提高水库安全监测手段 保障工程安全运行

杨丽涛

河北省岗南水库事务中心 河北 石家庄 050400

水库作为水利基础设施建设，在防洪、供水、灌溉、发电等方面起着重要作用，但是水库大坝建成后以后，承受洪水、暴雨、地震、风吹雨淋、冻融剥蚀及人为破坏等因素影响，有可能产生坝体渗漏、变形、破坏等现象，对大坝存在的隐患和不及时发现和处理，就会影响大坝安全，甚至演变成溃坝的灾难性事故。因此，必须加大水库大坝的监测力度，运用先进的自动化监测技术，建立安全监测预警装置，使大坝正常运用和使用。

1 工程简介

岗南水库位于河北省平山县岗南镇附近的滹沱河干流上，是海河流域子牙河系两大支流之一滹沱河中下游重要的大（I）型水利枢纽工程，是河北省管辖的第一大水库，控制流域面积15900km2，水库总库容17.04亿m3。水库以防洪、供水为主，结合发电，与下游28公里处的黄壁庄水库联合控制流域面积23400km2，是“一保京津、二保铁路通信干线、三保油田、四保自己”的关键性工程，是省会石家庄市和下游人民生命财产安全的重要防洪屏障，同时担负着向石家庄市城市生活和下游工农业生产供水的任务，在我省经济社会发展中发挥着重要作用，其地理位置和作用都十分重要。

2 大坝安全监测存在的问题

目前岗南水库开展的监测项目包括巡视检查、变形观测、渗流观测、库区泥沙淤积测量。巡视检查包括日常巡视检查、年度巡视检查和特别巡视检查。变形观测包括水平位移观测、垂直位移观测。渗流观测包括坝体渗流、坝基渗流、绕坝渗流、渗流量及混凝土扬压力观测。

2.1 水库大坝安全监测现状

目前水库测压管水位观测主要靠人工观测，外业观测环境恶劣、工作量大。采用导电米绳测量，手段落后，误差较大，在大坝坝体稳定的条件下，浸润线变化程度很小，没有精密设备，无法准确捕捉其微量变化。且当测压管水位出现异常时，因测压管水位突变是瞬时产生的，人工定时加密观测措施，不能准确测出测压管水位的最高值，给资料分析和判断带来困难。

部分早期除险加固安装的振弦式渗压计实行自动化监测，是将渗压计封在管内，浸润线出现问题时，不能随时进行人工对比校核，维修困难，重新布设人工测压管，投入大；数据采集传输电缆和供电电缆预埋在坝体内，工程量大，破坏坝体，且维修不便；测压管分布广，施工难度大，费用高。

2.2 工程巡查手段落后

目前开展工程巡查主要是巡查人员通过眼看、耳听、手摸、鼻嗅、脚踩等直观方法，辅以锤、钎、钢卷尺、放大镜等简单工具器材，现场进行查看。因水库库区及工程区线长面广、工程管护范围大，水库日常巡查（包括工程巡查、安保巡查、水政巡查等）任务繁重；巡查手段落后，人工巡查只能对水面以上及人员能到达的部位进行巡查，建筑物水下部分、坝体内部变形及渗流破坏情况及人员难以到达的巡查危险的部位等无法进行巡查，往往这些部位是容易形成安全隐患的部位，存在巡查盲区且信息化手段比较落后；长期运用，不具备检查条件的部位，只能根据运行情况判断是否存在隐患，不能直观的检查到，隐患发展情况不能及时掌握，突发事件风险预警能力薄弱；检查问题部位不能准确的勘测、计量、定位和判断，工作效率和准确性低；测量工作简单，雨后，渗水来自坝体、雨水还是地表汇聚水无法判断。

3 提高监测手段建议

3.1 采用一体化自动化测压管

按照“施工方法简便，便于自动化数据采集和人工比对”的原则，建议安装一体化自动化测压管。本系统由水位传感器（投入式渗压计）、采集设备（智能采集模块）、无线通信模块（GPRS）、数据库服务器、单点数据采集管理软件（V1.0）等组成。水位监测站将采集的水位信息由无线通信模块GPRS，通过移动互联网平台传送到装有单点数据采集管理软件的数据库服务器，用户通过访问数据库服务器下载数据、通过软件客户端对数据进行分析、管理、绘图、输出等操作。

采用一体化自动测压管实现定时观测，定时采集，提供最全面的监测数据，能有效解决工作环境恶劣、工作量大等问题，提高工作效率；充分利用旧测压管，将渗压计固定好，便于进行人工对比校核；智能采集模块将测量、传输、供电功能集成在模块内，传输距离无限，可实现单点和群点的任意组合；通讯方式采用无线方式的移动GPRS通信，可实现远距离实时监测，减少施工成本及工作量；测量数据直接传输给计算机，系统组网简便快捷经济；适用于岗南水库测点比较分散的地方。

