观音阁水库大坝监测监控系统自动化改造设计

魏东昇　王金华

(辽宁省观音阁水库管理局，辽宁 本溪　117100)



观音阁水库大坝监测监控系统自动化改造设计

魏东昇王金华

(辽宁省观音阁水库管理局，辽宁 本溪117100)

为监测观音阁水库大坝水工建筑物的运行，掌握其变化规律，取得必要的原型观测资料，更好地发挥大坝的各种功能，对观音阁水库大坝监测监控系统进行了自动化改造设计，改造工程包括大坝外观和内观监测仪器的自动化改造以及大坝闸门的自动控制系统。监测监控系统采用光纤监测技术，不仅能够使观音阁水库大坝监测监控系统经自动化改造后达到国际最先进水平，而且建安工程量小，运行、维护、管理非常方便。通过观音阁水库大坝自动化监控系统改造，能够实现观音阁水库大坝安全的自动化监测管理，保证观音阁水库大坝的安全，以及大坝下游各区域的人身及财产安全。

观音阁水库；监测监控系统；自动化改造设计

观音阁水库位于太子河干流上，控制流域面积2795km2，总库容21.68亿m3，与下游70km的参窝水库形成太子河干流梯级开发。大坝由挡水坝段、溢流坝段、底孔坝段及电站坝段组成。为监测观音阁水库大坝水工建筑物的安全运行，掌握其变化规律，取得必要的原型观测资料，更好地发挥大坝的各种功能，设置了大坝观测系统。大坝观测的主要目的是掌握运行期各主要建筑物工作情况及监视水库、大坝的安全运行，使其充分发挥效益[1]。当前观音阁水库大坝的内部观测系统全部无法运行，不能进行自动化监测监控，监测系统不能实时采集数据，因此大坝的安全运行监测监控存在很大的隐患。外部观测属于通过人员开展的观测，受人员观测精度、观测点位多、难度大等多种因素影响，观测的精度很难保证，每次观测的误差不稳定，为此无法有效地监控大坝安全运行状态。在水库正常蓄水及汛期时，工作人员无法掌握水位对大坝的影响。因此，基于现状需要对当前的自动化监测监控系统进行改造，实现对大坝的实时监测监控，从而确保大坝的安全运行，避免不必要的事故发生。

1　监测系统设计原则及目标

观音阁水库大坝的观测包括内部、外部及地震三个方面。选取10号、22号、42号作为大坝代表性的坝段，内部观测主要有渗透压、应变、温度、应力、裂缝等；外部观测主要包括坝基、坝顶、坝体倾斜、坝体水平位移、坝体沉陷等；地震观测为坝体的微震观测。

观音阁水库大坝监测系统的设计原则为：ⓐ观测项目尽量采用自动观测，部分项目同时设手工观测；ⓑ以外部观测为主，注重变形观测和渗流观测；ⓒ尽量减少与碾压混凝土的施工干扰；ⓓ仪器设备尽量集中布置，为管理和综合分析创造方便条件。

观音阁水库自动化系统开发建设的目标为：按照智能化水库管理的需要，所采用的计算机及其他设备需要具备先进性、成熟性与可靠性。安装强大的计算机核心模块，实现数字化、智能化，能够实时监测监控大坝，采集相关数据，掌握运行状况，通过监测监控设备、计算机、服务器、运行平台等，实现人工操作简易、监测监控误差最小、系统运行稳定的自动化系统[2]。ⓐ标准化：作为大坝的监测监控，需要选取标准的仪器设备，设备的各项参数要符合相应的国家标准规定；ⓑ图表化：通过监测监控设备，将采集的数据传输到计算机，再利用运行平台，将数据信息转化为可视化的图表信息，以便信息的直观化；ⓒ智能化：根据计算机运行平台系统，对采集的数据进行处理与分析，当数据信息出现异常时，系统会作出智能化反应，给出异常的原因和拟解决的方案，以便指导大坝的安全运行。

2　大坝自动化监测系统设计

2.1位移监测

Damsafety.net是一个大坝安全监测与注册系统(见图1)，其稳定性指标由最新的、最为可靠的技术来监测。因特网用户界面及Oracle数据库的使用确保了被监测的数据很方便地被用户获取，并确保了系统的稳定性和可量测性。系统可以用来维护和观测与土工结构相关的所有基本资料。网页界面使系统比较容易接近，管理局内部所有的局域网用户均可以使用该系统，且多个用户可以同时进入该系统。用户可以使用基于网页上的地图界面浏览监测信息。点击地图上的某个区域就可以启动报告应用程序。报告应用程序会显示与所选择区域有关的所有报告。与测量结果有关的地点数据可以储存到多维数据库里，多维数据库可以用来生成各式各样的监测结果报告。

