水库大坝安全监测自动化系统的应用

魏艳清

[摘    要]在社会经济高速发展下，我国水利水电事业发展取得不错的成效。水库工程建设作为水利水电工程的主要内容，为了确保水利水电工程的运作安全，提高水利水电工程建设的经济效益，需要注重水库大坝安全监测自动化系统的运用环节。

[关键词]水库大坝;安全监测;自动化系统;运用方法

[中图分类号]TV736 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）09–0–02

[Abstract]Under the rapid development of social economy， my country's water conservancy and hydropower development has achieved good results. As the main content of water conservancy projects， reservoir construction is the main content of water conservancy projects. In order to ensure the safe operation of hydropower projects and improve the economic benefits of water conservancy projects， it is necessary to pay attention to the safety of reservoirs and dams. Monitoring the application link of the automation system.

[Keywords]reservoir dam; safety monitoring; automation system; application method

1 概述水库大坝安全监测自动化系统的运用背景

以古田溪三级水电站工程项目为例。古田溪三级水电站位于福建省闽江支流古田溪上的高洋溪口，电站装置2台水轮发电机组，总装机容量为42 MW。坝址控制流域面积为1 697 km2，水库总库容0.149亿m3，属于日调节水库。电站拦河坝主要为钢筋混凝土面板支墩坝，坝高为43 m，坝顶全长为225 m，主要由27个7.50 m长的支墩平面坝段与2个混凝土重力坝段构成，垛墙厚度达到1.20 m、1.75 m，挡水面板顶部厚度为0.60 m，底部厚度为2.04 m，根据单项钢筋混凝土筒支板设计。溢洪道位于大坝中间，净宽81.30 m，为开敞式自由溢流，堰顶高程129.00 m。

古田溪三级水电站属于三等工程，主要建筑物均根据三级设计标准，工程地震设防裂度为6度。工程于1958年9月开工，1961年6月封孔蓄水，1965年3月第一台机组发电，1973年底实现全部机组并网运行。因面板老化渗水、析钙，此坝在2003年进行补强加固处理。修建之后的水庫大坝安全监测系统所运用的自动化仪器是Roctest监测仪器与2380数据收集系统以及专业化作图系统，能够在独立测控单元之中对监测数据实施储存，主机能够利用数据收集系统把监测数据传输至电脑系统当中，进一步开展数据处理与分析。安全监测主要涉及两个方面，即变形监测方面与渗流监测方面。其中，变形监测方法主要以表面竖向移位监测、体内分层水平位移监测、倾斜监测等为主;而渗流监测方面主要涵盖大坝坝基渗压监测、混凝土坝坝体浸润线监测、大坝坝体渗流量监测等。另外，还涉及上游与下游水库水位监测、水温监测等。

2 水库大坝安全监测自动化系统的运用流程

2.1 数据收集系统分析

数据收集系统是利用计算机与测量控制单元（MCU）通讯，能够实现对数据信息的收集与检测。其结构体系如图1所示。

（1）MCU自检。测量控制单元自检就是运用计算机与MCU通讯，促使MCU支持自检，同时把自检结果传输至计算机中，实现远程诊断MCU的目的。自检内容主要涉及通信、MCU内部温度、MCU工作电压、MCU充电电压等多个部分。

（2）参数设定。在MCU能够常规运作前，需结合工程实际情况，对MCU参数与数据库中各个侧点实施有效设定。设定内容主要包括：通信速率、系统时间等内容。

（3）单点监测。单点监测主要运用在对某种仪器设备的某个测点各种电测量与有关仪器测量，能够将工程相关物理量计算出来。

（4）巡回监测。巡回监测是通过测量一个或者多个MCU上的测点，所测量仪器种类可以是一种，也可以是多种。等到电测量之后，将工程物理量计算出来，以便获取上次巡回监测数据。

