至数据库，需要时按仪器类型打印测量数据结果。

3.1.5 定时测量

定时测量主要用来取定时测量数据，计算出工程物理量。通过列表的方式将所得的电测量和工程物理量显示出来，并将测量数据保存至数据库，需要时按仪器类型打印测量数据结果。

3.2 资料整编

水库大坝监测资料的整编任务，由系统的资料维护、报表打印、图形绘制等模块完成。资料维护模块包括考证资料查询添加修改删除、监测数据添加、监测数据查询修改、监测资料删除、数据备份、数据恢复等内容。

3.3 资料分析

资料分析由系统的资料分析软件完成，资料分析包括对竖向位移、水平位移、渗流压力水位、渗流量分析等项目。

3.3.1 现场检查。

把现场检查的情况录入到系统中，并对这些现场检查信息进行查询和修改。

3.3.2 竖向位移分析

竖向位移分析包括建立统计模型和沉降、裂缝分析等。

a.建立统计模型。利用连续监测资料，建立竖向位移与时间的单因子优化统计模型，如果统计模型相关系数好、剩余标准差小、漏测时间小于1年，则同时利用统计模型进行漏测竖向位移推算。

b.沉降分析。沉降分析主要包括沉降率计算、沉降速率计算，并根据沉降率与沉降速率判断沉降发展趋势及大坝是否存在裂缝等问题。

c.裂缝分析。裂缝分析通过计算纵向倾度和纵向拉应变判断坝体是否存在剪切裂缝和横向不均匀沉降裂缝。

3.3.3 水平位移分析

利用连续监测资料，建立水平位移与上游水深、时间等因子多因子统计模型，根据相关系数，就回归效果给出定性结论。

3.3.4 渗流压力分析

渗流压力分析包括滞后时间分析、建立统计模型、位势分析、坝体浸润线分析、坝基抗渗分析等。

3.3.5 渗流量分析

渗流量分析包括建立统计模型、引流量分析等。

4 水库大坝自动化监测状况分析

大坝自动化监测系统可对水库大坝20多年的历史观测资料和近期自动监测资料进行分析，并利用设计、施工、运行及安全鉴定成果，对山美水库大坝作出综合安全评价。现状下大坝安全类别为B级，属二类坝，其主要问题是大坝变形较大、大坝下游坡的抗滑稳定安全裕度不足，应加强安全监测。

4.1 渗流分析

大坝各断面浸润线未发现异常；坝基渗透坡降均在允许范围之内，坝基渗流性态正常；绕坝渗流正常；主坝下游量水堰水质清澈，未发现增大趋势。综合分析，现状下大坝渗流运行性态正常，大坝渗流安全级别为A级。

4.2 变形安全分析

除坝顶MA4测点竖向位移沉降率超过经验允许值外，大坝各断面的竖向位移最大沉降率均小于1%，各监测点竖向位移已经趋于稳定；水平位移最大值为111mm，小于允许值；心墙顶部应变监测资料未发现异常。现状下大坝变形基本正常，大坝变形安全级别为B级。

4.3 结构稳定分析

按有关技术规范要求，利用实时监测资料，在各种工况下，大坝坝坡抗滑稳定安全系数均满足规范要求，表明现状下大坝结构稳定满足是安全的。按有关规范要求，大坝下游坡的抗滑稳定安全裕度不足。大坝结构稳定级别为B级。

4.4 抗震稳定分析

按有关技术规范要求，利用实时监测资料，在各种工况下，大坝抗震稳定安全系数均满足规范要求，表明现状下大坝抗震稳定是安全的。大坝抗震稳定级别为A级。

4.5 现场检查

经现场检查，目前未发现明显异常，安全级别为A级。

5 自动化监测系统性能稳定性评价

2004年4月，山美水库大坝安全监测系统开始进行研制开发及现场实施，2005年3月底进行试运行。实际应用情况证明：该系统功能实用，技术先进，性能可靠，结构开放，正常情况下系统的数据采集、传输均能做到准确、可靠和及时，设备运行比较正常，实现了大坝安全数据采集的自动化、数据处理的模型化、分析评判的智能化和输出成果的可视化。但在大风、暴雨、雷电等恶劣天气条件下，该系统自动化设备会出现故障，有时甚至发生观测数据中断等情况，说明系统稳定性方面存在不足。

6 自动化监测系统应用意义探讨

在总结国内外水库大坝安全监控理论的基础上，结合山美水库大坝运行现状和专家经验，山美水库安装的大坝自动化监测系统提出了山美水库大坝安全评价判别体系和监控指标框架，为山美水库大坝安全监控与预警提供了技术保障；通过对山美水库大坝设计、施工、运行及监测资料的分析，进行了大坝安全监测方案的研究，该系统的运用为山美水库大坝安全监测与监控提供了关键的基础条件；根据山美水库安全监测和监控技术的研究成果分析，该系统为山美水库大坝安全监控与预警提供了信息平台；利用大坝安全监测数据采集系统自动监测数据、人工观测数据，以及巡视检查记录和设计、施工、运行及试验资料，采用合理的数学模型和评判准则，开发了山美水库大坝安全分析评价系统，实时在线综合分析大坝安全运行性态，评定大坝安全类别，对大坝安全隐患进行预警，为山美水库大坝安全监控与预警提供了应用平台；采用三维GIS及三维技术，在建立三维模型的基础上，采用专业模型进行分析计算，实时展现了水库枢纽概况和水库大坝安全监测信息与成果,提高了水库大坝场景与水库安全分析技术的三维可视化水平；山美水库大坝安全监控系统的应用，实现了实时动态综合分析大坝安全运行性态，为水库运行调度、水资源优化配置发挥了重要作用，取得了显著的经济效益和社会效益。