水庫大壩安全監測自動化系統的應用

黃振敏

（梨樹縣水利工程質量服務中心 吉林省四平市 136500）

大壩是水庫的關鍵水工建筑物之一，包括混凝土壩、土工壩兩種類別，后者占水庫總數的百分之九十以上。因土工壩為散粒體結構，分析難度大，無法及時獲取壩體滲流、壩基滲透壓力等參數，對水庫大壩安全監測提出了較大難題。而通過將自動化系統應用于水庫大壩安全監測，可以有效解決上述問題。基于此，對水庫大壩安全監測自動化系統的應用進行適當分析具有非常重要的意義。

1 水庫大壩安全監測自動化系統的應用背景

如圖1所示，一座大（2）型多年調節水庫，總庫容為4.15×108m3，為當地控制性樞紐工程，位于干流上，干流全長101.2km，流域面積3265.21km2。水庫大壩為均質土壩，全長2356.21m，壩頂相對高程21.3m，寬6.58m，防浪墻高1.18m。其中主壩位于右岸，全長796.21m，最大高度21.36m；副壩位于左岸，全長1563.21m，最大壩高度16.23m。

大壩于1996年實施了全面加固改建，改建后的水庫大壩安全監測系統所應用的自動化設備為ROCTEST 監測設備+2380 數據采集系統+專業作圖軟件，可以在獨立MCU（測控單元）中存儲監測數據，主機則可應用數據采集系統將監測數據傳輸到計算機中進行分析。安全監測包括變形監測、滲流監測兩個主要部分，前者包括表面豎向位移觀測、體內分層水平位移觀測、傾斜檢測、裂縫檢測、撓度檢測等；后者包括大壩壩基滲壓觀測、土壩壩體浸潤線觀測、大壩壩體滲流量觀測等[1]。除此之外，還包括上下游庫水位、水溫、降雨量、氣壓、氣溫等數值監測。

2 水庫大壩安全監測自動化系統的應用過程

2.1 變形監測

2.1.1 監測系統

水庫大壩變形監測系統包括壩體傾斜監測、壩體裂縫監測、撓度監測、水平位移監測幾個功能模塊。其中壩體傾斜監測主要采用靜力水準儀，壩體裂縫監測則依靠測縫針運行，撓度觀測主要通過雙向垂線坐標儀，配合六臺單向垂線坐標儀（即兩組正垂線+三條倒錘線），對壩體垂直度上不同高程測點、倒錘線之間水平位置變化進行不間斷監測[2]。

水庫大壩水平位移檢測主要通過四條不銹鋼鋼絲制作的引張線（兩條位于大壩基礎廊道，兩條位于主壩壩頂）、一臺變位機、二十二臺垂線坐標，定期測量大壩在水平方向的位置移動與否（一般規定大壩向上游方向移動為負）。其中主壩壩頂引張線主要由二十多臺單向引張線構成，因壩體較長，主要是在壩頂將一條引張線劃分為兩條，經單向引張線儀組成其中一條引張線。配合位于大壩右側倒垂線儀、量距儀進行觀測。同理，可以進行大壩左岸觀測。而在大壩廊道內分別與土壩廊道內、混凝土壩段灌漿廊道內具有一條引張線，分別由四臺、十六臺引張線儀組成，可以由雙向垂線儀器、倒錘線儀器控制觀測。全部引張線儀器均為基于比率測量技術的電容感應式變形測量儀器，可以通過中間極、位于測點儀器底板的極板測定各點垂直于偏離基準線變化量，計算獲得各點水平位移變化量。

圖1：水庫大壩

圖2：水庫大壩安全監測自動化系統結構

2.1.2 運行原理

水庫大壩安全變形監測自動化系統包括數據采集單元、通訊網絡、信息管理軟件、計算機工作組、傳感器幾個功能模塊。其中數據采集單元可以采集傳感器監測數據，經通訊網絡傳輸給計算機工作組，也可以隨時經信息管理軟件處理。每一數據采集單元均包括多個類型各異的智能采集模塊、電源部件、通信模塊及浮充蓄電池供電、防雷、防潮部件，具有獨立數據通信、時鐘、分布控制、數據存儲功能[3]。傳感器主要安裝在大壩監測部位，經四目單模光纜、兩芯220V 電源線連接的RS-485 現場總線通信，具體系統結構如圖2所示。

在實際運行過程中，水庫大壩安全變形測量主要是利用差分功能算法，在不測量氣象元素的情況下，構建一個依托于基準網的簡單模型，實時、自動開展距離的大氣折射率差分改正。由于水庫大壩測點、基準點均設置在穩定位置，可以看做測點、基準點間距離一定。此時，設定測點、基準點斜距已知，在變形監測過程中某一時刻測得的斜距與已知數值之間的差異就可以看做是由氣象條件變化誘發[4]。此時，可以在計算機工作組調取區域差分氣象參數，為水庫大壩變形控制提供數據參考。

