渔洞水库大坝安全监测自动化系统的实施

张忠举 周柏兵 周克明 赵 阳

（1.水利部南京水利水文自动化研究所，南京 210005 2.江苏南水科技有限公司，南京 210012）

1.概述

渔洞水库大坝为砼细骨料砌石重力坝，从1958年、1973年两度上马到第三次上马，渔洞水库工程建设前后经历了34年。最大坝高87m，坝顶长225.5m，坝轴线方位角北东30°59′。大坝共分为十个坝段，第一坝段长21m，第五坝段（溢流坝段）长24m，第十坝段长 26.5m，其余7个坝段长均22m，坝顶宽12m。

渔洞水库曾建设过大坝人工监测点，监测手段较为落后，为改善渔洞水库大坝安全监测手段落后的状况，及时掌握渔洞水库大坝的运行变化情况，确保水库安全运行。根据《水库大坝安全管理条例》、《混凝土坝安全监测技术规范》等要求，通过到渔洞水库进行调研，与水库大坝安全监测人员进行沟通，深入分析灌区对大坝安全的监测需求，从大坝安全实际需要出发，结合过去大坝安全监测建设内容，确定必要的监测项目，积极引进国内外先进的技术和设备，建立大坝自动监测系统，完善大坝管理水平，保障大坝安全运行。

2 变形监测

2.1 坝顶水平、垂直位移监测

目前坝顶布置一条视准线，每个坝段一个观测综合标点，共10个测点，在左右岸灌浆平洞内各设一个工作基点及一个校核点。采用经纬仪及水准仪人工监测水平位移及垂直位移。

2.2 廊道水平、垂直位移监测

目前在顶层纵向廊道中布设一条引张线，在2#～9#坝段各设一个观测点，共8个测点，引张线两端点设在1#和10#坝段。端点位移各设一条倒垂线进行校核，1#、10#坝段倒垂线各深入基岩20.51m和 19.80m。

在顶层、中层、底层廊道内每个坝段部位各设一个水准测点，共19点，采用水准仪人工观测，在右岸导流出口设工作基点。

2.3 基岩变形监测

在5#坝段沿坝基从上游至下游均匀地布置5支基岩变位计，在6#坝段的坝踵和坝趾也布置1支基岩变位计。在5#、6#坝段坝踵各布置一套4点式多点位移计。采用连接二次仪表的方式进行人工监测。

2.4 右坝肩滑坡体变形监测

目前在右坝肩共布置3套测斜孔，采用活动测斜仪人工监测，但均已年久失效。

3 渗流监测

3.1 扬压力

目前纵向扬压力是在基础灌浆廊道主排水幕处每个坝段各布置1根测压管，共10根，采用压力表人工读数方式进行观测，部分测压管失效。横向扬压力是在在5#、6#坝段基础排水廊道横断面上各布置4组U型测压管，采用压力表人工读数方式进行观测。

坝体渗透压力是在5#坝段上游面布置2层渗压计，共6支。采用连接二次仪表的方式进行人工监测。

3.2 渗流量监测

坝体渗流量测量共有3处，测量方式为人工钢尺观测堰上水头，然后进行渗流量的换算。

3.3 绕坝渗流监测

在大坝左、右岸帷幕后各布置5个绕坝渗流观测孔，其中在坝顶灌浆平洞内各布置2个，在坝下游岸坡各布置3个，共10个。采用人工观测测孔水位的方法进行监测。

3.4 堵头渗流监测

在导流洞堵头与围岩交接处布置渗压计6支。采用连接二次仪表的方式进行人工监测。

4 应力监测

4.1 砼应力监测

坝体应力是在5#坝段1915.00m高程横向布置5组4向应变计及5支无应力计；另在靠上游面布置垂直应变计1支，靠下游面布置两向应变计1组。

坝踵和坝趾应力是在5#、6#坝段坝踵和坝址处分别各设4向应变计和两向应变计各1组，压应力计和无应力计各1支。采用连接二次仪表的方式进行人工监测。

4.2 钢筋应力监测

底孔钢筋应力是在5#坝段泄洪底孔闸门前设1个观测断面，在底孔四周的角缘处各布置钢筋计1支，共4支。坝体钢筋应力是在5#、6#坝段坝踵处砼与基岩之间各布置钢筋计1支；另在5#坝段上游1908.20m高程角缘处布置钢筋计1支。采用连接二次仪表的方式进行人工监测。