3.2 建立工程区视频全覆盖

工程区视频监控全覆盖，可以实时掌握水库运行情况，实现水库24小时全天候、全方位管理模式。可以实现的主要功能包括：一是在运行管理方面，通过采用高清或超高清摄像头，实现实时传输监控区域高清视频，通过应用监控分析软件，可实时监控大坝、溢洪道、输泄水洞等挡水、输泄水建筑物的运行情况、水面漂浮物情况、工程设施偷盗破坏情况，水事违法情况、库区人员、车辆、牲畜等入侵情况，手机等无线设备安装对应的App后，实现手机等无线设备实时查看，并实现异常情况报警功能，向预设手机发送预警信息，并可以根据需要将视频实时传输至手机，及时发现问题及时处理。还可在摄像头附近配备音频系统，对违法车辆、人员发出警告，及时驱离。二是在汛期，还可与防汛会商大屏系统连接，便于防汛会商时实时查看水情、工情，便于指挥决策。且遇大洪水、大暴雨等恶劣天气，人工上坝查险风险较大，视频监控作用更为突出。三是采用视频监控系统，可以克服工作时间、空间限制，实现节假日和夜间监控全覆盖。由于岗南水库面积较大，对监控尚难覆盖的区域，或监控能够覆盖，但距离较远清晰度较差的区域，可通过无人机巡查，通过静态摄像头和动态无人机有机结合，实现覆盖工程区全方位、立体、实时监控。四是应用监控系统与人工结合，可降低繁琐的日常工作量，把时间精力集中到重点问题的解决上，提高工程管理效率。五是监控视频可以作为档案资料保留，记录工程运行变化情况，为管理者判断决策提供依据，记录违法过程、跟踪拍摄违法车辆车牌号等信息，为水政执法和安保管理提供支撑，也可为今后水库封闭管理、智能管理提供基础设施和建设经验。

3.3 坝体物探技术应用

地质雷达法是一种采用窄脉冲宽带高频电磁波信#探测地下介质分布的技术方法，具有快速、无损、连续探测和实时显示的特点。

地质雷达法通过天线连续拖动的方式向地下发射高频电磁波，电磁波信号在物体内部传播时遇到存在电性差异（如介电常数差异）的介质界面时，发生反射、透射和折射。界面两侧介质的介电常数差异越大，反射的电磁波能量也越大，反射的电磁波被与发射天线同步移动的接收天线接收后，通过雷达主机精确记录反射回的电磁波的双程走时、振幅与相位等运动特征，获得地下介质的断面扫描雷达图像，通过对雷达图像进行处理和图像解译，达到识别地下目标物的目的，

通过地质雷达法检测，可以查明坝体密实程度、土质疏松部位、富水部位、可能的渗漏水位置，对水库坝体、库区周围可能存在的沉降变形、渗流隐患的区域进行探测，为岗南水库的安全运营、养护维修提供参考依据，保障水库安全。

3.4 水下机器人的应用

水库运行60多年，水库大坝和建筑物不同程度存在着损坏、老化，水下部分的安全检查离不开探测和水下作业。潜水员只能用肉眼进行观察，仅靠口头描述无法准确判别工程伤情，不能将水下发现问题及时传输到决策者手中，且水下作业条件、工具及潜水员经验不足，致使无法进行水下探伤和水下修复，人工水下作业受限。且水下环境恶劣危险，尤其是发生暴雨洪水时，人工水下作业风险较高。鉴于以上原因，引进水下机器人进行巡视和探测是必要的。

随着科技的进步，水下机器人越来越接近我们的工作和生活。目前，水下机器人配备有先进的导航、定位、推进和控制等设备，因而可以准确的到达预定的位置，最重要的，它可以到达潜水员无法到达的深度，替代潜水员，水下的危险环境不会危及人的生命安全，操作人员只要在水面进行操作就可以了。

通过水下机器人遥控操作，可实现水下全方位扫描检测，重点部位可以“驻足”观测，不仅可以快速检测到大坝的整体情况，而且可以仔细检查局部病变的细节。机器人上搭载的的水下摄像机进行大坝表面状态如破损、裂缝等检测，并用激光尺度仪对破损尺度进行评估；用高分辨率图像声呐对堤坝表面进行三维测量；用剖面声呐对大坝内部进行三维检测；机器人载体携带上述探测仪器进行思维运动，实现对大坝的全覆盖扫描检测，准确分析大坝、水工建筑物结构好坏情况。

3.5 专业检测工程的应用

为加强工程巡视检查技术工作，应为巡查人员配备专业的定位、测量等设备，以准确描述发现的问题位置、工程量及计量特征（如渗漏水量及水温）。手持GPS指全球移动定位系统，是以移动互联网为支撑、以GPS智能手机为终端的GIS系统，主要功能为定位、导航和测面积。测距仪是一种测量长度或者距离的工具，同时可以和测角设备或模块结合测量出角度，面积等参数。测温仪，是温度计的一种，用红外线传输数字的原理来感应物体表面温度，操作比较方便。以上工具操作简单、测量准确、便于携带，人工巡查所必需的。

输水洞、泄洪洞是水库防洪、输水的重要建筑物，对其进行巡查需在无水情况下进行，且闸门漏水现象严重，地下洞室黑暗且无任何信号，长期运行，地下洞室工程情况未知，给进入洞室的检查的人员带来安全隐患，我们将继续研本领域或其他领域的先进技术，并与科研院所交流，探索地下洞室的检查手段，提高工程巡查技术水平，为水库安全运行提供保障，为领导决策提供依据。