大坝渗流监测系统设计与渗流计算机模拟研究

郑会耀

摘 要：在我国的大坝中，土石坝占比高达90%.由于材质本身的自稳性较差，极易出现渗流破败的情况，而渗流会对大坝造成严重的损害。以大坝渗流监测系统设计为研究主体，深入阐述了总体设计方案和细节设计、软硬件的分类等，同时，还介绍了与渗流相关的计算机模拟技术，以期为实际操作提供理论参考。

关键词：大坝渗流；监测系统；计算机模拟技术；设计方案

中图分类号：TV698.1 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.24.062

1 渗流监测

实时监测是保证水库大坝安全的重要措施。坝体渗流会受三维因素的影响，而复杂的边界条件、多样化的地质条件导致在坝体实施的防渗、导渗措施难以落实。通常情况下，渗流监测是指用人工观测记录监测数据，定期整编数据变化趋势或者利用软件进行模拟操作，从而有效分析和控制大坝的工作性态。

2 大坝渗流监测系统设计

渗流监测系统的设计目标是保证堤坝工程安全、高效的运行。在设计监测系统时，不仅要实现对整体的宏观把控，还要把控细节要点。整体设计包括设计原则、基本功能和方案3部分；细节设计则从渗流监测系统硬件和软件2个方向加以研究、分析。

2.1 系统设计

2.1.1 总设计原则

以现有国家相关规范为设计依据，设计方案要满足现行《大坝安全监测技术规范》的相关规定。系统设计原则主要包括以下几点：①专业性。严格测定观测设备的架设位置，并结合工程施工现场的环境、地质特征、数据实验等选择最具代表性的检测点。②可靠性。因为堤坝建设区的自然条件较为恶劣，所以，综合地区气候等条件，不仅要保证检测系统性能的稳定，还要在不同时段或者特殊环境中保证系统运行的安全性和可靠性。③扩展性。在设计系统容量时，要考虑今后的扩充范围。④兼容性。对于不同类型的传感器，信号处理和参数测定时要保证系统具有强大的兼容性。⑤经济、便于维护。在硬件设备上，要尽可能控制预算，保证其具有一定的检测空间，而且便于后期维护。

2.1.2 基本功能

大坝渗流监测系统的基本功能有3点：①数据自动化采集。监控系统分区设置检测单元，通过上位机的管理，按照设定的检测方式和频率实时采集日常观测数据，并将采集数据由串口传入GPRS模块。②实时监控。对重点检测区实时观测记录，结合采集信息对比设计允许值，根据偏差值判断大坝的受力状态，一旦出现险情，要即时启动警报装置。③测量数据计算。修正、整理前期采集的数据，分析不同时段的变化趋势，判断堤坝的渗流状态能否达到理论预测。

2.1.3 总体设计方案

目前，大坝渗流监测的内容主要包括绕坝渗流、渗流量、扬压力、渗水压力、导渗降压和地下工程外水压力等。由于系统监测规模比较大，所以，在实际设置相关参数前，要在实验室内模拟测试。结合设计原则和系统的基本功能，总体设计方案主要包含3个模块，即现场采集终端、数据传输和监控中心。

2.1.3.1 现场监测终端

现场监测终端是由各式传感器构成并形成网络测试结构，以监测和采集数据为主要功能。利用传感器的工作原理可以实现单点测量、定时测量和巡回测量等，将采集数据合理分装传送至采集装置（MCU）上。监测系统采集的数据主要包括大坝不同部位（坝基、坝体）的渗透压力、水库上下游水位和检测区域水温等。传感器将测得的物理信号转为电信号传入采集模块，而得出的数据通过封装、串口传送最终保存至GPRS模块中。整个流程构成现场监测终端单元。

2.1.3.2 数据传输

相关数据是由传感器采集的，将其传至采集模块进行转化处理、封装储存，再由串口传至GPRS模块。监测中心利用网络端口连接GPRS模块读取数据采集包，通过解析将数据保存至数据库，以完成采集数据的传输工作。

2.1.3.3 监控和数据处理

监控中心要分析、处理接收到的数据包，一方面，要接收、修改、分析、校核、封存数据；另一方面，要发送采集命令，通常是指采集形式、采集频度和停止采集等，以实现双向操控。

2.2 监测系统硬件设计

大坝渗流监测系统硬件设计主要指监测传感器选择和监测仪设计。其中，传感器单元的设计重点在于选择渗流监测传感器。监测仪的硬件设计包括信号采集、信号转化、数据输入、通讯部分和人机互动等。由于大坝渗流监测时间跨度较大，所以，可采用上位机与测试单元、用户交流。为了实时采集、记录和快速反馈数据，系统设计中通常带有LCD显示部分。整个监测仪硬件设计部分包括电路的数字设计、模拟电路设计和人机接口。

2.3 监测系统软件设计

监测系统软件设计的内容有单片机终端软件设计和监控软件设计。其中，单片机终端软件设计主要是指应用程序、数据获得、数据分析、通信串行；监控中心软件设计主要是指数据接收、数据显示、计算封装和通信控制等。整个设计以模块化的方式依次展开，结合系统的基本功能组合、调试，最终实现各部分的协调兼容，从而快速完成检测数据的处理反馈。

3 大坝渗流计算机模拟

3.1 计算原理和软件介绍

现阶段，流体力学解法和水力学解法被广泛应用于大坝渗流计算中。根据广义概念的解释，还包括图解法、试验法和函数计算法等。其中，流体力学解法仅适用于部分比较简单的渗流情况。在实际应用过程中，当边界条件较为复杂时，对于非均质、非稳定的渗流，可采用水力学解法结合图解法、试验法等公共求解。渗流计算是在已知定解条件下运用相关方法计算渗流场水头分布及其他渗流要素。20世纪60年代，有限单元法的提出为渗流计算提供了计算理论，推动了渗流计算向模型化的方向发展。其运行的基本原理是将研究区域原有的连续性

状态离解为多个有效的单元体进行研究，通过变分原理等建立问题研究模式，得出近似解，最终运用数学归纳法联立方程式求解。在此过程中，将有限单元法原理充分智能化的是Ansys软件。该软件集结构、流体、声学等各类物理要素分析为一体，目前已被广泛应用于各类工业生产和科学研究领域。下面将以Ansys软件为例介绍计算软件在大坝渗流模拟中的作用。

3.2 模拟示例

笔者结合计算原理分析了某水库坝体结构断面的渗流稳定性，并用计算机模拟相关内容。坝体土质为黏土，将渗流系数设为a，绘制其断面形式，如图1所示。在Ansys软件中，分析温度场的相关情况得出计算方程，并将土体渗流问题转化为温度场问题。然后利用软件提供的死活单元技术杀死处于坝体侵润线上部的单元，激活下部单元，参照相应的边界条件分析相关内容。如图2所示，采用软件中的网格自适应系统得出渗流水头分布图、流速分布图和渗流梯度分布图等，以实现对坝体渗流各要素的计算机模拟。渗流梯度分布如图3所示。

4 结束语

随着水资源的深入开发，鉴于堤坝建设区地质条件的复杂性，对大坝的建设规模和所使用的技术提出了更高的要求。安全性是堤坝发挥其作用的前提条件，合理化、系统化、专业化的渗流监测系统设计是其中的重要环节。本文从渗流监测系统的设计原则、设计内容出发，阐述了与其设计相关的要点，并分析了渗流的计算机模拟情况。

参考文献

[1]田俊生，高明忠.大坝安全监测技术研究[J].四川水力发电，2012（01）：85-88，160.

〔编辑：白洁〕