4.3 堵头应力监测

在左岸导流洞堵头砼内布置应变计10支，无应力计1支，桩号断面中心处的第三层砼筑块下部布置一套六向应变计及1支无应力计；在0+128m桩号断面中心处的第三层砼浇筑块下部布置一套四向应变计。采用连接二次仪表的方式进行人工监测。

5 温度监测

5.1 坝体温度监测

在 5# 坝 段 1928.00m、1948.00m、1963.00m高程布置三层温度计。另在3#、4#、6#、8#坝段内各布置1支温度计。采用连接二次仪表的方式进行人工监测。

5.2 基岩温度监测

在5#坝段距坝轴线15.5m的钻孔内,距基岩表面2m、5m、9m处各布置1支温度计。在导流洞右边墙岩石钻孔5m、1.5m深处布置2支温度计。采用连接二次仪表的方式进行人工监测。

5.3 水库水温监测

目前在5#坝段靠上游面1908.20m、1928.00m、1948.00m、1963.00m、1975.00m、1983.80m高程布置1支温度计。采用连接二次仪表的方式进行人工监测。

5.4 堵头温度监测

在导流洞堵头内布置3支温度计，即：在0+122m桩号砼底部第一层布置1支温度计；在0+128m桩号靠右边墙砼第二层内布置1支温度计，砼底部第一层内布置1支温度计。采用连接二次仪表的方式进行人工监测。

6 大坝安全监测分类改造方案设计

6.1 变形监测

6.1.1 坝顶水平、垂直位移监测

在坝顶左右平洞之间轴线方向开挖一条贯通左右岸的沟槽，在沟槽之内建立水平、垂直位移自动测点（结合布置），自动测点和现场人工测点一对一结合布置，以便相互校核。

水平位移布置：采用引张线法对坝顶水平位移实现自动监测，引张线固定端和张紧端分别安装在左右岸灌浆平洞的工作基点附近，每个坝段一套引张线仪共10套引张线仪；

垂线位移布置：采用静力水准法实现坝顶垂直位移实现自动监测，在水平位移测点附近建立静力水准测点，基点选择左岸灌浆平洞工作基点附近，共计布置11套静力水准仪。

引张线仪器及静力水准仪器电缆沿着电缆沟就近牵引至左右平洞测站内MCU进行观测，电缆沿途用钢管保护并可靠接地以防止长电磁感应及电磁干扰。

6.1.2 廊道水平、垂直位移监测

顶层廊道水平位移：在原有引张线及垂线基础上进行改造，引张线主要保留管路及钢丝等设施，更换原测点装置，加装全新的引张线仪器；垂线则加装垂线坐标仪进行自动化观测。顶层廊道垂直位移：在引张线测点附近安装静力水准测点进行廊道垂直位移监测。中层廊道垂直位移：在原人工测点处设置静力水准仪器实现自动化观测，中层廊道高程高低不一，本层采用支架安装以调和高程不一的问题。

