高寒区大坝及近岸边坡外观变形自动化监测系统分析

易伟

【摘 要】为了实现对高寒区大坝及近岸边坡外观变形高精度监测，利用自动化监测系统可实现实时对大坝进行数据采集、计算处理、状态显示、数据存储、报警预告等功能。通过对近年来的运行效果进行分析发现，该自动化系统可有效地对大坝外观变形进行连续性监测，提高了大坝安全性能，降低了工人的巡视工作强度，对于地势陡峭区域更能保证员工的生命安全，此系统对偏远及高寒地区大坝具有较强的适用性。

【关键词】高寒地区;大坝边坡;边坡稳定性;变形监测

0 前言

水利枢纽工程的开发和建设已经逐渐由城市向偏远地区、高寒山区进发，对高坝表面发生的变形监测和对近坝、库岸等高边坡稳定性的监测已经成为该行业的主流问题和热议问题，坝体和近岸边坡的变形监测是用于评价水利枢纽工程是否可行和安全的主要途径，也是水电站保护工作人员和居民的人身安全的重要措施。过去，对坝边的变形监测都是采用经纬仪和电磁波测距仪实现的，但是这些测量方法精度较低，工作效率不高，无法实现高水平的监测效果，因此需要一项新的监测技术弥补传统监测技术的不足，电子全站仪应运而生。我国技术突飞猛进，监测技术已经与激光、通信和CCD技术融合在一起，促使大坝变形监测逐渐向自动化发展。测量机器人是集目标识别、自动照准等监测技术于一体，一个观测点能够监测多个目标，并且能实现重复持续观测。

1 大坝及边坡形变自动化监测系统

我国从20世纪末就开始研究对水电站大坝及边坡的稳定性开展自动化监测工作。这项工作需要应用自动化监测系统，该系统能够将大坝及边坡可能发生的危险和实际情况上报给监控站的工作人员，有利于工作人员对将要发生的问题进行预防和排查，确保大坝安全平稳地运行，保障人民的生命财产安全。

1.1 自动化监测系统的发展

随着我国科学技术的不断革新和发展，各项基础建设体系中都需要整合大量的现代化新型技术，以此为基础提升企业和各项生产环节管理的实际能效，为社会做出更大的贡献。在高寒地区的大坝及边坡稳定性监测方面，自动化监测系统的应用已经取得了较好的成效，能够对水电站的安全运行提供必要保障。自动化监测系统的正常工作需要依附多个大坝监测仪器的运行，并且需要对各个测点收集到的数据进行分析和整合，通过分析数据内容判断大坝及边坡的稳定性。

（1）自动监测系统构成。自动监测系统包含监测仪、管线等各类硬件设施，还需要一些采集卡等系统软件实现数据的整合和处理，由此可见，自动化监测系统是非常复杂的能够集合多种技术和管理手段的综合系统[1]。

（2）系统检测方式。在高寒大坝及近岸边坡附近设计能够自动监测形变的仪器，各个监测仪器之间需要相隔一段距离。此外，需要布置监控网络、GPS卫星、定位技术及全站仪等设备，对大坝的坝边环境进行实时监测。

在传统监测技术中，对大坝稳定性的监测主要是通过各类仪器实现的，同时需要人工的参与，这种简单的数据监测方式必须后期对大量的监测数据进行筛选和处理才能得到有效的数据，进而做出决策。在监测过程中，不仅工作量大，也无法将实时数据及时上报给工作人员，导致出现事故无法及时发现和处理。自动化监测系统的应用能够缓解工作人员的工作压力，对坝体的实际情况实时监控，出现问题时能够及时发现，做到事发即处理。自动化监测系统通过对数据的采集、跟踪、分析和处理等一系列智能化的信息处理手段，将观测点收集到的数据传输给监测站，便于工作人员能够实时监控坝体的周围环境，提升高寒大坝及近岸的稳定性。

1.2 自动化检测工作机理

对高寒地区大坝及边坡的稳定性进行自动化监测需要应用自动化监测系统，系统的实际运行需要特定的硬件支撑，硬件包含数据处理设备、时间控制设备、各种数据端口等，将这些硬件组合在一起，构成自动化监测仪器，将这样的检测仪器制作上百台，并将其布置在需要检测区域的周围，对坝体外观变形进行实时监控。该监测系统的硬件设备组成是具有一定复杂性的，但其工作原理比较简单，数据的采集可以通过数据采集模块实现，并且该模块能将收集到的数据传输给观测站的工作人员，工作人员只要在相应的软件上对数据进行分析和处理就可获得与大坝边坡稳定性相关的信息，并且该系统可以实现数据查询、调用数据等功能，便于后续开展对数据的核查和处理工作。此外，该项系统需要各种现代化信息处理软件完善系统功能，如数据采集软件、数据管理软件等，这些软件的应用能够进一步提升自动化监测系统的效率，并且能够获得准确的数据信息，有利于工作人员分析和获取大坝边坡的实际情况。通过这些软件还能完成对数据的储存、计算和共享，为水电站数据处理工作提供便利，其计算准确性也得到保证。