（5）定时监测。定时监测主要用于获取定时监测数据，将工程物理量计算出来，测量所得电测量与工程物理量在列表中呈现。

2.2 变形监测环节

2.2.1 监测系统概述

古田溪三级水电站工程项目变形监测系统主要涉及坝体倾斜监控、坝体裂缝监控、挠度监控、水平位移监控等多个功能板块。其中，坝体倾斜监控主要依托于静力水准仪器，坝体裂缝监控主要利用测缝针，挠度监控借助双向垂线坐标仪器，联合6台单向垂线标准仪器，进一步检测坝体垂直度上各个高程测点、倒锤线间水平部位变化等。

古田溪三级水电站工程项目水平移位监测主要利用4条不锈钢钢丝制作形成的引张线，其中2条置于大坝基础廊道位置，而另外2条处于主坝坝顶，还要运用变位机设备（1台）、垂线坐标仪器（20台），定期对大坝水平方向是否移动进行测量。然而，主坝坝顶张线主要由20余台单向引张线组成。由于坝体比较长，因此在坝顶把一条引张线划分成2条，通过单向引张线仪器构成其中一条引张线。联合利用处于大坝右侧倒锤线仪器、量距仪器实施测量。与之同理，可进一步实施大坝左岸测量。然而，在大坝廊道中分别和混凝土坝廊道中、灌浆廊道内拥有一条引张线，分别由4台、16台引张线设备构成，可以从双向垂线设备、倒锤线设备进行管控测量。所有引张线设备都属于比率测量技术的电容感应式变形测量设备，能够利用中间极、位于测点设备底板的极板测量各个垂直于偏离基准线的变化情况，从而计算出不同水平位移变化量。

2.2.2 变形监测系统运作的基本原理

古田溪三级水电站工程项目安全变形监测自动化系统主要涉及五个功能模块，具体包括数据收集单元模块、通信网络模块、信息管理系统模块、计算机工作组模块以及传感器模块。其中，数据收集单元模块可对传感器设备监测的数据进行收集，通过通信网络模块传输至计算机工作组模块当中，也可实时利用信息管理系统模块进行处理。每个数据收集单元都涵盖许多不同类型的智能化收集模块、电源构件、通信模块以及浮充蓄电池供电、防雷装置、防潮装置等，能够支持独立数据传输、时钟、分布监控、数据储存等多种功能。传感器主要装置于大坝检测位置，通过四目单模光缆、两芯电源线（220 V），与RS-485现场总线通信相互连接。

在具体的运行期间，该工程项目安全变形测量主要运用差分功能计算方法，在不对气象元素进行测量的基础上，形成一个基于基准网的简单化模型，能够对距离大气折射率差分进行不间断式修正。因水库大坝检测位置、基准点均设定在较为稳定的位置，能够使其当做成测点、基准点之间距离保持不变。此种情况下，所设置的测点与基准点斜距处于已知条件下，能够在变形检测期间某一时刻检测出斜距与已知数值的相关观察，并得出其数据是由于气象条件变化导致。基于此，利用计算机工作组模块，将区域差分气象参数调取出来，以便为该工程项目变形控制提供重要的参考依据。

2.2.3 运用具体过程

在实际运用过程中，水库大坝体裂缝所监测的最大倾角达到0°0′25?，而坝顶水平移位最大值达到8.11 mm、混凝土坝水平移位最大值为1.09 mm以及混凝土坝廊道水平移位最大值即1.09 mm。坝体裂缝监测只有一处检测值年变化幅度比较大，但是最大变化量不超过3.0 mm，其他变化量不超过1 mm。由此可见，在水库水温、水位以及地形等因素的作用下，裂缝问题没有明显发展。

2.3 渗流监测环节

2.3.1 渗流监测系统概述

水库大坝渗流监测自动化系统主要由一副坝浸润线监控、大坝右岸绕坝渗流监控、坝基扬压力监控、坝体渗流量监控、二副坝渗流监控等构成，除去坝体渗流量监控运用超声波水位仪器之外，其他均运用电热方法进行测量。

