水庫大壩安全監(jiān)測自動化技術(shù)在水庫設(shè)備安全中的應(yīng)用研究

周柯宇

(中國水利水電第七工程局有限公司試驗檢測研究院,四川 成都 611730)

水庫大壩安全監(jiān)測自動化技術(shù)在水庫設(shè)備安全中的應(yīng)用研究

周柯宇

(中國水利水電第七工程局有限公司試驗檢測研究院,四川 成都 611730)

簡單講述了水庫大壩安全監(jiān)測的重要作用,分析了目前大壩監(jiān)測自動化技術(shù)現(xiàn)狀,并以某水庫大壩為例,分析水庫大壩安全監(jiān)測自動化技術(shù)在水庫安全中的應(yīng)用.

水庫大壩安全監(jiān)測;自動化技術(shù);現(xiàn)狀;應(yīng)用

水庫是我國廣泛采用的水利工程之一,一般的解釋為調(diào)節(jié)水流和攔洪蓄水的水利建筑物,可以用來蓄水、灌溉、發(fā)電、防洪和養(yǎng)魚.水庫是在山溝或河流的狹口處建造攔河壩形成的人工湖泊,有時天然湖泊也稱為水庫(天然水庫).大壩是水庫的主要建筑構(gòu)件之一,做好大壩的管理有助于保證水庫的安全性,提高水庫收益.自動化技術(shù)是一門綜合性的技術(shù),與信息學(xué)、系統(tǒng)工程學(xué)、計算機技術(shù)、電子學(xué)、自動控制等都有著密切關(guān)系,核心技術(shù)就是自動控制和計算機技術(shù).目前很多地區(qū)的水庫大壩都在應(yīng)用自動化技術(shù)進行安全監(jiān)測,具有良好的效果.

1 水庫大壩安全監(jiān)測的重要作用

對大壩進行安全監(jiān)測是保證大壩安全運行的前提,安全監(jiān)測內(nèi)容包括混凝土大壩、地下水、邊坡等,目的是實時了解大壩建筑的使用情況、壩身防滲體有無裂縫、地下水的浸潤情況、輸電線路運行情況以及大壩周圍邊坡的情況等,以便于隨時了解大壩運行的情況,及時發(fā)現(xiàn)問題,并采取解決措施,以免問題嚴重性擴大,影響水庫的安全運行.發(fā)生洪水期間對大壩的安全監(jiān)測還可以用來控制蓄洪和泄洪的速度,特別是對已建造好多年的水庫大壩來說,進行大壩的安全監(jiān)測大大提高了大壩對洪水的應(yīng)對能力,增加了其在洪水期間的運行效率和安全性,有效降低洪澇帶來的損失.還有日常對大壩的安全監(jiān)測還可以有目的的進行調(diào)水,確保下游農(nóng)業(yè)的發(fā)展有足夠的水源,提高對干旱天氣的應(yīng)對能力.另外,利用安全檢測收集到的數(shù)據(jù)制定科學(xué)合理的大壩維護方案,可以有效延長大壩的使用壽命.

2 大壩安全監(jiān)測自動化技術(shù)現(xiàn)狀分析

上個世紀60年代開始,逐漸有建造久遠的大壩出現(xiàn)問題,造成損失,因此,人們更加意識到大壩安全監(jiān)測的重要性.傳統(tǒng)的大壩安全監(jiān)測從一開始的人工巡查到攝像頭監(jiān)測和人工巡查結(jié)合,逐漸朝向高科技化發(fā)展,而科學(xué)技術(shù)的快速進步,為大壩安全監(jiān)測的自動化提供了有利條件.我國從80年代起開始引進、學(xué)習(xí)和應(yīng)用大壩安全監(jiān)測自動化技術(shù),直至現(xiàn)在,大壩安全監(jiān)測自動化技術(shù)已趨成熟,并且由國家聯(lián)合相關(guān)行業(yè)頒布了大壩安全監(jiān)測有關(guān)的技術(shù)標準,如《大壩安全監(jiān)測自動化技術(shù)規(guī)范》等.

2.1 大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)

大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)具有監(jiān)測范圍比較廣,監(jiān)測項目比較多,監(jiān)測環(huán)境一般比較惡劣,測點分布范圍十分廣泛而且分布不均勻等特點.在設(shè)計時根據(jù)水庫大壩的實際情況和主要的作用方面進行系統(tǒng)的設(shè)計,設(shè)計要遵循實時、實用、先進、可靠、標準、通用等原則,并且留有一定的可擴展空間.在設(shè)備上選擇科學(xué)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,先進軟件的接口以及網(wǎng)絡(luò)軟件技術(shù),特別是電腦智能化的發(fā)展,要讓設(shè)備跟上形勢,實時快速的進行數(shù)據(jù)傳輸和分析;因為監(jiān)測需要在斷電的情況下也能保存數(shù)據(jù),這就要求系統(tǒng)有高水平的備份和運行日志.對收集資料的整理首先要將實際問題解決掉.系統(tǒng)要嚴格按照標準建設(shè)、擴充和連接.

