提高水庫安全監測手段 保障工程安全運行

楊麗濤

河北省崗南水庫事務中心 河北 石家莊 050400

水庫作為水利基礎設施建設，在防洪、供水、灌溉、發電等方面起著重要作用，但是水庫大壩建成后以后，承受洪水、暴雨、地震、風吹雨淋、凍融剝蝕及人為破壞等因素影響，有可能產生壩體滲漏、變形、破壞等現象，對大壩存在的隱患和不及時發現和處理，就會影響大壩安全，甚至演變成潰壩的災難性事故。因此，必須加大水庫大壩的監測力度，運用先進的自動化監測技術，建立安全監測預警裝置，使大壩正常運用和使用。

1 工程簡介

崗南水庫位于河北省平山縣崗南鎮附近的滹沱河干流上，是海河流域子牙河系兩大支流之一滹沱河中下游重要的大（I）型水利樞紐工程，是河北省管轄的第一大水庫，控制流域面積15900km2，水庫總庫容17.04億m3。水庫以防洪、供水為主，結合發電，與下游28公里處的黃壁莊水庫聯合控制流域面積23400km2，是“一保京津、二保鐵路通信干線、三保油田、四保自己”的關鍵性工程，是省會石家莊市和下游人民生命財產安全的重要防洪屏障，同時擔負著向石家莊市城市生活和下游工農業生產供水的任務，在我省經濟社會發展中發揮著重要作用，其地理位置和作用都十分重要。

2 大壩安全監測存在的問題

目前崗南水庫開展的監測項目包括巡視檢查、變形觀測、滲流觀測、庫區泥沙淤積測量。巡視檢查包括日常巡視檢查、年度巡視檢查和特別巡視檢查。變形觀測包括水平位移觀測、垂直位移觀測。滲流觀測包括壩體滲流、壩基滲流、繞壩滲流、滲流量及混凝土揚壓力觀測。

2.1 水庫大壩安全監測現狀

目前水庫測壓管水位觀測主要靠人工觀測，外業觀測環境惡劣、工作量大。采用導電米繩測量，手段落后，誤差較大，在大壩壩體穩定的條件下，浸潤線變化程度很小，沒有精密設備，無法準確捕捉其微量變化。且當測壓管水位出現異常時，因測壓管水位突變是瞬時產生的，人工定時加密觀測措施，不能準確測出測壓管水位的最高值，給資料分析和判斷帶來困難。

部分早期除險加固安裝的振弦式滲壓計實行自動化監測，是將滲壓計封在管內，浸潤線出現問題時，不能隨時進行人工對比校核，維修困難，重新布設人工測壓管，投入大；數據采集傳輸電纜和供電電纜預埋在壩體內，工程量大，破壞壩體，且維修不便；測壓管分布廣，施工難度大，費用高。

2.2 工程巡查手段落后

目前開展工程巡查主要是巡查人員通過眼看、耳聽、手摸、鼻嗅、腳踩等直觀方法，輔以錘、釬、鋼卷尺、放大鏡等簡單工具器材，現場進行查看。因水庫庫區及工程區線長面廣、工程管護范圍大，水庫日常巡查（包括工程巡查、安保巡查、水政巡查等）任務繁重；巡查手段落后，人工巡查只能對水面以上及人員能到達的部位進行巡查，建筑物水下部分、壩體內部變形及滲流破壞情況及人員難以到達的巡查危險的部位等無法進行巡查，往往這些部位是容易形成安全隱患的部位，存在巡查盲區且信息化手段比較落后；長期運用，不具備檢查條件的部位，只能根據運行情況判斷是否存在隱患，不能直觀的檢查到，隱患發展情況不能及時掌握，突發事件風險預警能力薄弱；檢查問題部位不能準確的勘測、計量、定位和判斷，工作效率和準確性低；測量工作簡單，雨后，滲水來自壩體、雨水還是地表匯聚水無法判斷。

3 提高監測手段建議

3.1 采用一體化自動化測壓管

按照“施工方法簡便，便于自動化數據采集和人工比對”的原則，建議安裝一體化自動化測壓管。本系統由水位傳感器（投入式滲壓計）、采集設備（智能采集模塊）、無線通信模塊（GPRS）、數據庫服務器、單點數據采集管理軟件（V1.0）等組成。水位監測站將采集的水位信息由無線通信模塊GPRS，通過移動互聯網平臺傳送到裝有單點數據采集管理軟件的數據庫服務器，用戶通過訪問數據庫服務器下載數據、通過軟件客戶端對數據進行分析、管理、繪圖、輸出等操作。

采用一體化自動測壓管實現定時觀測，定時采集，提供最全面的監測數據，能有效解決工作環境惡劣、工作量大等問題，提高工作效率；充分利用舊測壓管，將滲壓計固定好，便于進行人工對比校核；智能采集模塊將測量、傳輸、供電功能集成在模塊內，傳輸距離無限，可實現單點和群點的任意組合；通訊方式采用無線方式的移動GPRS通信，可實現遠距離實時監測，減少施工成本及工作量；測量數據直接傳輸給計算機，系統組網簡便快捷經濟；適用于崗南水庫測點比較分散的地方。