2.3.2 渗流监测系统运作的基本原理

水库大坝渗流监测自动化技术难以直接展开渗流参数的检测工作，需要对渗流位置的温度变化情况进行检测，反演渗流参数。一般情况下，所运用的介质温度测量方法主要以电热方法、梯度方法为主，全部根据热传导能量方程实施，其热传导能量方程表示为：，其中，t表示介质温度;cw与ρw分别表示水比热容、水密度;τ表示时间;x表示距离;v表示渗流速度;λ表示导热系数;c表示介质比热容;ρ表示介质密度;qv表示内热源强度。

在运用电热方法过程中，qv属于外接电源所形成的热量，确保光纤、附近热传一定的情况下，其温度场比较稳定，可利用大密度、高硬度侧温光缆联合光纤不锈钢套制作形成的抗高壓结构体系，在平整层上铺设，并配合预留至坝顶电缆沟中的通信光缆与缠绕测量光缆加热系统，实现渗流的测量，同时把渗流测量所得数据实时传送到检测室内。

2.3.3 具体运用过程

古田溪三级水电站工程项目安全检测自动化系统在水电站除险加固工程建设中运用，经过为期12个月的试运行，除险总线故障共1次，促使收集数据难以实时传送到检测管理站，但是因系统运用分布式结构体系，将总线故障问题解决之后，对数据收集系统中数据存储进行重新读取。经过对各个绕测检测读取数据展开研究分析，能够获得此水库大坝均存在一定程度的绕坝渗流现象，渗流量的大小，与所处位置、库水位、气候变化等因素有一定关系。例如，由于测点处于断层位置，且断层位置的地质条件较为恶劣，扬压力检测渗透压系数比较大，即0.23 mm，但是均满足最大渗透压系数不超过0.3 mm的标准，其他不同位置渗压系数相对较小。另外，一副坝浸润线检测能够体现出坝体实际渗流情况，特别是在下雨前后的渗流变化情况。

3 自动化系统在水库大坝安全监测中的运用价值

3.1 有助于确保运作安全

对于运行多年的水电站来讲，水电站是否安全，不仅关乎于大坝本身固有工程地质条件、所处外部环境、工程施工设计以及施工建造管理，还决定贯穿于大坝运作整体过程的检测技术。利用自动化系统实现水库大坝的安全监测，能够24 h、不间断、动态化、全面更新水电站运作数据。

3.2 有助于推动水利信息化建设发展

信息技术手段作为全世界通用性最强、更新速度最快、渗透性最好的现代化技术手段。水利信息化就是深入挖掘现代信息化的技术优势作用，借助丰富的信息资源，促进信息之间的互动交流，从而达到水库基本水情雨情、防洪调度、有效监测、安全监管、兴利调度一体化建设效果。

3.3 有助于提高管理水平

在水电站安全监测过程中，运用自动化系统设备，能够实时、精准获取大坝监测数据，从而对水电站安全监测、安全管控、资源配置等工作开展提供可靠的依据，提高其管理水平。

4 结束语

综上所述，在水电站安全监测期间，利用自动化系统，可以使水电站的管理水平进一步提升，保障水电站安全监测的有效性、合理性。基于此，水库大坝安全管理工作者需意识到自动化技术的运用必要性，合理运用自动化技术手段，对工程运作管理、质量评估、结构研究等方面展开深入分析，形成一个健全的安全监测结构体系，以便全方位监测大坝运作情况，提高水库大坝总体管理工作效率，保障社会稳定发展。

参考文献

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[2] 阿力木江·买买提，努尔曼阿布拉.刍议大坝安全监测自动化系统在水库工程建设中的应用[J].水电水利，2020，4（4）：69.

[3] 冯师懿.浅谈水库大坝安全检测自动化技术应用[J].农家科技（下旬刊），2019，3（9）：203.