水库工程自动化安全监测系统的开发应用

王梦如

(塔里木河流域干流管理局，新疆 库尔勒 841000)

0 引 言

结合国内外水库工程运行实际不难发现，水库工程大坝坝体坝基等基础结构及配套性水工建筑物均具有较强的隐蔽性，故展开运行状态实时安全监测必需作为水库综合运行管理的重要方面，从而为确保水库安全、正常运行以及蓄水调洪功能的顺利发挥提供保障。当前国内有关水库工程自动化安全监测的研究成果较少，平原水库坝体较长，管理人员较难集中精力对坝体运行安全方面展开全面、细致、准确的监测，导致此类水库在长期运行过程中安全隐患突出。

1 系统开发背景

某水库属于中型平原水库，于1980年兴建，当年年底竣工后便开始蓄水运行，该水库设计集水面积12.41km2，总库容和兴利库容分别为4685×104m3和4086×104m3，死库容1039×104m3。原正常蓄水位设计水平为5.4m，死水位设计水平为2.3m，库底高程平均达到1.4m，库围堤长15.79km，堤顶高程原来按照7.02m进行设计，堤顶宽7.0m，同时在此基础上还增设了顶部高程为8.25m的防浪墙建筑物。水库大坝堤身则完全根据碾压式均质土堤的相关要求进行设计，并将上下游堤坡比均按照1∶3的要求进行控制。

该水库主要发挥调蓄作用，即通过水量调节以提升相应城市供水保证率，同时，该水库还在引滦明渠护砌、上游停水、泵站及水闸维修、渠道淤积等期间发挥着向下游供水的作用。该水库长期运行于高水位状态，如若失事，既会影响到正常供水，又会造成严重的安全事故及重大经济损失。

由于水库围堤长度大，通过常规的人工观测很难及时发现水库运行过程中存在的安全隐患，无法达到对坝体安全监测的要求。结合水库工程运行实际，必须对水库渗流过程以及渗流情况有关系的地下水位、孔隙水压力、浸润线、渗流量、有效库容等参数取值及可能变动的趋势范围等进行全面监测，将监测结果和现有观测技术水平下水库围堤沉降结果以及进出水闸周围量水堰观测结果等进行对比与整合应用，构建起针对水库堤坝运行状态的自动化安全监测系统，以便为水库防渗漏工作提供指导，起到辅助水库综合管理的作用。为保证所建设的该小型平原水库自动化安全监测系统的高效运行，必需保证系统所使用的仪器设备先进可靠、所对应采用的观测技术匹配高效，方可取得实时的、有效的水库结构运行情况监测数据，相关基础数据经由系统自动分析处理后，向水库管理人员提出水库大坝围堤安全运行方面的的管理对策以及应当重点管理和维护的要点，确保水库大坝围堤结构能够安全可控、高质量、高效率运行。

2 系统组成与布置

2.1 硬件系统组成

硬件方面，为保证该小型平原水库工程自动化安全监测系统正常运转及功能作用的顺利发挥，必需建设和设置监测分站、电缆走线、传感器、光纤、监测总站等。其中，为与自动化检测系统属性及软件相配套，传感器应选用VWP-1D型高精度压阻式扬压力计，该型号传感器必需借助信号电缆与监测分站相接，从而使监测分站真正发挥扬压力数据采集单元的功能作用；监测分站将从VWP-1D型高精度压阻式扬压力计所收集到的数据信号进一步实时传输至监测总站对应的数据单元，并由总站进行数据分析和处理。

在所构建起的该小型平原式水库自动化监测系统中，分站设置着的数据采集单元的布置模式完全根据监测渗流测点数量以及监测距离，为满足相关规范中所规定的测压管布设要求以及系统建设成本控制、经济实用性等方面的要求，该小型平原水库围堤处总共设置有22个监测断面、93个具体的数据采集监测点，为与监测目的和监测总站设置要求相配合，同时还设置有12个监测分站。在系统建设完毕、投入监测的过程中，各数据采集单元便会结合工控机所下达的监测命令，根据所要求的具体监测时间(段和点)对各个监测单元所对应的监测仪器展开操作以便实施自动监测，采集到的监测数据全部由系统自动转化为数字量的存储格式，严格按要求存储在不同数据库中所对应的数据采集单元；数据量最终由光端机根据工控机命令通过光纤传送至主机。

2.2 软件系统组成与功能

软件方面，该小型平原水库自动化监测系统由实时监测模块、图形分析处理、各种形式报表的制作、沉降位移观测及数据分析、数据管理等模块组成，具体见图1。

图1 软件系统组成

通过以上软件模块处理后的信息数据存储在关系型数据库中，并分析处理，并最终以数据和报表形式呈现对围堤实际运行状态的评价结果。

2.2.1 实时监测子系统

该子系统进行该小型平原水库大坝坝体坝基围堤等结构运行实际状况的监测，如遇测量结果异常，系统便会自动展开异常原因判别。

2.2.2 离线分析子系统

2.2.2.1 测压管水位统计模型

根据大坝浸润线测压管水位实测资料，上下游水位、降雨、坝体填筑材料渗透时变特性等是影响其测压管水位的主要因素，为此可以写出测压管水位统计模型，表示如下：

h=hu+hd+hp+hθ

(1)