2.1.3 應用過程

在運行歷程中，水庫大壩體裂縫監測最大傾角為0°0′26″，壩頂、土壩、混凝土壩廊道水平位移最大值分別為8.13mm、1.11mm、1.11mm。而壩體裂縫監測僅有一處測值年變化幅度較大，但最大變化量小于3.0mm，其余變化量均小于1.0mm。總的來說，受水庫水溫、水位及地形因素影響，裂縫無較大發展。

2.2 滲流監測

2.2.1 監測系統

水庫大壩滲流監測自動化系統包括一副壩浸潤線監測、大壩左岸繞壩滲流監測、壩基揚壓力監測、大壩右岸繞壩滲流監測、壩體滲流量監測、二副壩滲流監測幾個部分組成，除壩體滲流量監測采用超聲波水位計外，其余均采用電熱法測量。

2.2.2 應用原理

水庫大壩滲流監測自動化系統無法直接進行滲流參數測量，主要是通過測量滲流發生位置的溫度變化，反演滲流參數。常用的介質溫度測量方法為電熱法、梯度法，均是依據熱傳導能量方程開展。熱傳導能量方程為：

上述式子中，t 為介質溫度，cw、ρw分別為水比熱容、水密度；τ、x 分別為時間、距離；v 為滲流速度，λ、C 分別為導熱系數、介質比熱容；ρ、qv 分別為介質密度、內熱源強度。

在使用電熱法是時，qv 為外接電源所產生熱量，在光纖、周圍傳熱一定時溫度場較為穩定，可以通過大密度、高硬度測溫光纜+光纖不銹鋼套管組成抗高壓結構，在整平層上鋪設，配合預留在壩頂電纜溝內的通訊光纜以及纏繞測量光纜的加熱裝置（可調節電壓的直流加熱電源、加熱導線），進行滲流測量，并將滲流測量的數值隨時傳輸至監測室內。

2.2.3 應用過程

水庫大壩安全監測自動化系統在水庫除險加固工程中實施，經過近一年試運行，發生了一次總線故障，導致采集數據無法傳輸至監測管理站，但因系統采用分布式結構，總線故障排除后可以進行數據采集裝置中存儲數據的重新讀取[5]。通過對各繞滲監測讀取數據進行分析，得出該水庫大壩均存在不同程度的繞壩滲流，滲流量大小受所處位置、庫水位、氣候因素等諸多因素影響。如因測點位于斷層位置，而斷層位置地質條件較差，揚壓力監測滲透壓系數為一個較大值，但均在最大滲壓系數0.3 以下，其余各個位置滲壓系數則處于一個較小的數值。除此之外，一副壩浸潤線監測也可以反映壩體具體滲流情況特別是在下雨前后的滲流情況。

3 水庫大壩安全監測自動化系統的應用效益

3.1 保障運行安全

對于運行多年的水庫大壩而言，大壩安全與否，不單單取決于大壩自身固有工程地質條件、所處外部環境因素、工程設計施工運營管理措施，而且取決于貫穿于大壩運行整個過程的監測條件。通過將自動化系統應用于水庫大壩安全監測，可以實時、全面、動態更新大壩運營數據，發現日常運行管理期間特別是大風、暴雨、洪水、地震等惡劣條件下大壩運行風險隱患，及時采取措施，保障大壩安全運行[6]。

3.2 促進水利信息化建設

信息技術是全球通用性最佳、創新速度最快、滲透性最強的新技術。水利信息化就是最大程度挖掘現代信息化技術優勢，廣泛利用信息資源，促進信息交流，實現水庫基本水情雨情、防洪調度、安全監測、安防監控、興利調度一體化。通過自動化系統在水庫大壩安全監測中的應用，可以帶動水利現代化、信息化建設，為水利事業發展提供充足借鑒。

3.3 實現科學管理

《水庫大壩安全管理條例》明確提出必須依據相關技術標準對大壩進行安全監測，隨時掌握大壩運行情況。傳統水庫大壩安全監測存在滲流監測設施布設少、內部分成水平位移監測設施功能喪失、滲壓滲流自動檢測采集抗雷擊能力差等問題，影響了大壩管理科學性。而通過將自動化系統應用于水庫大壩安全監測，可以及時、準確獲取大壩監測數據，為水庫安全定期檢定、安全管理、資源調配工作的科學開展奠定基礎。

4 總結

綜上所述，自動化系統在水庫大壩安全監測中的應用，可以將水庫大壩管理提升到一個新的高度，預期效果較為顯著。因此，水庫大壩安全管理人員應依托自動化技術，面向工程運行管理、質量評價、結構分析，構建一個完善的安全檢測框架，全面、細致監測大壩運行情況，并積極參與到大壩管理決策中，帶動水庫大壩整體管理工作以及區域社會的安全、健康發展。