系统数据模型包括光纤热传感器、沉降、沉降柱、绕坝渗流水井、扬压力计、水位、霜冻表、检视井、汤姆森井及安全监视说明和保养日历。系统可以用来处理从多个大坝汇集而来的不断更新的监测数据。监测数据将按预先设定的监测顺序保存到数据库里。用户可以通过网页界面增加和更新所有监测数据。现行的系统内，用户可以增加和更新沉降、沉降柱、绕坝渗流、扬压力计、水位、霜冻表、检视井和汤姆森井等监测数据。如果自动的测量数据超过极限值，就会报警。不然，就给出所有必要的报表及包含有预设测量值之报警值的图表。如果背离这些极限值，图表便会给出可视的警告。该系统是基于Windows 服务器里面的普通 Java平台开发出来的。服务器通过用户账号及其等级防止未经授权者进入。用户与服务器之间的所有网络通信都是加密的，加密的方法是SSL加密，具有高达 128字节的密码保护。

图1　大坝自动化位移监测系统

2.2渗流监测

大坝共布置扬压力测压管89支，系统改造主要将原有传感器更换为可靠、稳定的传感器，实现扬压力监测自动化。并在设备安装上对38个有压测压管采用密封方式，48个无压测压管采用悬挂方式。在7个量水堰上安装新的传感器，实现分区渗流量监测自动化。同时为了实现集水井自动控制和数据采集，对5个集水井安装专用测控装置和传感器，实现分区总渗流量监测和控制自动化。对28个绕坝渗流测压管中已堵的12个孔进行扫孔处理，全部安装渗压计，实现监测自动化，并对测压管管口加设保护箱。

坝体渗压观测仪器只布设在10号基面201.00m和220.50m基面内，共13支SZ-4型渗压计。F8断层渗压观测仪器分别埋设在23号和24号坝段内，采用185mm钻孔，把渗压计埋设在F8断层破碎带内，23号坝段2支渗压计设在帷幕前，为SZ-8型，24号坝段2支渗压计设在帷幕后，为SZ-4型。

2.3内观监测

根据观音阁水库地质情况和工程布置，设计选择了10号、22号和42号坝段作为内部观测仪器观测基面：10号坝段为挡水坝段，坝高80.0m，位于左岸河床内；22号坝段为溢流坝段，坝高71.2m，坝基下有F8断层通过，地质构造复杂；42号坝段为挡水坝段，又为河床和右岸的转弯坝段，坝高为64.0m。

在10号观测基面内190.50m高程截面上下游方向布置5组应变计，每组5支TY-25型贴片式应变计，1支无应力计(布置在距应变计组1.5m处)。为了解基岩应变情况，在10号、22号基面内沿上下游各布置3支单向应变计，42号基面内设2支应变计，应变计均为DI-25B型。为了解坝趾混凝土应力，在10号和22号坝趾处各有2支WL-60型应力计，分垂直和水平方向埋设。

2.4坝上监控室设计

在观音阁水库大坝设立坝上监控分中心，坝上监控分中心是微波系统、光缆系统、视频系统、大坝安全监测系统设备连接和数据交换的中心。视频的实时图像在分中心经过视频网络信号的转化通过网络传输到观音阁水库自动化监控中心，大坝安全监测系统数据采集后传输到坝上监控分中心，通过分中心监控工控机的处理写入数据库服务器供观音阁水库自动化监控中心和其他计算机调用。坝上监控分中心需要建设网络、电视墙，配置真空激光准直系统工控机，实现真空激光准直系统数据接收、控制等功能；配置内观及扬压力工控机，实现内观、绕坝渗流、扬压力、量水堰、集水井的数据采集和控制功能；配置闸门监控工控机，接收闸门监控系统的数据；配置数据库服务器，接受和存储上述系统的数据，实现网络共享；配置网络激光打印机，用于各种数据、图表的输出。

