大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)應(yīng)用探討

程洪波

（泉州市山美水庫管理處 362000）

1 工程概況

山美水庫位于福建省南安市晉江支流東溪中游,水庫總庫容6.55億m3，正常蓄水位96.48m，設(shè)計(jì)洪水位98.78m，校核洪水位100.70m。山美水庫是一座以灌溉為主，結(jié)合防洪、供水、發(fā)電等綜合利用的大（2）型水利樞紐工程。

水庫樞紐工程由主壩、副壩、溢洪道、引水隧洞及地下廠房、壩后廠房等組成。主壩為粘土心墻壩，粘土心墻頂寬5m，頂部高程104.48m，壩頂長315m，壩頂寬8m，最大壩高75.5m，壩頂高程105.48m。為了及時了解大壩的運(yùn)行性態(tài)、發(fā)展趨勢和安全隱患，提高水庫大壩運(yùn)行管理水平，山美水庫管理處委托南京水利科學(xué)研究院為山美水庫大壩安裝了一套功能實(shí)用、技術(shù)先進(jìn)、性能可靠、結(jié)構(gòu)開放的大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)，該系統(tǒng)能在線或離線分析大壩安全運(yùn)行性態(tài)，為管理單位和上級主管部門實(shí)時提供輔助決策信息，實(shí)現(xiàn)水庫管理信息化、現(xiàn)代化。

水庫大壩監(jiān)測項(xiàng)目主要包括主壩變形監(jiān)測、主壩滲流監(jiān)測、副壩滲流監(jiān)測和環(huán)境量監(jiān)測等。

2 大壩自動化監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成及功能

2.1 監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

大壩監(jiān)測系統(tǒng)由各種類型傳感器，測量控制單元和中央控制室組成。傳感器包括測縫計(jì)、孔隙水壓力計(jì)、流量計(jì)、上游水位計(jì)和氣壓計(jì)等；測量控制單元（MCU）系統(tǒng)設(shè)在大壩左壩頭觀測房，用于對各種傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和存儲，并與中央控制室計(jì)算機(jī)連接通訊，發(fā)送指令和數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測；中央控制室設(shè)在水庫管理處辦公樓，它與測量控制單元通過光纖傳輸體統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)雙向通訊，配有數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理分析軟件，可進(jìn)行在線監(jiān)控或離線監(jiān)控。

大壩監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 大壩監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 監(jiān)測系統(tǒng)功能

2.2.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)采集功能

監(jiān)測系統(tǒng)可對輸出為頻率、電壓、電流、脈沖及數(shù)字編碼等信號的傳感器進(jìn)行常規(guī)巡測、定時巡測、常規(guī)選測和人工測量。

2.2.2 數(shù)據(jù)通信與資源共享功能

測量控制單元與中央控制室之間具有雙向通訊功能，中央控制室不僅可以向測量控制單元發(fā)出指令，而且隨時接受測量控制單元采集的數(shù)據(jù)，中央控制室與外界通過多種媒介實(shí)現(xiàn)雙向通訊，達(dá)到資源分級共享。

2.2.3 資料維護(hù)與管理功能

監(jiān)測系統(tǒng)對各種監(jiān)測項(xiàng)目的考證資料和監(jiān)測資料具有維護(hù)與管理功能，包括資料錄入、修改、刪除、查詢，以及對考證資料和監(jiān)測資料按年份進(jìn)行備份或恢復(fù)等功能，以保證資料的連續(xù)性和完整性。

2.2.4 資料整編與分析功能

監(jiān)測系統(tǒng)按SL169—96《土石壩安全監(jiān)測資料整編規(guī)程》的要求對監(jiān)測資料及時制成圖表進(jìn)行整編，并結(jié)合工程實(shí)際情況建立分析模型，實(shí)現(xiàn)在線處理或離線處理，對工程安全評價(jià)提供信息。

2.2.5 系統(tǒng)自檢功能

系統(tǒng)具有自檢功能，當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時，系統(tǒng)會自動報(bào)警，顯示故障信息，及時提醒管理人員進(jìn)行維修。

2.2.6 系統(tǒng)防雷功能

利用壩體測壓管的外殼接地電阻小的優(yōu)點(diǎn)，將傳感器避雷器接地與測壓管的外殼焊接起來連成一個整體，使中央控制室與測量控制單元建筑物形成均壓等電位接地網(wǎng)，達(dá)到系統(tǒng)防雷功能。

3 大壩自動化監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

依靠大壩自動監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集軟件實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與測量控制單元（MCU）通訊，完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集任務(wù)。其數(shù)據(jù)采集原理及程序如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集原理及程序

3.1.1 MCU自檢

MCU自檢是將計(jì)算機(jī)與MCU連接，計(jì)算機(jī)使MCU進(jìn)行自檢，并將自檢結(jié)果再返回至計(jì)算機(jī)，顯示給操作人員，達(dá)到遠(yuǎn)程診斷MCU的目的。自檢內(nèi)容包括：通信、MCU內(nèi)部溫度、MCU工作電壓、MCU充電電壓、MCU測量模塊和通道等。