2.2 自動化監(jiān)測技術(shù)的內(nèi)容

監(jiān)測信息采集的主要內(nèi)容包括對大壩的變形監(jiān)測和滲流監(jiān)測,前者是監(jiān)測大壩的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),利用自動化檢測技術(shù)確保其沒有出現(xiàn)變形的情況;主要針對水平和垂直面進行監(jiān)測,監(jiān)測大壩是否存在位移現(xiàn)象;對混凝土大壩的監(jiān)測一般設(shè)置多個測點;主要針對重要性較大的大壩和高壩;對土石大壩需要在壩頂設(shè)置水平檢測點,并間隔固定距離設(shè)置連續(xù)的測點.后者是監(jiān)測滲透壓力和滲流量,是大壩安全監(jiān)測的重點,尤其是對洪澇多發(fā)的地區(qū),要做到全天候的監(jiān)測;對混凝土大壩一般是在基礎(chǔ)廊道設(shè)置壓力監(jiān)測孔,在壩體不同地段設(shè)置多個測點,滲流量的監(jiān)測需要結(jié)合水庫排水溝的實際情況進行,并且劃分區(qū)域監(jiān)測,最終計算總滲流量;對土石壩的監(jiān)測是在壩底的集水區(qū)設(shè)置測點,并在大壩左右兩側(cè)安裝地下水測點,實時監(jiān)測地下水的水位變化,從而計算滲流量.

2.3 自動化監(jiān)測技術(shù)的主要構(gòu)成

目前使用的大壩安全自動化監(jiān)測技術(shù)主要包括水平和垂直位移傳感器、地下水位監(jiān)測裝置、中央控制裝置等.水平位移傳感器目前有2種,垂線和引線,主要工作方式是電機式和電容式,電機式監(jiān)測速度較慢但不挑環(huán)境,可靠性強;電容式監(jiān)測速度快,對工作環(huán)境要求嚴格,線路過長還容易發(fā)生偏離.近幾年出現(xiàn)了激光垂直監(jiān)測,效果較好但成本過高;還有高精度的自動化掃描儀,可實現(xiàn)對大壩的實時監(jiān)測,但成本高,技術(shù)操作要求高.地下水的監(jiān)測使用較多的是弦式滲壓計,持久耐用、穩(wěn)定性高,缺點是容易受大氣壓的影響使得結(jié)果不夠準確.中央控制設(shè)備主要是計算機、后備電源、顯示裝置等,隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展逐漸形成監(jiān)測局域網(wǎng)形式的監(jiān)測系統(tǒng),具有適應(yīng)性強、穩(wěn)定性高、可靠性強的特點,成本也比較低,目前應(yīng)用比較廣泛.

3 水庫大壩安全監(jiān)測自動化技術(shù)在水庫安全中的應(yīng)用

以四川某水電站為例講述水庫大壩安全監(jiān)測自動化技術(shù)的具體應(yīng)用.四川某水庫水電站采用混合式開發(fā),水庫正常蓄水位398m,庫容6330萬m3,設(shè)計引用流量2640.9m3/s,電站裝機容量772MW,多年平均發(fā)電量33.03億kW.h.水電站主要由非溢流壩、泄洪沖砂閘、左岸副壩、右岸太平副壩、電站主廠房、尾水渠、船閘等建筑物組成.

3.1 自動化監(jiān)測系統(tǒng)

(1)廠房監(jiān)測系統(tǒng):包括在廠房高程338觀測廊道內(nèi)布置了變形監(jiān)測的監(jiān)測裝備和測點,用于基礎(chǔ)的沉降和變形觀測及結(jié)構(gòu)縫觀測;在廠房4#機壩縱附近布置滲流監(jiān)測斷面,用4支弦式滲壓計觀測滲流;在廠房4#機蝸殼周邊布置了16支鋼筋計用來觀測鋼筋的應(yīng)力變化情況;在4#機軸線方向布置了4組應(yīng)變計用來觀測混凝土的應(yīng)變情況;在4#機進口布置了一個溫度監(jiān)測斷面,用來觀測4#機進口混凝土溫度變化情況.

