大壩自動化監測系統在土石壩中的應用探究

【摘要】筆者依據實際工作經驗及相關文獻資料的記載，對土石壩自動化監測系統的應用意義及設計進行分析，希望可以在以后工作中對監測系統自動化的升級優化、監測點的分類分級、提高自動化監測效率和實時監控起到一定借鑒作用，最終為水庫的科學運行管理水平作出一定貢獻。

【關鍵詞】大壩；自動化監測系統；土石壩

1、問題研究背景及意義

水庫大壩是水利工程領域當中十分重要的擋水型建筑物，是水庫的核心內容，自從建國以來，我國興建的15m以上的大壩超過1.8萬座，大部分是土石壩，因為當時設計水平十分低下，施工質量十分低下，運行年齡一般情況下比較長，因此很多土石壩都會帶有一定程度的安全隱患問題，甚至會發展成病險水庫，也有可能發生壩體垮塌問題，從而會對下游人民的生命財產安全造成一定負面影響，也會在當地社會經濟發展過程中，造成一定負面影響。因此土石壩自動化安全監測系統會顯得十分重要，可以在保證大壩運行安全性及穩定性的過程中，發揮出來十分重要的作用，為了可以讓水庫管理水平得到一定程度提升，并讓水庫在實際運行的過程中，創造出來更多的社會經濟效益，筆者依據針對大壩自動化監測系統進行分析，以便于可以在土石壩實際運行的過程中，完成在線動態監測工作，及時發現土石壩實際運行過程中的問題，并完成相應的預警工作。

2、土石壩自動化監測工作的復雜性分析

2.1監測范圍

土石壩安全監測范圍包含壩體、壩基以及會對大壩安全造成影響的近壩地區，甚至包含和大壩安全有關系的建筑物及設備。大壩安全監測時間應當將設計階段作為出發點一直到運行管理階段，監測內容包含的是壩體具體構成結構、地質實際情況，輔助型機電設備及具備泄洪能力的建筑物。大壩安全監測可以發揮出來審核設計、優化調整施工設計方案以及評價大壩安全性的作用，重點在于對大壩的安全性進行評價，因為會對大壩安全性造成影響的因素有很多，并且監測工作的時間跨度比較大，因此土石壩安全監測工作的復雜性非常強。

2.2大壩安全評價

大壩安全評價，在監測系統的客戶端口當中，依據監測數據針對土石壩的安全性進行評價，這一項工作之所以比較復雜，是因為土石壩結構、材料以及邊界條件受到物理力學因素的影響，滲流場和應力場之間也會出現一定耦合問題，從而會對監測數據精準性造成一定影響。針對土石壩的破壞模式以及破壞機理展開的研究工作不是十分深入，材料的蠕變以及突變特性有待深入研究。土石壩觀測資料不單單和壩型、材料以及荷載之間有一定相互關系，也有關于施工進度、方法以及運行管理等因素。監測系統安全評價功能模塊設計工作進行的過程中，應當充分的考慮到上文中所說的這些因素。

3、系統設計

構建將物聯網技術作為基礎內容的土石壩安全監測自動化系統，充分的感知各個會對大壩安全性造成影響的因素，而后將其傳輸到大壩安全監控中心當中，系統是由三層網絡構成。底層結構是感知層，也就是ZigBee無線傳感網絡層；中間是網絡層，也就是WIFI網絡傳輸層；上層是應用層，也就是大壩安全監控中心。

底部感知層，物聯網的感知層一般情況下由傳感器信號采集、協同處理以及智能組網模塊構成，本系統當中應用到的ZIgBee傳感器網絡，是由三種類型的節點構成，ZIgBe傳感器終端節點、ZIgBe路由器節點以及ZIgBe網絡協調器節點，各個節點之間應用ZIgBe協議完成通信工作。傳感器終端節點放置在大壩監測區域當中，其中包含變形監測、溫度監測以及水位監測等內容；各個路由器節點之間應用ZIgBe協議完成通信，通過無線多跳自組織網絡完成數據傳輸工作，承擔起來的是傳感器節點的數據接收以及數據轉發工作，最終再將數據匯集到協調器當中；網絡協調器節點當中包含的是ZIgBe無線模塊以及GPRS通訊模塊，也是整個網絡系統當中的中線節點，承擔起來的是網絡構建、維持以及管理等工作。將ZIgBe作為基礎的無線傳感器網絡層，是由部署在大壩監測區域當中傳感器節點構成的ZIgBe無線監測網絡，用星型或者網型拓撲構成實時監測系統，對各個目標的信息進行感知，也可以通過ZIgBe網絡將大壩檢測數據傳輸到網絡路由器節點以及網絡協調器節點當中，再將數據從網絡協調器節點傳輸到GPRS網絡當中。

中間網絡層。ZIgBe無線傳感器網絡層當中采集到的大壩安全監測數據，可以通過ZIgBe無線路由器節點網絡上傳到ZIgBe無線協調器節點網絡當中，通過wifi遠程數據通訊系統和internet完成無線連接工作，從而也就可以讓監測數據從傳感器位置傳輸待數據監測中心當中。

應用層是由計算機硬件和軟件構成。在系統當中使用Browser/Server結構，將VB6.0作為開發憑條，以便于可以將監測中心當中需要使用到的數據分析及處理軟件研發出來，從各個網關節點當中獲取相應的監測信息，妥善完成大壩監測數據解析工作，逐步讓采集與監測工作向著智能化和網絡化的方向轉變。

系統硬件電路設計工作進行的過程中，一般情況下涉及到的工作是傳感器節點、路由器節點以及協調器節點硬件電路設計工作，在本系統當中，應用到的是將無線接收器和控制器集成在一起的CC2530單芯片設計方案。CC2530內嵌的8051具備256KB可編程flash和8kbRAM，主頻最高可以達到32MHz，在接收以及發射模式之下，電流損耗分別是24mA以及29mA。在休眠模式之下，電流損耗僅僅是微安級別而已，僅僅使用及時微秒的時間，就可以芯片從休眠模式轉入到正常運行模式當中，在對電池長期供電提出比較高要求的領域當中，適用性非常強。總而言之，土石壩自動監測系統實際應用的過程中，需要將運行現場實際情況作為依據，選擇適應性比較強的設計方案，以便于可以讓自動監測系統的運行安全性及穩定性得到一定保證。

參考文獻：

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