高寒區大壩及近岸邊坡外觀變形自動化監測系統分析

易偉

【摘 要】為了實現對高寒區大壩及近岸邊坡外觀變形高精度監測，利用自動化監測系統可實現實時對大壩進行數據采集、計算處理、狀態顯示、數據存儲、報警預告等功能。通過對近年來的運行效果進行分析發現，該自動化系統可有效地對大壩外觀變形進行連續性監測，提高了大壩安全性能，降低了工人的巡視工作強度，對于地勢陡峭區域更能保證員工的生命安全，此系統對偏遠及高寒地區大壩具有較強的適用性。

【關鍵詞】高寒地區;大壩邊坡;邊坡穩定性;變形監測

0 前言

水利樞紐工程的開發和建設已經逐漸由城市向偏遠地區、高寒山區進發，對高壩表面發生的變形監測和對近壩、庫岸等高邊坡穩定性的監測已經成為該行業的主流問題和熱議問題，壩體和近岸邊坡的變形監測是用于評價水利樞紐工程是否可行和安全的主要途徑，也是水電站保護工作人員和居民的人身安全的重要措施。過去，對壩邊的變形監測都是采用經緯儀和電磁波測距儀實現的，但是這些測量方法精度較低，工作效率不高，無法實現高水平的監測效果，因此需要一項新的監測技術彌補傳統監測技術的不足，電子全站儀應運而生。我國技術突飛猛進，監測技術已經與激光、通信和CCD技術融合在一起，促使大壩變形監測逐漸向自動化發展。測量機器人是集目標識別、自動照準等監測技術于一體，一個觀測點能夠監測多個目標，并且能實現重復持續觀測。

1 大壩及邊坡形變自動化監測系統

我國從20世紀末就開始研究對水電站大壩及邊坡的穩定性開展自動化監測工作。這項工作需要應用自動化監測系統，該系統能夠將大壩及邊坡可能發生的危險和實際情況上報給監控站的工作人員，有利于工作人員對將要發生的問題進行預防和排查，確保大壩安全平穩地運行，保障人民的生命財產安全。

1.1 自動化監測系統的發展

隨著我國科學技術的不斷革新和發展，各項基礎建設體系中都需要整合大量的現代化新型技術，以此為基礎提升企業和各項生產環節管理的實際能效，為社會做出更大的貢獻。在高寒地區的大壩及邊坡穩定性監測方面，自動化監測系統的應用已經取得了較好的成效，能夠對水電站的安全運行提供必要保障。自動化監測系統的正常工作需要依附多個大壩監測儀器的運行，并且需要對各個測點收集到的數據進行分析和整合，通過分析數據內容判斷大壩及邊坡的穩定性。

（1）自動監測系統構成。自動監測系統包含監測儀、管線等各類硬件設施，還需要一些采集卡等系統軟件實現數據的整合和處理，由此可見，自動化監測系統是非常復雜的能夠集合多種技術和管理手段的綜合系統[1]。

（2）系統檢測方式。在高寒大壩及近岸邊坡附近設計能夠自動監測形變的儀器，各個監測儀器之間需要相隔一段距離。此外，需要布置監控網絡、GPS衛星、定位技術及全站儀等設備，對大壩的壩邊環境進行實時監測。

在傳統監測技術中，對大壩穩定性的監測主要是通過各類儀器實現的，同時需要人工的參與，這種簡單的數據監測方式必須后期對大量的監測數據進行篩選和處理才能得到有效的數據，進而做出決策。在監測過程中，不僅工作量大，也無法將實時數據及時上報給工作人員，導致出現事故無法及時發現和處理。自動化監測系統的應用能夠緩解工作人員的工作壓力，對壩體的實際情況實時監控，出現問題時能夠及時發現，做到事發即處理。自動化監測系統通過對數據的采集、跟蹤、分析和處理等一系列智能化的信息處理手段，將觀測點收集到的數據傳輸給監測站，便于工作人員能夠實時監控壩體的周圍環境，提升高寒大壩及近岸的穩定性。

1.2 自動化檢測工作機理

對高寒地區大壩及邊坡的穩定性進行自動化監測需要應用自動化監測系統，系統的實際運行需要特定的硬件支撐，硬件包含數據處理設備、時間控制設備、各種數據端口等，將這些硬件組合在一起，構成自動化監測儀器，將這樣的檢測儀器制作上百臺，并將其布置在需要檢測區域的周圍，對壩體外觀變形進行實時監控。該監測系統的硬件設備組成是具有一定復雜性的，但其工作原理比較簡單，數據的采集可以通過數據采集模塊實現，并且該模塊能將收集到的數據傳輸給觀測站的工作人員，工作人員只要在相應的軟件上對數據進行分析和處理就可獲得與大壩邊坡穩定性相關的信息，并且該系統可以實現數據查詢、調用數據等功能，便于后續開展對數據的核查和處理工作。此外，該項系統需要各種現代化信息處理軟件完善系統功能，如數據采集軟件、數據管理軟件等，這些軟件的應用能夠進一步提升自動化監測系統的效率，并且能夠獲得準確的數據信息，有利于工作人員分析和獲取大壩邊坡的實際情況。通過這些軟件還能完成對數據的儲存、計算和共享，為水電站數據處理工作提供便利，其計算準確性也得到保證。