(2)安裝間監(jiān)測系統(tǒng):包括在壩縱0+460.50布置了一個滲流監(jiān)測斷面,利用滲壓計對檢修集水井和滲透集水井進行滲透壓力觀測;在滲漏集水井和檢修集水井分別布置了兩個鋼筋應(yīng)力監(jiān)測斷面,共18支鋼筋計.

(3)泄洪沖砂閘監(jiān)測系統(tǒng):在泄洪沖沙閘布置了兩個滲流監(jiān)測斷面,壩縱0+226.55(5#閘墩)和壩縱0+127.25(14號閘墩),每個斷面布置了4支滲壓計,用來監(jiān)測壩基滲透壓力;在壩橫0+004.5一線布置了7孔測壓管,用來監(jiān)測防滲墻后的滲透壓力;在泄洪沖沙閘布置了兩個應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測斷面,壩縱0+226.55(5#閘墩)和壩縱0+127.25(14號閘墩),每個斷面布置了12支鋼筋計,用來監(jiān)測閘墩的鋼筋應(yīng)力變化情況;布置了2套7向應(yīng)變計組,用來監(jiān)測閘墩混凝土的應(yīng)變情況.

3.2 自動化檢測系統(tǒng)的組成

監(jiān)測系統(tǒng)主要由監(jiān)控中心站和各部位監(jiān)測站組成.本工程計劃布設(shè)一個監(jiān)控中心站、4個監(jiān)測站,監(jiān)控中心站布設(shè)在中控室內(nèi),4個監(jiān)測站布設(shè)于廠房觀測廊道、安裝間觀測廊道、泄洪沖沙閘5#閘墩、泄洪沖沙閘14#閘墩,其間采用光纜通訊,并采用220V永久電源供電.

3.3 自動化監(jiān)測系統(tǒng)的必要性

本電站現(xiàn)有的監(jiān)測項目都是以人工觀測為主,觀測勞動強度大,且受人為因素的影響較大,觀測數(shù)據(jù)實時性、可靠性和穩(wěn)定性差,無法及時反映水工建筑物變化情況,特別在遇到大壩性態(tài)異常或洪水、地震等異常情況時,不能實施動態(tài)監(jiān)測.因此針對電站目前安全監(jiān)測設(shè)施的運行情況,對大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)進行完善,將部分關(guān)鍵監(jiān)測項目實施自動化監(jiān)測.這是行業(yè)發(fā)展的要求,也是電站實際生產(chǎn)和管理工作的要求,更是安全監(jiān)測自動化技術(shù)發(fā)展的趨勢,是大壩安全信息化建設(shè)必不可少的部分.

3.4 自動化監(jiān)測系統(tǒng)帶來的效益

首先,本電站使用的自動化監(jiān)測系統(tǒng)比同等的系統(tǒng)成本減少了200萬元,系統(tǒng)將實現(xiàn)大壩安全監(jiān)測自動化,該系統(tǒng)可以在10年內(nèi)保持國內(nèi)技術(shù)領(lǐng)先水平.其次,系統(tǒng)可以在雷雨、狂風(fēng)、烈日、大霧等各種惡劣天氣下保證高頻次數(shù)據(jù)采集與分析,監(jiān)控水工建筑物運行安全.另外,高頻次、高質(zhì)量的測量數(shù)據(jù)讓大壩順利通過安全鑒定、注冊及定檢,確保電站順利蓄水發(fā)電,產(chǎn)生巨大的間接經(jīng)濟效益.最后,該系統(tǒng)能夠監(jiān)控水工建筑物安全運行,保障電站及下游居民的生命財產(chǎn)安全;降低了工作人員的勞動強度,也保證工作安全;系統(tǒng)全自動采集數(shù)據(jù)和處理監(jiān)測數(shù)據(jù),降低了工作人員的勞動強度,杜絕人工輸入數(shù)據(jù)所產(chǎn)生的人為誤差,而且監(jiān)測數(shù)據(jù)處理后自動傳輸至大壩中心,保證大壩中心隨時掌控大壩安全運行狀態(tài),能直接、快速的對大壩安全問題進行診斷.

4 結(jié)語

本文重點分析了水庫大壩安全監(jiān)測自動化技術(shù)在水庫安全中的應(yīng)用,為后期大壩的建設(shè)和安全運行提供科學(xué)依據(jù),促進水庫大壩的安全高效運作.

[1]卓亞.艾則孜.自動化技術(shù)在水庫大壩安全管理中的應(yīng)用研究[J].科技與企業(yè),2014,(14):69.

[2]瑪依努爾.托乎提.水庫大壩安全監(jiān)測自動化技術(shù)研究[J].中小企業(yè)管理與科技(中旬刊),2017,(02):166-167.

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