底层廊道垂直位移：在原人工测点处设置静力水准仪器实现自动化观测。

以上测点仪器电缆均采用保护管进行保护就近牵引至各层廊道MCU处进行自动观测。

6.1.3 基岩变形监测

将基岩变位计就近接入各层廊道的自动监测站，实现自动监测。

6.1.4 右坝肩滑坡体变形监测

在原有的测斜孔附近重新钻测斜孔，并安装固定测斜仪实现自动监测，同时就近安装野外自动监测站。

6.2 渗流监测

6.2.1 扬压力

将压力表测压改为测压管中安装渗压计的方法进行纵向扬压力自动监测，并对失效的测压管重新钻孔，共计增加10支渗压计，渗压计电缆接入底层廊道自动监测站。

将压力表测压改为测压管中安装渗压计的方法进行横向扬压力自动监测，共计增加4支渗压计，渗压计电缆接入底层廊道自动监测站。

6.2.2 坝体渗透压力

坝体渗透压力是在5#坝段上游面布置2层渗压计，共6支。将渗压计接入自动监测站实现自动监测。

6.2.3 渗流量监测

增加量水堰计进行堰上水头的自动化监测，量水堰计就近接入自动监测站，共计增加3个量水堰计。

6.2.4 绕坝渗流监测

在测压管中增加渗压计，实现绕坝渗流的自动监测，对失效的测压管在附近重新打孔，共计增加10支渗压计。

6.2.5 堵头渗流监测

将堵头渗流监测渗压计接入自动监测站实现自动监测。

6.3 应力监测

将砼应力、钢筋应力、堵头应力就近接入自动监测站实现自动监测。

6.4 环境量监测

采用压力式水位计进行上下游水位观测，上游水位计引接至左岸灌浆平洞自动监测站；下游水位计就近接入测站就行观测，水位计线缆全程采用保护管进行保护。

6.5 温度监测

将坝体温度、基岩温度、水库水温、堵头温度就近接入自动监测站实现自动监测。

7 大坝安全监测系统设计

7.1 接入系统的监测项目及仪器数量

序号 仪器、设备名称 单位 总计 备注1 引张线仪 套 18 2 垂线仪 套 2 3 静力水准仪 套 33 4 固定式测斜仪 支 15 5 渗压计 个 24 6 量水堰计 套 3 7 通气型渗压计 个 2

本工程将目前安全监测所有内部仪器及新增引张线仪、垂线仪、渗压计、测斜仪、量水堰计等均纳入安全监测自动化系统。现场监测站分布在各建筑物现场，由一个或者多个测量单元(MCU)组成。同一监测站一般设置多台测量单元，测量单元之间采用通讯电缆进行连接；本项目测站之间，测站与管理站之间同样采用电缆通讯。

7.2 监测管理中心

监测管理中心包含：采集工控机、数据服务器、网络交换机、打印机等外设；其主要功能是通过安全监测信息采集管理对监测管理站自动和半自动采集的数据、人工测读的数据、工程所有与安全监测相关的文档资料进行集中统一管理，可向监测管理站的采集计算机或直接向分布于各部位测站发布相关控制指令，同时预留远程服务功能接口。

监测管理中心站具备有适合的工业应用环境，具备良好的接地、防雷、抗干扰功能，具备净化电源和不间断电源，确保系统稳定供电。配置有较高运算速度和较大存储容量的PC机和服务器，并配有必要的外部设备。监测管理站计算机、监测管理中心站服务器和工作站计算机后台数据库统一为SQL server2008或其它大型关系型数据库软件。数据服务器对所有数据（原始数据、整理整编数据等）采用规范格式统一管理在同一数据库中，前台的监测信息管理系统具有服务器端功能，不同授权用户能远程控制管理各子系统计算机的所有和部分功能，具备与监测管理站进行网络通信和数据采集的能力，具有24小时不间断运行的在线监控和分级报警功能。工作站计算机的监测信息管理系统除服务器端功能外其余全部功能应齐备，满足日常监测工作的需要，具有完善的临时和历史测值的数据库管理能力、画面、报表编辑功能，具有系统自检、诊断功能，并实时打印自检、诊断结果及运行中的异常情况，作为硬拷贝文档。

7.3 现场自动监测站

7.3.1 测站概述

测站用于放置MCU及汇集各种传感器，主要用是利用测量单元(MCU)对监测传感器进行数据采集、存储、电源管理及监测数据上传，并接收来自监测管理站及监测中心站上位机的控制指令。其位置主要根据建筑物布置和施工期监测仪器电缆走线情况等因素考虑，便于监测电缆的牵引，力争使电缆牵引长度最小，考虑自动化数据采集模块的利用率高。

