大坝安全监测系统在输水管道工程中的应用

韩丽华

（甘肃省临夏回族自治州槐树关水库管理局，甘肃临夏731100）

大坝安全监测系统利用了电子计算机实现大坝监测数据的自动化采集和处理，同时也能够对大坝运行状态是否正常作出判断和报警。整个系统中包括监测仪器、数据采集装置、通信线路、计算机系统、系统软件、应用软件等，该自动化运行系统可以实现大坝安全数据自动采集、处理、监控、分析、管理、决策等功能，以便采取正确、安全的措施，确保大坝运行的安全性。输水管道工程作为水利水电工程的重要组成部分，输水管道工程运行质量直接决定了用水安全、服务水平，将大坝安全监测系统应用到输水管道工程当中可以实现自动化管理，提高运行质量，从而实现最终的发展目标。

1 工程概况

某水库输水工程中的输水管线全长为261km，采取有压重力流、串联加压结合方案，设计年供水量约17.9亿m3。输水管线由DN6000隧洞与钢管连接段、DN2400PCCP管线、DN3200PCCP管线、DN1800玻璃钢管线组成。根据输水管道工程以及水工建筑特性，本工程采用大坝安全监测系统，用于监测基础抗滑性、岩体不均匀变形、管道不均匀沉降、渗流状态等。沿着输水管道工程总共布设了46个监测点，检测对象包括取水首部、输水隧洞、隧洞连接段、输水管线、配水站稳压塔。负责监测这些部分的围堰变形、渗流压力、锚杆应力、混凝土强度、水位、伸缩缝、沉降位移、管壁应力等。

2 大坝安全监测系统在输水管道工程中的硬件布置

2.1 安全监测仪器选型

结合输水管线工程特性，应用重点为如何设置各项测量计。

2.1.1 电位器式多点位移计 电位器式多点位移计具有工程量大、适用于长距离信号传输、环境温度影响小、测量精度高、稳定性好、体积小、适合恶劣环境、耐高压等优势，是本工程的首选计量工具。根据工程地理环境、实际使用要求，为了能够适应潮湿环境，决定采用ND-3型电位器式多点位移计。电位器式多点位移计主要是用作围堰变形、支墩位移监测，在取水头安装6个位移计、输水隧洞安装5个位移计、PCCP管段安装2个位移计、玻璃钢管段安装3个位移计。

2.1.2 差动电阻式类仪器 差动电阻式类仪器包括钢筋计、锚杆应力计、钢板计、应变计、测缝计、无应力计。这类仪器的特点是利用内部特高弹性钢丝（直径0.04～0.05mm），内部两组钢丝差动变化实现测量。如果仪器没有受力变形，内部钢丝应力可达到2000MPa，这些特点决定了这类仪器不耐碰撞、不耐振动、容易损坏、超载性差、测量精度会受到外部环境影响的特性[1]。但是该类仪器长期使用稳定可靠，同时可以测量环境温度，在高水压环境下工作可靠，适合该工程监测要求。

2.1.3 振弦式渗压计 常见的渗压计可以分为差阻式、振弦式两种形式，结合工程的精度标准和要求，需要采用高精度的振弦式渗压计。其不仅能够克服电阻值随温度变化而变化的弱点，并且还可以用在宽温范围。不仅仪器灵敏度非常高，并且还具有稳定性好、耐久性强、抗干扰能力强等优势，不会受到长电缆影响，绝缘性要求较低，为了能够有效提升工程可靠性、安全性，在本工程全线布置了27个振弦式渗压计。

2.1.4 压阻式管道压力计 相比其他类型的压力计来说，压阻式管道压力计不会受到温湿度、气候、大气等因素影响，在使用中动态范围好、稳定性强、传输距离远，具有良好的防水密封性、绝缘性，传感器防漏性非常好，因此在工程设计中决定采用压阻式管道压力计检测隧洞连接段、玻璃钢管段、PCCP管段的内部水压。

2.2 典型断面监测仪器选择

2.2.1 取水头部 取水建筑物监测仪器采用了渗压计、多点位移计、测缝计、钢筋计、应变计、锚杆应力计等。

2.2.2 隧洞段与连接段 该部位采用了多点变位计、锚杆应力计、渗压计、应变计、无应力计、锚索应力计等。

2.2.3 PCCP管线 PCCP管道长度为154.5km，占据总工程管线长度的60%，该区域主要是检测管线接缝、管道内水压，主要的仪器包括内水压力计、钢板计、测缝计、土压计、多点位移计等[2]。

2.2.4 玻璃钢管线 该阶段主要测量内部水压力，所以主要仪器就是内水压力计，同时还要配合使用测缝计、土压计、钢板计。

3 大坝安全监测系统在输水管道工程中的软件设计

3.1 在线监控系统

在线监控系统主要是由输水管道工程观测传感器、遥测集线箱、自动监控微型电子计算机构成，也是整个大坝安全监测系统的框架。

3.2 观测传感器

观测传感器可以直接反映输水管道工程状态、环境影响因素变化量，上述传感器分别布置在所需监测的重要部位上。这些传感器作为一线监测设备，可以直接将采集的内水压、混凝土应力、钢应力等参数传输给控制中心，并且由上级系统负责下达操作指令。

3.3 遥测集线箱

主要是安装在传感器附近，是巡回检测中切换测点的专用设备。遥测集线箱采用了微计算机技术，具有模数转换功能，可以将传感器输出模拟量转变为传输的数字量，是必要的中间环节。

3.4 自动安全监控微机系统

采用大容量微机系统，与各个传感器进行连接，采用行业专用的监测软件、数据处理软件，主要可以实现以下几点功能：一是高精度测量传感器数据，需要人工事先设定巡回检测以及单点测量方式；二是检验测量值并修复误差，如果发现异常测量值系统会自动报警；三是对正常测量值进行整编、计算，将测试结果存储到数据库中并按照标准方式输出、表示；四是针对测量成果变化、数据变化之间的线性关系进行分析；五是采用预报模型计算，对所得到的实际数据和额定数据参数进行对比；六是针对对比之后出现的差值范围采用不同的报警等级，以便管理人员及时找出故障，并采取有效应对措施；七是对整个系统进行检查、分析、故障判定[3]。

3.5 离线监控系统

该系统模块设置在资料分析中心（控制中心），可以对整个输水管道工程运行数据进行集中管理，主要是由一定容量电子计算机、外部设备、专用数据管理软件构成[4]。大坝在线系统观测数据中由多个媒介、通信方式传输给离线系统，并实现相应的功能。一是对所检测的数据资料进行检验、修正、整理，并统一存储到数据库当中；二是对一段时间的监测数据进行分析，找出采集物理量间的相关性、数据变化趋势；三是对长期的监测数据进行系统分析，构建安全监控数据模型；四是采用系统得出的数学模型预报观测物理量，与实际监测数据进行对比，实现输水管道工程的安全监控；五是将最终结果按照设定要求输出图表或文件，并存储到档案系统当中。

4 结语

综上所述，为了能够保证输水管道工程运行质量，应用大坝安全监测系统可以第一时间掌握输水管道工程运行现状，但必须要根据工程特点选择仪器、设计软件系统。当然，这些仪器经风吹日晒或湿气侵蚀会产生老化现象，因此要定期对监测系统进行维护，保证整个系统可以长期稳定运行。