3.1.2 參數(shù)設(shè)置

在MCU正常工作之前，要根據(jù)工程的具體情況，需要對MCU的參數(shù)和數(shù)據(jù)庫中的各測點(diǎn)指標(biāo)進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置的項(xiàng)目包括通信速率、系統(tǒng)時間等。

3.1.3 單點(diǎn)測量

單點(diǎn)測量主要針對某種儀器中某個測點(diǎn)進(jìn)行的各種電測量（如孔隙水壓力計(jì)的頻率和溫度）和相關(guān)儀器測量（如測量測壓管內(nèi)的孔隙水壓力計(jì)，還要測量氣壓計(jì)），計(jì)算出工程物理量，并將測量數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫，需要時可以進(jìn)行打印。

3.1.4 巡回測量

巡回測量是對一個MCU或多個MCU上的測點(diǎn)進(jìn)行的測量，所測儀器類型可以是一種，也可以是多種。巡回測量時，數(shù)據(jù)采集軟件以列表的形式給出MCU及與各MCU相連的儀器類型，計(jì)算出工程物理量，供操作人員選擇和對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查。當(dāng)測量數(shù)據(jù)超出量程范圍或事先設(shè)置的安全警戒時，將給出提示或告警，并將測量數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫，需要時按儀器類型打印測量數(shù)據(jù)結(jié)果。

3.1.5 定時測量

定時測量主要用來取定時測量數(shù)據(jù)，計(jì)算出工程物理量。通過列表的方式將所得的電測量和工程物理量顯示出來，并將測量數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫，需要時按儀器類型打印測量數(shù)據(jù)結(jié)果。

3.2 資料整編

水庫大壩監(jiān)測資料的整編任務(wù)，由系統(tǒng)的資料維護(hù)、報(bào)表打印、圖形繪制等模塊完成。資料維護(hù)模塊包括考證資料查詢添加修改刪除、監(jiān)測數(shù)據(jù)添加、監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢修改、監(jiān)測資料刪除、數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)恢復(fù)等內(nèi)容。

3.3 資料分析

資料分析由系統(tǒng)的資料分析軟件完成，資料分析包括對豎向位移、水平位移、滲流壓力水位、滲流量分析等項(xiàng)目。

3.3.1 現(xiàn)場檢查。

把現(xiàn)場檢查的情況錄入到系統(tǒng)中，并對這些現(xiàn)場檢查信息進(jìn)行查詢和修改。

3.3.2 豎向位移分析

豎向位移分析包括建立統(tǒng)計(jì)模型和沉降、裂縫分析等。

a.建立統(tǒng)計(jì)模型。利用連續(xù)監(jiān)測資料，建立豎向位移與時間的單因子優(yōu)化統(tǒng)計(jì)模型，如果統(tǒng)計(jì)模型相關(guān)系數(shù)好、剩余標(biāo)準(zhǔn)差小、漏測時間小于1年，則同時利用統(tǒng)計(jì)模型進(jìn)行漏測豎向位移推算。

b.沉降分析。沉降分析主要包括沉降率計(jì)算、沉降速率計(jì)算，并根據(jù)沉降率與沉降速率判斷沉降發(fā)展趨勢及大壩是否存在裂縫等問題。

c.裂縫分析。裂縫分析通過計(jì)算縱向傾度和縱向拉應(yīng)變判斷壩體是否存在剪切裂縫和橫向不均勻沉降裂縫。

3.3.3 水平位移分析

利用連續(xù)監(jiān)測資料，建立水平位移與上游水深、時間等因子多因子統(tǒng)計(jì)模型，根據(jù)相關(guān)系數(shù)，就回歸效果給出定性結(jié)論。

3.3.4 滲流壓力分析

滲流壓力分析包括滯后時間分析、建立統(tǒng)計(jì)模型、位勢分析、壩體浸潤線分析、壩基抗?jié)B分析等。

3.3.5 滲流量分析

滲流量分析包括建立統(tǒng)計(jì)模型、引流量分析等。

4 水庫大壩自動化監(jiān)測狀況分析

大壩自動化監(jiān)測系統(tǒng)可對水庫大壩20多年的歷史觀測資料和近期自動監(jiān)測資料進(jìn)行分析，并利用設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行及安全鑒定成果，對山美水庫大壩作出綜合安全評價(jià)。現(xiàn)狀下大壩安全類別為B級，屬二類壩，其主要問題是大壩變形較大、大壩下游坡的抗滑穩(wěn)定安全裕度不足，應(yīng)加強(qiáng)安全監(jiān)測。

