关河水库除险加固中大坝渗流监测系统的优化

张竞竞

（山西省水利水电勘测设计研究院 山西太原030024）

1 工程背景

关河水库是海河流域浊漳河北源干流上的大型控制性工程，位于浊漳河北源关河峡口处,距武乡县城2.5 km。总库容1.41亿m3，是一座具有防洪、灌溉、发电、养殖等综合利用的年调节大型水库。水库大坝于1958年8月1日开工，1959年拦洪，1960年9月竣工。水库运行以来，为防御洪水灾害和保护下游人民的生命财产安全发挥了重要的作用。但由于当时的历史条件，施工质量较差，使水库质量存在诸多问题。同时，因当时设计标准太低，运行以来因缺少正常的维修管理资金，工程老化失修，被列为山西省的重点险库。本次在对该水库进行除险加固的同时，渗流观测拟实现自动化监测。

2 大坝渗流压力观测

大坝渗流压力观测包括坝体渗流压力和坝基渗流压力观测，其中坝体渗流压力观测包括观测断面上的压力分布和浸润线观测。关河水库现有的渗流观测为浸润线观测，共4排13个。本次增加了断面渗流压力和坝基渗流压力观测设施。

1）坝体渗流压力共布置了4个观测断面，其桩号分别为坝0+150、坝0+230、坝0+330、坝0+430，每个横断面上布置3条观测铅直线，位置为下游坝肩、下游排水棱体前缘各布置一条，中间部位布置一条。每个铅直线上布置2个测点，位置为预计最底浸润线以下布置一个点，预计浸润线变化范围内布置一个点。

2）坝基渗流观测断面及每个断面上铅直线位置与坝体渗流观测断面一致。每个铅直线上布置1个测点，在坝基砂砾石透水层内。

根据大坝安全自动化技术发展水平，结合大坝观测实际情况，大坝渗流实行自动化观测。

2.1 技施设计时的有线监控系统

大坝安全监测系统控制方式为应答式,由大坝安全监测管理主机命令所设置的DAU数据采集单元，进行同时巡测或指定单台单点选测，并将所测数据送到管理主机分析与存储。

根据工程实际情况在大坝四个断面上共埋设36个渗压计，拟定在靠近大坝顶部第一个平台上的对称位置设2个DAU数据采集单元，大坝两端两个断面上的18个渗压计各共用一个DAU数据采集单元。将信号线穿钢管埋设由各个渗压计引至相应的DAU数据采集单元，并将2个DAU数据采集单元的信号线和电源线分别穿钢管地埋引至管理局办公大搂内的大坝安全监测控制中心。

大坝安全监测控制中心配置了上位管理主机1台、大坝安全监测管理主机1台、服务器1台和相应的打印机与电源设备、调制调解器及数码存储系统。

2.2 施工时的无线监控系统

鉴于其他类似工程大坝监测部分采用较先进的无线监控系统，一方面可以避免原有线监控系统使用寿命短、易遭雷击的缺陷，另一方面对已硬化的路面等建筑物不造成破损。施工时将有线监控系统优化为无线监控系统。

关河水库大坝安全监测系统共监测1个库水位和36个渗流渗压点，每个检测点采用电池供电的无线传感设备，整个系统采用ISM频段的无线传感技术，不需要外接任何连接线。系统由中心监测站设备及大坝监测区设备两部分组成。

中心监测站设备由计算机系统（包括计算机、打印机、后备电源）和无线数据转换器以及大坝监测软件组成。

大坝监测区设备由1个无线智能库水位计和36个分布于各个测压管的无线渗压计组成。无线智能库水位计连续不断地检测库水位，当库水位有1 cm的变化时，无线智能库水位计主动发送ISM频段的无线数据到中心监测站；或者当监测站需要实时数据时，发送命令给无线智能库水位计，可实时检测数据。无线智能库水位计用太阳能电池供电。水位传感器为低功耗的数字压阻式传感器。它灵敏度高，分辨率高，体积小，安装于现有测井内的死水位以下。数传无线装置和太阳能电池系统安装于测井房顶上面。

无线渗压计采用干电池供电，3～5年换一次电池，大多数时间处于休眠状态，当收到中心监测站发出的命令时，采集数据并把数据通过无线电波发回中心监测站。渗压计也采用低功耗的数字压阻式传感器，它放置于渗压管底部，通过防水线缆与放置于渗压管口的无线数传装置相连。数传无线装置和太阳能电池系统安装于测压管管口保护盖上。

2.3 两种方案优缺点从以下几方面比较

1）系统防雷电抗雷击的能力

有线连接的大坝安全监测系统由于所有设备连成一个网，该网覆盖面大，距离远，极易遭雷电冲击，造成损坏。而无线大坝安全监测系统由于各个设备相互独立，受雷电冲击要弱得多。

2）系统寿命和平均无故障时间

有线连接的大坝安全监测系统的各种连线是引入各种干扰的主要途径，设备容易受损，某局部损坏可能导致整个系统瘫痪。而无线大坝安全监测系统引入的各种干扰要少得多，某一设备损坏并不影响整个系统。

3）施工管理

现有的大坝安全监测系统主要采用分布式系统结构，即监测系统各监测点和中心控制站间采用有线方式连接。由于监测点所处的地理位置分散且多，传统的有线连接方式使得大坝安全监测系统存在着布线网络搭建工作量大、投资大、监测点凋整不便的缺点。而无线大坝安全监测系统的设备安装调试比较简单，当现场条件允许时,维修方便。

4）两种方案的主要工程量见表1。

表1 主要工程量表

5）投资

无线方案总投资55.6万元，其中，直接费用47.4万元；有线方案总投资69.3万元，其中，直接费59.2万元。直接费比无线方案多11.8万元，总投资多13.8万元，有线方案投资约高27.8%。

3 结语

采用无线监控系统一方面可以避免原有线观测使用寿命短、易遭雷击的缺陷，另一方面对已硬化的路面等建筑物不造成破损，而且投资少,施工、管理方便，使用寿命长。故大坝监测系统修改为无线监测系统。由此也看出，开发基于无线信息传输方式的大坝监测系统已是大势所趋。