無線監測系統在瀘定水電站灌漿施工中的應用

羅 熠，張劍飛，胡俊義

（1.長江科學院儀器及自動化所，湖北 武漢 430010；2.四川華電瀘定水電有限公司，四川 瀘定 626100）

0 引言

水電工程灌漿過程中，灌漿壓力過大，會給巖層或者建筑物的結構造成破壞性的影響；而壓力過小通常會使灌漿達不到想要的效果。同時為了對工程的工作量和資源進行有效的控制，必須使用灌漿記錄儀來記錄、顯示和打印灌漿過程的壓力、流量、比重、抬動等信息。

由于在灌漿施工過程中傳統灌漿記錄儀工作點相對孤立、分散，而且在一個施工面之中往往有多臺灌漿記錄儀同時運行。因此當設備出現異常情況時，工作人員通常不易立即察覺，處理異常事件的效率不高，在一定程度上影響了工程的進度。這就迫切需要可靠、集中的監測系統對灌漿過程進行實時監控，以提高施工效率，方便管理。

無線傳感器網絡監測技術在檢測準確度和監測靈活等方面都具有很大的優勢，它具有靈活、流動等優點，省去了花在綜合布線上的費用和精力。通過自適應的組網和無線通信技術，使得所有灌漿記錄儀之間通過分布式協作實現統計采樣、數據融合、查詢式監控、短信預警和動態功能升級等先進的監控功能。

1 無線監測系統的原理與特點

無線監測系統是根據水電站灌漿施工現場的實際情況設計的一套完整的灌漿監測系統，主要由3部分構成：GJY-7型記錄儀作為數據采集發送終端，主要負責控制命令傳送和數據采集；網絡協調器和無線路由器作為現場控制中心主要負責從1個或者多個記錄儀上進行數據收集并緩存；中央服務器作為遠程控制中心通過GPRS網絡與各個現場控制中心建立通訊。

1.1 基本原理

無線監測系統充分運用了網絡通信技術、電子測量技術、嵌入式計算機技術、組態軟件技術、全觸摸屏技術、遠程控制及自動化技術等高新技術手段，以 《水工建筑物水泥灌漿施工技術規范》、 《灌漿記錄儀技術導則》為理論指導，對灌漿過程進行監測與反饋處理。以中央服務器和網絡協調器為核心，以無線路由器為骨干單元，以施工面內每臺GJY-7型無線網絡灌漿自動記錄儀為數據采集發送終端，通過特定的通信模式自組織為無線網絡，覆蓋整個施工面。

在帷幕灌漿廊道中，無線監測系統具體設置如下：GJY-7型灌漿記錄儀內的終端節點模塊設置為網絡端點，它是數據的形成和發送者；無線路由節點模塊設置為無線路由器，它的主要作用是從每個網絡端點接收數據，繼而向網絡協調器轉發數據，增加無線路由器的個數，即可擴大無線網絡覆蓋范圍；無線通信協調者節點模塊被設置為網絡協調器，它是無線網絡的啟動者和維護者；GPRS模塊設置為信號發射器，將網絡協調器上的數據通過GSM網（或3G網）上傳中央服務器上。用戶登陸中央服務器即可進行遠程監控。

1.2 系統特點

無線監測系統具有以下特點：

（1）通信頻段高，抗通信干擾能力強，點對點直線無障礙條件下的理想通信距離可達1 000 m。

（2）以多跳路由模式傳輸數據，使無線傳感器網絡的覆蓋面大大增加，將數據通信的可靠性提升到新量級。

（3）網絡節點255個，通過無線網關可以擴展到6 500多個節點。

（4）節點具備隨機自動組網以及加入、退出網絡功能，完全滿足灌漿記錄儀應用環境的需要。

（5）無需建立無線通信機站，沒有通信費用，在任何施工廊道內無通信死區。

（6）用戶可以在互聯網上登陸在線管理系統，實時監視灌漿過程數據，并進行后續數據處理。

（7）對于不同層級的用戶，系統可以根據各方面不同的職責設置不同的用戶權限，對服務器上的數據實施不同程度的管理。

（8）具有最新的手機短信異常預警功能。

2 實際應用

四川省大渡河流域瀘定水電站壩址區河谷覆蓋層深厚，層次結構復雜，一般為120～130 m，最大厚度148.6 m。土體多具中等強透水性，存在滲漏及抗滲穩定性問題。因為在較開闊的河谷、高地震烈度區、深厚不均勻覆蓋層上建造高土石壩的復雜性，壩基防滲處理成為大壩工程設防的重點和難點，且大部分灌漿孔段深度超過百米級對灌漿壓力的控制要求較高。瀘定水電站在壩基河床段基巖及覆蓋層帷幕灌漿施工過程中，采用了長江科學院儀器所自主研發的基于GJY-7型網絡灌漿自動記錄儀的無線監測系統。該系統能進行互聯網在線監測，具備最新的手機短信異常預警功能，為業主、監理和施工方對灌漿過程的監管提供了有效手段，是確保大壩帷幕灌漿質量的可靠保證之一。