式中：h该小型平原水库大坝坝体围堤浸润线测压管实际水位，m；hu为水库上游水位，m；hd为水库下游水位，m；hp为降雨影响水位，m；hθ为时效影响水位，m。

2.2.2.2 测压管水位影响因子

1)上游水位。根据以上对该小型平原水库大坝坝体围堤渗流情况的分析可以看出，其中明显存在不渗水地基，且主要呈矩形土体状态，其浸润线公式可表示如下：

hi=(hu2-2q/kxi)1/2

(2)

式中：hi为与水库上游面直线距离为xi地方所对应的浸润线高程，也就是此处的测压管水位，m；q为单宽流量；k为小型平原水库大坝坝体围堤渗流系数；xi为测点与上游面的距离，m；其余参数含义同前。

对于该平原水库大坝坝体围堤监测所具体设置的测压管而言，xi和k取值既定，也就是说，所设置的测压管对应的水位值与库水位值之间存在正比例的数据关系，但上游库水位始终处于变动状态，存在渗流问题，这也是引发该测压管水位变动趋势明显滞后于库水位变动趋势的主要原因[1-2]。为此，必需通过前期库水位值进行水库上游水位的表示与确定，公式如下：

(3)

2)下游水位。根据观测资料，该水库下游水位变动较小，故可以观测日当天下游水位为影响因子，也即：

(4)

3)降雨。发生大规模降雨后水库大坝坝体可能入渗的水量规模主要取决于降雨历时及时强、降雨类型、大坝原使用填筑材料、填筑碾压施工工艺及填筑质量等，考虑到降雨入渗结构内部需要时间，且自动化监测系统各项设备采集及处理数据也需要一定时间，所以，降雨发生后因雨水入渗所引发的测压管实际水位的变动当然也表现出时间上的滞后性。在计算过程中，必需应选择前期降雨量因子，表示如下：

(5)

4)时效。结合类似工程运行实际及相关工程实践，该小型平原水库大坝工程在竣工蓄水后，坝体结构土体颗粒在自然条件、水文地质条件、运行环境、重力作用等的影响下，必定会发生一定程度改变，因自热原因而形成的坝前淤积自然会对大坝坝体起到一定的自然铺盖和防护作用。综合考虑上述因素对坝体埋设测压管水位的可能影响，可表示如下：

hθ=ciθ+c2Inθ

(6)

式中：c1、c2为坝体结构土体颗粒受诸多因素影响的时效分量回归系数；θ为坝体结构土体颗粒受诸多因素影响的监测数据修正系数，应当按照蓄水初期开始天数与100的商进行确定。

通过以上分析，可以将该水库大坝浸润线测压管水位统计模型表示如下：

(7)

式中：a0为常数项。结合对该小型平原水库水位变动过程以及大坝浸润线所埋设测压管水位观测结果的分析表明，库水位是影响测压管水位的主要因素，一般情况下，随着库水位上升，测压管水位随之升高，反之则反是，但这种影响通常存在7d左右的滞后期。

2.2.2.3 渗流统计模型回归分析

结合以上对影响因素的分析，以所设定的观测日之前的第i天对应的该小型平原水库实际库水位为自变量，同时以所设定的观测日当天水库大坝浸润线所埋设测压管实测水位值为应变量，进行水库大坝坝体围堤自动监测回归模型构建：

(8)

上式中上游库水位分量的回归系数aui和常数项a0均通过统计学中的最小二乘法加以确定，为提高分析结果的精确度，并将误差控制在最小范围，还应保证观测结果与回归模型计算结果之差的平方和达到最小水平[3]。对于以上所得到的回归系数，分别采用F检验法和R检验法进行检验，若所得到的F值和R值>临界值，则应当拒绝原假设，重新分析计算。

2.2.3 其他子系统

图形制作子系统主要根据时间上的测点过程曲线图以及断面上的测点分布过程曲线图进行水库围堤运行情况监测和评价，计算沉降量最大最小及均值。

3 运行效果

用户登录主界面后可以选择实时监测、图形及报表制作、沉降位移、数据管理、系统维护、离线分析等各个子系统；进入实时监测及图形制作子系统后，系统会自动生成时间为横轴、所对应物理量为纵轴的测点曲线，并通过时间过程曲线体现测点测值变动趋势。系统还包括预警功能，根据水位进行渗流情况预测，如遇异常便会触发预警。该水库A01000测点大坝围堤渗水位高程曲线具体如图2所示。

图2 A01000测点大坝围堤渗水位高程曲线

4 结 论

综上所属，该水库运行自动化安全监测系统在保证水库安全运行方面具有重要作用，并能实现安监设备自动化运行，为水库围堤及水工建筑物实时运行状态监测提供可能，便于监测数据资料及时分析，系统运行的自动化监测，使平原水库安全管理水平显著提升，其所带来的经济效益十分显著，而社会效益不可估量。