3.2 建立工程區視頻全覆蓋

工程區視頻監控全覆蓋，可以實時掌握水庫運行情況，實現水庫24小時全天候、全方位管理模式。可以實現的主要功能包括：一是在運行管理方面，通過采用高清或超高清攝像頭，實現實時傳輸監控區域高清視頻，通過應用監控分析軟件，可實時監控大壩、溢洪道、輸泄水洞等擋水、輸泄水建筑物的運行情況、水面漂浮物情況、工程設施偷盜破壞情況，水事違法情況、庫區人員、車輛、牲畜等入侵情況，手機等無線設備安裝對應的App后，實現手機等無線設備實時查看，并實現異常情況報警功能，向預設手機發送預警信息，并可以根據需要將視頻實時傳輸至手機，及時發現問題及時處理。還可在攝像頭附近配備音頻系統，對違法車輛、人員發出警告，及時驅離。二是在汛期，還可與防汛會商大屏系統連接，便于防汛會商時實時查看水情、工情，便于指揮決策。且遇大洪水、大暴雨等惡劣天氣，人工上壩查險風險較大，視頻監控作用更為突出。三是采用視頻監控系統，可以克服工作時間、空間限制，實現節假日和夜間監控全覆蓋。由于崗南水庫面積較大，對監控尚難覆蓋的區域，或監控能夠覆蓋，但距離較遠清晰度較差的區域，可通過無人機巡查，通過靜態攝像頭和動態無人機有機結合，實現覆蓋工程區全方位、立體、實時監控。四是應用監控系統與人工結合，可降低繁瑣的日常工作量，把時間精力集中到重點問題的解決上，提高工程管理效率。五是監控視頻可以作為檔案資料保留，記錄工程運行變化情況，為管理者判斷決策提供依據，記錄違法過程、跟蹤拍攝違法車輛車牌號等信息，為水政執法和安保管理提供支撐，也可為今后水庫封閉管理、智能管理提供基礎設施和建設經驗。

3.3 壩體物探技術應用

地質雷達法是一種采用窄脈沖寬帶高頻電磁波信#探測地下介質分布的技術方法，具有快速、無損、連續探測和實時顯示的特點。

地質雷達法通過天線連續拖動的方式向地下發射高頻電磁波，電磁波信號在物體內部傳播時遇到存在電性差異（如介電常數差異）的介質界面時，發生反射、透射和折射。界面兩側介質的介電常數差異越大，反射的電磁波能量也越大，反射的電磁波被與發射天線同步移動的接收天線接收后，通過雷達主機精確記錄反射回的電磁波的雙程走時、振幅與相位等運動特征，獲得地下介質的斷面掃描雷達圖像，通過對雷達圖像進行處理和圖像解譯，達到識別地下目標物的目的，

通過地質雷達法檢測，可以查明壩體密實程度、土質疏松部位、富水部位、可能的滲漏水位置，對水庫壩體、庫區周圍可能存在的沉降變形、滲流隱患的區域進行探測，為崗南水庫的安全運營、養護維修提供參考依據，保障水庫安全。

3.4 水下機器人的應用

水庫運行60多年，水庫大壩和建筑物不同程度存在著損壞、老化，水下部分的安全檢查離不開探測和水下作業。潛水員只能用肉眼進行觀察，僅靠口頭描述無法準確判別工程傷情，不能將水下發現問題及時傳輸到決策者手中，且水下作業條件、工具及潛水員經驗不足，致使無法進行水下探傷和水下修復，人工水下作業受限。且水下環境惡劣危險，尤其是發生暴雨洪水時，人工水下作業風險較高。鑒于以上原因，引進水下機器人進行巡視和探測是必要的。

隨著科技的進步，水下機器人越來越接近我們的工作和生活。目前，水下機器人配備有先進的導航、定位、推進和控制等設備，因而可以準確的到達預定的位置，最重要的，它可以到達潛水員無法到達的深度，替代潛水員，水下的危險環境不會危及人的生命安全，操作人員只要在水面進行操作就可以了。

通過水下機器人遙控操作，可實現水下全方位掃描檢測，重點部位可以“駐足”觀測，不僅可以快速檢測到大壩的整體情況，而且可以仔細檢查局部病變的細節。機器人上搭載的的水下攝像機進行大壩表面狀態如破損、裂縫等檢測，并用激光尺度儀對破損尺度進行評估；用高分辨率圖像聲吶對堤壩表面進行三維測量；用剖面聲吶對大壩內部進行三維檢測；機器人載體攜帶上述探測儀器進行思維運動，實現對大壩的全覆蓋掃描檢測，準確分析大壩、水工建筑物結構好壞情況。

3.5 專業檢測工程的應用

為加強工程巡視檢查技術工作，應為巡查人員配備專業的定位、測量等設備，以準確描述發現的問題位置、工程量及計量特征（如滲漏水量及水溫）。手持GPS指全球移動定位系統，是以移動互聯網為支撐、以GPS智能手機為終端的GIS系統，主要功能為定位、導航和測面積。測距儀是一種測量長度或者距離的工具，同時可以和測角設備或模塊結合測量出角度，面積等參數。測溫儀，是溫度計的一種，用紅外線傳輸數字的原理來感應物體表面溫度，操作比較方便。以上工具操作簡單、測量準確、便于攜帶，人工巡查所必需的。

輸水洞、泄洪洞是水庫防洪、輸水的重要建筑物，對其進行巡查需在無水情況下進行，且閘門漏水現象嚴重，地下洞室黑暗且無任何信號，長期運行，地下洞室工程情況未知，給進入洞室的檢查的人員帶來安全隱患，我們將繼續研本領域或其他領域的先進技術，并與科研院所交流，探索地下洞室的檢查手段，提高工程巡查技術水平，為水庫安全運行提供保障，為領導決策提供依據。