1.3 系统可靠性测定

自动化监测系统的可靠性是需要在特定的时间和条件下，系统能够实现规定功能的能力。系统的可靠性包含两个方面：一是正确性，系统设计没有任何纰漏和错误，能够在正常的条件下实现各种功能。二是适应性，系统能够在特殊或者恶劣的环境下发挥其功能。

影响系統可靠性的因素有软件、硬件、操作员。软件的故障主要就是设计问题，一旦发现软件有问题，必须及时改正处理，否则故障就会进一步扩大，造成监测效果不理想或者监测准确率较低等问题。硬件故障通常是由于硬件出现物理损坏，硬件没有软件复杂，因此避免硬件出现问题是简单可行的。在安装或者检查时，尽量对易磨损地区进行检查，能够有效地避免硬件失误而影响监测结果的可靠性。操作员可靠性属于人为操作问题，这就需要工作人员提升技术和技能水平，在操作中规范行为，避免出现失误[2]。

2 自动化监测系统

2.1 系统硬件组成

系统的主体设备：选用测量精确度为0.5 s的Nova TM50测量机器人和徕卡原装进口棱镜，为了避免落石等其他因素对相机镜头造成破坏，在镜头外部安装防护罩。

系统辅助设备：环境量监控系统、温度控制系统、电路控制系统。

系统控制设备：室内控制盒、服务器及客户终端。

大坝及边坡稳定性自动化监测系统的系统构架及组网结构如图1所示。

2.2 系统软件

软件开发和设计要依据现场的实际情况进行，主要包含现场控制、温度控制、服务器及信息处理部分。自动化监测系统组网结构如图2所示。

现场控制模块，安装于现场控制盒内，用于判断周围环境数据和外部条件等是否符合监测标准，通过该模块的应用能够定时对全站仪等设备进行启动和关闭操作，将经过校验的数据处理后上传至服务器[3]。

温度控制模块，安装于现场温度控制系统内部，由服务器控制，主要用于控制温度，也就是对室内温度检测设备的测值进行控制，根据特定的要求和条件，自动调节温度，确保室内保持恒温环境。

服务器模块，主要作用是对数据进行一定的操作，并对测量过程进行远程控制，通过环境量差分改正活平差计算实现对测量数据的计算功能，对以极坐标获取的数据进行计算，由此获取三维坐标，对监测点具体位置进行精准评定，对边坡的稳定性进行计算。

信息处理模块，该模块是基于ASP.NET技术设计开发的，能够在主流网页浏览器中使用，具备项目管理、多级报警设计、对数据进行查询等功能。

3 应用实例

3.1 项目概况

该研究对象为贵州省黔南山区某渡河的水电站，该水电站主要作用是为周围居民发电，次要作用是对渡河通航条件进行调整和改善。该水电站总装机容量为800 MW，每年可发电43.74亿kW·h。该水电站属于河床式电站，二等大型工程，建筑等级为二级。枢纽有溢流坝、左右岸重力坝等，坝顶高程为502.5 m，坝轴线全程为2.05 km。

坝边坡总长为2.89 km，在2 km范围内为滑坡体，斜坡地段为碎石土，厚度在50 m左右，分为3层。各个碎石土層结构不同，泥土包裹着碎石块，土体基底结构为细颗粒包粗粒，能够承受压力的骨架石结构较少，因此该部分的边坡抗剪强度较差。

3.2 观测点布局

对该大坝及近岸边坡进行自动监测，观测点取10个，分别在靠近左岸边坡、大坝边坡、后视控制点在水电站旁的稳固墙上，系统运行需要特定的软件做后台，采取盘左盘右的监测模式对各个观测点进行实时监控，整个观测点的测回时间控制在4 min左右。

3.3 系统运行简介

（1）到达设定的时间后，系统能够通过传感器对周围环境进行观测，确保周围环境符合监测条件后，温度模块开始实行观测模式，为系统整个运行期间室内环境温度进行自动调整，确保温度能够满足设备正常运行。为了尽量避免天气环境恶劣造成雨水进入观测房，造成设备损坏，在这种恶劣的天气，自动化监测系统不进行监测。

（2）确保室内外的环境稳定，系统开始监测，监测获得数据将会通过固定的软件及硬件设备，由信息处理模块传回软件后台处理，用于高寒区大坝及边坡周围外观变形监测系统平台展示。当出现超限和异常值时，系统将会在平台进行预警和微信报警。

4 结语

本文对水电站大坝外观变形自动化监测系统进行剖析和研究，结合我国高寒地区现有的水电站大坝边坡变形监测仪器对自动化监测技术进行分析，对传统水电站自动化监测系统进行剖析，分析不足之处，在设计新型的大坝边坡变形自动化监测系统尽量避免出现这些问题，保证监测系统的可靠性，为我国发电事业做出贡献。

参 考 文 献

[1]徐海涛.高寒区大坝及近岸边坡外观变形自动化监测系统的解决方案[J].西北水电，2019（6）：58-61.

[2]李春龙. 大坝变形监测自动化技术的运用与研究[J]. 中国战略新兴产业，2019（34）：136，138.

[3]苏凯.刍议自动化技术在大坝变形监测中的应用[J]. 现代物业（中旬刊），2019（6）：52.