1.3 系統可靠性測定

自動化監測系統的可靠性是需要在特定的時間和條件下，系統能夠實現規定功能的能力。系統的可靠性包含兩個方面：一是正確性，系統設計沒有任何紕漏和錯誤，能夠在正常的條件下實現各種功能。二是適應性，系統能夠在特殊或者惡劣的環境下發揮其功能。

影響系統可靠性的因素有軟件、硬件、操作員。軟件的故障主要就是設計問題，一旦發現軟件有問題，必須及時改正處理，否則故障就會進一步擴大，造成監測效果不理想或者監測準確率較低等問題。硬件故障通常是由于硬件出現物理損壞，硬件沒有軟件復雜，因此避免硬件出現問題是簡單可行的。在安裝或者檢查時，盡量對易磨損地區進行檢查，能夠有效地避免硬件失誤而影響監測結果的可靠性。操作員可靠性屬于人為操作問題，這就需要工作人員提升技術和技能水平，在操作中規范行為，避免出現失誤[2]。

2 自動化監測系統

2.1 系統硬件組成

系統的主體設備：選用測量精確度為0.5 s的Nova TM50測量機器人和徠卡原裝進口棱鏡，為了避免落石等其他因素對相機鏡頭造成破壞，在鏡頭外部安裝防護罩。

系統輔助設備：環境量監控系統、溫度控制系統、電路控制系統。

系統控制設備：室內控制盒、服務器及客戶終端。

大壩及邊坡穩定性自動化監測系統的系統構架及組網結構如圖1所示。

2.2 系統軟件

軟件開發和設計要依據現場的實際情況進行，主要包含現場控制、溫度控制、服務器及信息處理部分。自動化監測系統組網結構如圖2所示。

現場控制模塊，安裝于現場控制盒內，用于判斷周圍環境數據和外部條件等是否符合監測標準，通過該模塊的應用能夠定時對全站儀等設備進行啟動和關閉操作，將經過校驗的數據處理后上傳至服務器[3]。

溫度控制模塊，安裝于現場溫度控制系統內部，由服務器控制，主要用于控制溫度，也就是對室內溫度檢測設備的測值進行控制，根據特定的要求和條件，自動調節溫度，確保室內保持恒溫環境。

服務器模塊，主要作用是對數據進行一定的操作，并對測量過程進行遠程控制，通過環境量差分改正活平差計算實現對測量數據的計算功能，對以極坐標獲取的數據進行計算，由此獲取三維坐標，對監測點具體位置進行精準評定，對邊坡的穩定性進行計算。

信息處理模塊，該模塊是基于ASP.NET技術設計開發的，能夠在主流網頁瀏覽器中使用，具備項目管理、多級報警設計、對數據進行查詢等功能。

3 應用實例

3.1 項目概況

該研究對象為貴州省黔南山區某渡河的水電站，該水電站主要作用是為周圍居民發電，次要作用是對渡河通航條件進行調整和改善。該水電站總裝機容量為800 MW，每年可發電43.74億kW·h。該水電站屬于河床式電站，二等大型工程，建筑等級為二級。樞紐有溢流壩、左右岸重力壩等，壩頂高程為502.5 m，壩軸線全程為2.05 km。

壩邊坡總長為2.89 km，在2 km范圍內為滑坡體，斜坡地段為碎石土，厚度在50 m左右，分為3層。各個碎石土層結構不同，泥土包裹著碎石塊，土體基底結構為細顆粒包粗粒，能夠承受壓力的骨架石結構較少，因此該部分的邊坡抗剪強度較差。

3.2 觀測點布局

對該大壩及近岸邊坡進行自動監測，觀測點取10個，分別在靠近左岸邊坡、大壩邊坡、后視控制點在水電站旁的穩固墻上，系統運行需要特定的軟件做后臺，采取盤左盤右的監測模式對各個觀測點進行實時監控，整個觀測點的測回時間控制在4 min左右。

3.3 系統運行簡介

（1）到達設定的時間后，系統能夠通過傳感器對周圍環境進行觀測，確保周圍環境符合監測條件后，溫度模塊開始實行觀測模式，為系統整個運行期間室內環境溫度進行自動調整，確保溫度能夠滿足設備正常運行。為了盡量避免天氣環境惡劣造成雨水進入觀測房，造成設備損壞，在這種惡劣的天氣，自動化監測系統不進行監測。

（2）確保室內外的環境穩定，系統開始監測，監測獲得數據將會通過固定的軟件及硬件設備，由信息處理模塊傳回軟件后臺處理，用于高寒區大壩及邊坡周圍外觀變形監測系統平臺展示。當出現超限和異常值時，系統將會在平臺進行預警和微信報警。

4 結語

本文對水電站大壩外觀變形自動化監測系統進行剖析和研究，結合我國高寒地區現有的水電站大壩邊坡變形監測儀器對自動化監測技術進行分析，對傳統水電站自動化監測系統進行剖析，分析不足之處，在設計新型的大壩邊坡變形自動化監測系統盡量避免出現這些問題，保證監測系統的可靠性，為我國發電事業做出貢獻。

參 考 文 獻

[1]徐海濤.高寒區大壩及近岸邊坡外觀變形自動化監測系統的解決方案[J].西北水電，2019（6）：58-61.

[2]李春龍. 大壩變形監測自動化技術的運用與研究[J]. 中國戰略新興產業，2019（34）：136，138.

[3]蘇凱.芻議自動化技術在大壩變形監測中的應用[J]. 現代物業（中旬刊），2019（6）：52.