坝上监控分中心利用网络交换机建设局域网系统，同时通过微波的网络接口和观音阁水库局域网连接。

3　大坝闸门自动控制系统

目前，观音阁水库大坝闸门的控制系统没有采用自动化控制系统，在闸门提升过程中，操作者无法知道闸门提取的高度和停留的位置。大坝的溢流闸门有12个，底孔闸门有2个，对大坝闸门的自动化改造属于复式自动控制。观音阁水库大坝的闸门控制是靠计算机进行的，通过计算机系统的任务传输，能够控制闸门的开启与关闭，同时配备监测系统，能够对闸门图像实现可视化，实时掌握闸门的运行以及周围的状况[3]。闸门运行系统的构建包括两部分：一部分为闸门的控制室，控制室配备计算机、网络、系统平台、安装软件；一部分为闸门现场的监控系统，在闸门处设置监控摄像头、监控部件PLC及信息传输光缆。两部分同时工作才能实现大坝闸门的自动化控制，通过现场监控系统，采用PLC控制大坝闸门需要开启与关闭的仪器设备，通过开度仪确定闸门开启的程度，由荷重仪确定闸门承受的重量，并根据水库来水流速，经水利分析计算，制定多种闸门自动开启方案，提高闸门自动化控制水平，减少人工操作带来的误差。同时在整个系统上还设置了保护装置，能够对突发事件进行实时处理。结合计算机的可视化、自动化系统，实现无人看守闸门，通过计算机完成闸门的自动化控制。

4　观音阁水库自动化监控中心设计

观音阁水库自动化监控中心是控制、显示观音阁水库自动化项目中数据、图像等各种信息的中心(见图2)。中心显示设备采用大屏幕背投设备，利用DNP100英寸大屏幕和PX41多媒体投影仪显示系统的图像、数据等多媒体信息。配置视频工作站，实现对远程图像的显示，控制。观音阁水库自动化监控中心配置Web服务器，开发门户网站软件，改造目前网站内容，同时加入大坝实时图像传输系统、大坝安全监测系统、内观及扬压力观测系统、闸门监控系统。通过网站就可以实现对观音阁水库大坝监控系统各子系统的数据查询、图像监控和控制等功能。配置办公自动化服务器和开发办公自动化软件，使观音阁水库网上办公自动化，实现网上申请审批、公文办理、合同审核、请假报销等。采用流程式工作方式，最大特点在于由于处理信息内容的性质不同，流程结构将发生变化，各流程节点的具体处理方式根据节点的特性各有不同，同时由于日常工作中的不确定因素， 流程本身应具备相当的弹性设置。通过工作流程管理的应用，可以保持单位工作流程的清晰、规范、高效，最大程度提升工作效率。

图2　观音阁水库自动化监控中心

5　结　语

为适应大坝管理的自动化发展趋势，实现“无人值班，少人值守”要求，系统建立已将远程控制系统纳入安全监测系统，实现跨地区的梯级调度指挥中心的集中控制与管理。以期做到一次性投资建设，解决远程控制问题，既保证系统形成后在一段时期内的技术先进性和扩展性，又做到在适度投资的范围内，达到增效的目的。通过观音阁水库大坝自动化监控系统改造，能够实现观音阁水库大坝安全的自动化监测管理，保证观音阁水库大坝的安全，以及大坝下游各区域的人身及财产安全。

[1]田作佳.中小型排灌站自动监控系统设计与实现[J].水利规划与设计,2014(5):70-73.

[2]吴强,王煦法.“数字水利”及其关键技术[C].2005年“数字安徽”博士科技论坛论文集.合肥：中国科学技术大学出版社，2005.

[3]刘斌,韩英才,魏伟.基于PLC的沙集闸自动化远程监控系统设计[J].水电自动化与大坝监测,2011,35(1):76-79.

The automation improvement design of dam monitoring and controlling system in Guanyinge Reservoir

WEI Dongsheng, WANG Jinhua

(LiaoningGuanyingeReservoirAdministration,Benxi117100,China)

Automatic improvement design is implemented on dam monitoring and controlling system in Guanyinge Reservoir in order to monitor the operation of hydraulic structures, master the change law, obtain necessary prototype observation data, and better play various functions of the dam. Improvement project includes the automatic renovation of dam appearance and internal monitoring instrument as well as the automatic controlling system of dam gate. Fiber optic monitoring technology is adopted in the monitoring and controlling system. Dam monitoring and controlling system in Guanyinge Reservoir can reach the most advanced level all over the world after automatic improvement, construction and installation engineering quantity is small, and it is very convenient in operation, maintenance and management. The automatic monitoring management of dam safety in Guanyinge Reservoir can be realized according to the automation improvement of mornitoring and controlling system, thereby guaranteeing the safety of Guanyinge Reservoir dam as well as the personal and property safety of all areas on the downstream part of the dam.

Guanyinge Reservoir; monitoring and controlling system; automation improvement

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.04.014

TV698.1

B

1673-8241(2016)04- 0054- 04