7.3.2 自动监测站位置及个数

现场自动监测站包括坝左岸灌浆平洞1个、右岸灌浆平洞1个、顶层廊道1个、中间廊道2个、底层廊道2个、右岸滑坡处1个、导流洞出口1个，共计9个自动监测站。

左岸灌浆平洞自动监测站需要1台采集单元（MCU），需要采集项目有静力水准仪坝顶垂直位移数据和左岸绕坝渗流数据。

右岸灌浆平洞自动监测站需要1台采集单元（MCU），需要采集的项目有右岸绕坝渗流数据。

顶层廊道自动监测站需要1台采集单元（MCU），需要采集顶层廊道的静力水准仪监测的垂直位移数据，同时将该层廊道内原有的温度等监测数据接入到采集单元，实现自动化监测。

中间廊道自动监测站需要4台采集单元（MCU），需要采集该层廊道的静力水准仪监测的垂直位移数据、量水堰计的渗流量数据，同时将该层廊道内原有的温度、应力、渗压等监测数据接入到采集单元，实现自动化监测。

底层廊道自动监测站需要2台采集单元（MCU），需要采集该层廊道的静力水准仪监测的垂直位移数据，渗压计数据，同时将该层廊道内原有的温度、应力、渗压等监测数据接入到采集单元，实现自动化监测。

导流洞口处自动监测站需要1台采集单元（MCU），需要采集左岸导流洞内原有的温度、渗压等监测数据接入到采集单元，实现自动化监测。

右岸坝肩滑坡体处自动监测站需要1台采集单元（MCU），需要采集坝肩滑坡体的变形数据，实现自动化监测。

7.4 系统通信、供电、防雷方案

7.4.1 系统通信方式

现场通信网络主要采用485通讯线构建符合RS-485标准的总线型通信网络。监测站内的所有监测仪器接入相应的数据采集单元（MCU），通过数据采集单元（MCU）将仪器数据信号统一转换为数字信号传输。监测站内数据采集单元通过485通讯电缆与监测管理中心进行通信，传输至采集计算机。

灌浆平洞和廊道中监测站采用通讯电缆与监测中心进行通信

右岸坝肩滑坡体、左岸导流洞口处监测站采用GPRS方式与监测管理中心进行通信。

7.4.2 系统供电方式

灌浆平洞和廊道中有市电，采用市电供电。右岸坝肩滑坡体、左岸导流洞口监测站采用太阳能供电。

数据采集单元（MCU）具有电源管理、电池供电和掉电保护功能。蓄电池供电可在脱机情况下根据系统的设定自动采集和存储，其供电时间不少于7天。所有MCU的电源、通信和观测仪器的输入输出口均设置过压保护，具有在正常振荡范围内保证电路正常工作电压水平的保护装置。

监测管理中心同时配备不间断电源（UPS），当交流电源掉电时UPS维护系统正常工作时间不小于30min。

7.4.3 系统防雷方案

为确保自动化监测系统稳定、正常运行，坝顶自动化系统导线类电缆采用镀锌钢管保护，电源线路接入/接出监测管理站或监测站时需有防雷器保护，系统接地接入工程的接地网，监测站接地电阻不大于10Ω，监测管理中心站接地电阻不大于4Ω。

系统防雷电感应：1500W，瞬态电位差：＜1000V。在MCU机箱交流电入口处配置电源避雷保护器，电源防雷器应良好接地，接地电阻应不大于10Ω。

在模块和通讯设备之间加装通讯口避雷器进行过压保护；在模块和传感器之间加装信号避雷器进行过压保护，使测量回路的直流电压、直流电流、电阻及低频率信号免受雷电或过电压的干扰。

8 结论

渔洞水库大坝安全监测自动化系统的实施，自动化监测系统的形成，大坝监测系统信息化管理水平上一个台阶。同时为同类工程监测自动化系统的安装创造了很好的经验。