2.1 帷幕灌漿廊道無線組網

河床段基巖及覆蓋層帷幕灌漿廊道水平段長約500 m，斜坡段長約200 m，交通洞長約300 m。設置GJY-7型一拖二無線網絡灌漿記錄儀主設備工作點12個，流量傳感器48套、比重傳感器和壓力傳感器各24套。在距襯砌廊道口70 m處裝設了1個無線網絡協調節點模塊，之后每間隔200 m裝置1個無線路由節點模塊 （共2個），在交通洞洞口裝設1個GPRS無線發射節點模塊。自2010年12月底組網成功之后，一直運行正常。所有無線模塊的電源均來自廊道內部的220 V交流照明電路，模塊具備超低功耗的特點，且散熱功能強大，還含有備用電源線路，可保持至少1年內不間斷使用。

2.2 針對瀘定水電站特殊情況的功能升級

在壩基帷幕灌漿孔中，多數孔深達100 m以上。業主、監理、施工對灌漿壓力控制高度重視，要求在灌漿過程中記錄儀能夠顯示全壓力便于控制，并且反應在打印報表中；要求打印報表表頭具備與瀘定水電站特點匹配的項目信息。在短時間內，研發人員針對這兩點要求進行了軟件升級，取得了良好的效果。

由于瀘定縣電網穩定性不理想，非計劃停電次數頻繁，電壓波動范圍較大，對此研發人員設置了掉電數據保護措施，來電后依然可以承接停電時數據繼續運行，傳統記錄儀由于停電時間很短導致數據丟失后掃孔重灌的情況被徹底避免；對于電源部分，專門設計了寬幅穩壓電路。

2.3 灌漿網絡管理信息系統簡介

灌漿網絡管理信息系統結合無線傳感器網絡技術、面向對象的數據庫系統編程技術，將灌漿施工過程中采集的數據通過無線網絡收集、傳輸和入庫，進行統一、有效的管理， 建立b/s結構的網絡體系，方便用戶可以隨時、隨地實時監測工程灌漿施工的進度及質量，為后方的決策支持提供數據和圖表支持。

主要功能介紹：①能夠實時瀏覽、查詢現場灌漿施工數據，了解現場設備使用情況；②能夠查詢任意施工單位、工程部位、設備號、灌漿孔號、段號，任意時間段的各類灌漿參數；③能夠生成灌漿施工記錄表、灌漿成果表、施工示意圖等灌漿規范要求的圖表；④提供短信預警功能，對灌漿施工過程中出現的參數異常將進行短信預警，第一時間了解現場各類異常情況。

2.4 應用效果

無線監測系統使業主和監理實現了一站式管理，大大節約了施工成本。用戶只需通過登陸互聯網上的遠程監控中心網頁即可對施工過程實時監控。當某臺記錄儀出現異常時，中央服務器會即刻發送預警簡訊到預先設定的手機號碼，這時監管人員和專門技術人員立即進入施工廊道內就能準確找到出現異常原因，并及時處理事故，使灌漿施工順利進行。

根據實際監測效果來看，本系統故障率較低，異常現象較少，售后服務人員對異常的處理迅速，總體效果較好。

3 結語

本無線監測系統憑借先進的綜合高新技術手段，結合灌漿過程監測的實際需要，設計出能夠代表國內先進水平的，具有信息化、圖形化、網絡化的無線網絡智能灌漿監測平臺。系統在瀘定水電站大壩帷幕灌漿工程中的成功應用，預示著灌漿施工的管理將從分散的監管模式，向互聯網在線同步集中管控模式邁進。

隨著3G網絡的成熟與實施，可以考慮將數據通信從GPRS上轉換成3G通信，從而得到更高的傳輸速率和帶寬，使系統的監控能力得到進一步提高。

［1］ 羅熠，于軍.基于無線傳感器網絡的灌漿參數監測系統［J］.長江科學院院報， 2010（12）:87-90.

［2］ 杜小文.面向大壩安全監測的無線傳感器網絡的設計［D］.大連：大連理工大學，2009.

［3］ 周宇.基于ARM的灌漿監測系統的實現［D］.湘潭：湖南科技大學,2007.