4.1 滲流分析

大壩各斷面浸潤線未發(fā)現(xiàn)異常；壩基滲透坡降均在允許范圍之內(nèi)，壩基滲流性態(tài)正常；繞壩滲流正常；主壩下游量水堰水質(zhì)清澈，未發(fā)現(xiàn)增大趨勢。綜合分析，現(xiàn)狀下大壩滲流運(yùn)行性態(tài)正常，大壩滲流安全級別為A級。

4.2 變形安全分析

除壩頂MA4測點(diǎn)豎向位移沉降率超過經(jīng)驗(yàn)允許值外，大壩各斷面的豎向位移最大沉降率均小于1%，各監(jiān)測點(diǎn)豎向位移已經(jīng)趨于穩(wěn)定；水平位移最大值為111mm，小于允許值；心墻頂部應(yīng)變監(jiān)測資料未發(fā)現(xiàn)異常。現(xiàn)狀下大壩變形基本正常，大壩變形安全級別為B級。

4.3 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析

按有關(guān)技術(shù)規(guī)范要求，利用實(shí)時監(jiān)測資料，在各種工況下，大壩壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，表明現(xiàn)狀下大壩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定滿足是安全的。按有關(guān)規(guī)范要求，大壩下游坡的抗滑穩(wěn)定安全裕度不足。大壩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定級別為B級。

4.4 抗震穩(wěn)定分析

按有關(guān)技術(shù)規(guī)范要求，利用實(shí)時監(jiān)測資料，在各種工況下，大壩抗震穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，表明現(xiàn)狀下大壩抗震穩(wěn)定是安全的。大壩抗震穩(wěn)定級別為A級。

4.5 現(xiàn)場檢查

經(jīng)現(xiàn)場檢查，目前未發(fā)現(xiàn)明顯異常，安全級別為A級。

5 自動化監(jiān)測系統(tǒng)性能穩(wěn)定性評價(jià)

2004年4月，山美水庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)開始進(jìn)行研制開發(fā)及現(xiàn)場實(shí)施，2005年3月底進(jìn)行試運(yùn)行。實(shí)際應(yīng)用情況證明：該系統(tǒng)功能實(shí)用，技術(shù)先進(jìn)，性能可靠，結(jié)構(gòu)開放，正常情況下系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、傳輸均能做到準(zhǔn)確、可靠和及時，設(shè)備運(yùn)行比較正常，實(shí)現(xiàn)了大壩安全數(shù)據(jù)采集的自動化、數(shù)據(jù)處理的模型化、分析評判的智能化和輸出成果的可視化。但在大風(fēng)、暴雨、雷電等惡劣天氣條件下，該系統(tǒng)自動化設(shè)備會出現(xiàn)故障，有時甚至發(fā)生觀測數(shù)據(jù)中斷等情況，說明系統(tǒng)穩(wěn)定性方面存在不足。

6 自動化監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用意義探討

在總結(jié)國內(nèi)外水庫大壩安全監(jiān)控理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合山美水庫大壩運(yùn)行現(xiàn)狀和專家經(jīng)驗(yàn)，山美水庫安裝的大壩自動化監(jiān)測系統(tǒng)提出了山美水庫大壩安全評價(jià)判別體系和監(jiān)控指標(biāo)框架，為山美水庫大壩安全監(jiān)控與預(yù)警提供了技術(shù)保障；通過對山美水庫大壩設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行及監(jiān)測資料的分析，進(jìn)行了大壩安全監(jiān)測方案的研究，該系統(tǒng)的運(yùn)用為山美水庫大壩安全監(jiān)測與監(jiān)控提供了關(guān)鍵的基礎(chǔ)條件；根據(jù)山美水庫安全監(jiān)測和監(jiān)控技術(shù)的研究成果分析，該系統(tǒng)為山美水庫大壩安全監(jiān)控與預(yù)警提供了信息平臺；利用大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動監(jiān)測數(shù)據(jù)、人工觀測數(shù)據(jù)，以及巡視檢查記錄和設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行及試驗(yàn)資料，采用合理的數(shù)學(xué)模型和評判準(zhǔn)則，開發(fā)了山美水庫大壩安全分析評價(jià)系統(tǒng)，實(shí)時在線綜合分析大壩安全運(yùn)行性態(tài)，評定大壩安全類別，對大壩安全隱患進(jìn)行預(yù)警，為山美水庫大壩安全監(jiān)控與預(yù)警提供了應(yīng)用平臺；采用三維GIS及三維技術(shù)，在建立三維模型的基礎(chǔ)上，采用專業(yè)模型進(jìn)行分析計(jì)算，實(shí)時展現(xiàn)了水庫樞紐概況和水庫大壩安全監(jiān)測信息與成果,提高了水庫大壩場景與水庫安全分析技術(shù)的三維可視化水平；山美水庫大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時動態(tài)綜合分析大壩安全運(yùn)行性態(tài)，為水庫運(yùn)行調(diào)度、水資源優(yōu)化配置發(fā)揮了重要作用，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。