水庫大壩滲流自動監測系統的建立和應用

許哲峰

(深圳市東江水源工程管理處松子坑水庫管理所，廣東 深圳 518122)

0 引 言

松子坑水庫管理所是深圳市東江水源工程管理處基層管理站所之一，主要負責松子坑水庫及大工業區支線的安全運行管理工作。松子坑水庫是東江水源工程的重要調蓄水庫，工程區原狀為三座緊鄰的小(1)型水庫，分別是松子坑水庫、獺湖水庫和三角樓水庫，相互之間僅為山梁分隔。根據《深圳市供水水源修編規劃》(2003)和《深圳市水務發展十一五規劃》(2006)，為滿足深圳市用水調蓄要求，提出對松子坑水庫進行擴建。

松子坑水庫擴建工程分兩期實施，(一期)擴建工程于1993年10月開工，1995年12月下閘蓄水，1996年8月建成，將松子坑水庫和獺湖水庫合并為一座集水面積3.46km2，總庫容2659萬m3，共計16條大壩的中型水庫；(二期)擴建工程于2017年9月下閘蓄水驗收，新增4條大壩，建成后水庫集雨面積為4.96km2，總庫容達4157萬m3，現共計20條大壩。環庫檢修路呈“8”字形，可繞庫一圈，小圈10km、大圈15km。

松子坑水庫作為東江水源工程進入深圳境內的第一座聯網調蓄水庫，擔負著坑梓水廠日常供水、東江水源網絡供水工程停水檢修期間，應急向深圳各區供水的任務。大工業區支線供應大工業區水廠用水，工程自深圳市東部供水水源工程6#隧洞取水，沿水庫12#、13#副壩下游布置，交水至大工業區水廠結合井，線路全長1489m，工程主要包括：1#隧洞、連接箱涵、2#隧洞及連接管道等供水設施。松子坑水庫自動化監測系統包括氣象監測系統(遙測雨量計、風速風向傳感器、遙測氣壓計、溫濕度傳感器)、水情遙測系統(1個中心站、1個水情遙測站)、GNSS大壩位移監測系統、環庫光纖通信系統、會商系統和大壩安全監測系統等。對水庫大壩的滲流情況進行實時監測，是確保水庫大壩安全運行的重要內容之一，但由于水庫壩體的滲流問題本質上是一個三維問題，影響水庫大壩滲流的因素較多，在分析的過程中難以對其邊界條件進行準確確定，導致最終得出的設計計算或者是采用的防滲措施效果不佳，所以，松子坑水庫大壩滲流監測系統在大壩整體安全中占有重要地位[1]。

1 項目概況

1.1 構建水庫大壩滲流自動監測系統的意義

①經過多年的運行后，雖然經過不同程度的加固處理，但在加固處理的過程中，并沒有對心墻、壩基等部位進行處理，僅僅是增加了觀測管，在水庫大壩長時間的運行后，需要通過加強大壩滲流監測來對水庫大壩內的運行狀態進行了解[2]。②在大壩壩體與壩基部位布置了較多的觀測管，使用人工形式進行監測相對精度較低，且整個檢測周期較長，在結果分析方面不能與自動監測系統相比。③土壩的滲流問題是影響壩體穩定性的關鍵因素，對水庫工程的安全運行起到決定性作用，水庫在運行的過程中，一旦遭受到暴雨、地震、施工建設等其它因素的影響，水庫大壩滲流自動監測系統的作用顯而易見。④信息技術的快速發展，使得水利工程管理逐步朝著自動化、信息化、智能化方向發展，長期的監測成果不僅能夠為水庫大壩監測自動化設計提供參考，科學技術的快速發展，也使得滲流監測自動化數據采集技術更加成熟。

1.2 水庫大壩滲流自動監測系統的建立

系統整體結構設計：水庫大壩監測自動化系統采用的是由DG型分布式監測系統設備組成的數據采集網絡，網絡結構形式采用的是總線拓撲，其中自動監測系統的通訊總線均采用光纜，可以有效地規避電訊號以及雷電流的破壞。如圖1所示為系統結構框圖。

圖1 松子坑水庫大壩安全監測自動化系統框架示意圖

數據采集網絡主要由4臺MCU以及1臺CCU-1中央控制裝置組成。大壩安全監測系統包括自動化系統共113個滲壓監測點、12個量水堰監測點(其中3個人工監測點，9個自動化監測點)以及配套的MCU測控裝置、服務器、交換機、防火墻、自動化軟件等，監測點覆蓋一期1#壩、4#壩、6#壩、11#壩、13#壩、14#壩、15#壩、二期1#壩、2#壩，其中一期86個測壓監測點、4個量水堰監測點、配套MCU測控裝置、服務器、自動化軟件等一套，二期27套測壓監測點(內套測壓管，覆蓋1#、2#壩)，5個量水堰監測點、配套MCU測控裝置、服務器、交換機、自動化軟件等一套。GNSS大壩位移監測系統包括7個GNSS自動監測點以及配套的服務器、工作站等。

1.3 功能實現

采用中央控制裝置對所有的測控裝置進行巡測，測量完成后，所測得的數據信息均能夠自動儲存在中央控制裝置中，實現對所有測控數據信息的集中存儲。自動監測系統所使用的測控裝置能夠按照既定的時間設置完成所有的巡測，并將測控得到的信息數據傳輸至中央控制裝置。①監測功能：監測功能主要是通過各類傳感器來實現的，水庫大壩滲流自動監測系統可以通過預設隨時完成對壩體各測控裝置的監測，監測的時間、次數可以根據需求進行隨意設計，監測的形式可以是單點、多點、選測等。②顯示功能。顯示功能主要是指對水庫大壩滲流總體情況以及壩體內部各檢測子系統的情況、監控圖、報警狀態等。③操作功能。操作功能是指可以在計算機或微機上進行各種形式的監視操作，也可以進入控制系統將所監測到的數據進行輸出、打印、報告、評估等。④綜合信息管理功能。主要是指各種報表的制作、數據庫的管理以及安全評估。例如對定位測量、節點測量的控制；傳感器數據的入庫；信息數據的打印；遠程網絡通訊等[3]。

1.4 軟件設計

水庫大壩滲流自動監測系統功能主要包括大壩測壓、水雨測報、原始數據管理、工程資料管理、系統設置、常用網站鏈接等6個部分。根據現有的水庫測報系統電位布設情況，設置有中心站1處、雨量站3處。

1)大壩測壓。對大壩的測壓管進行自動監控，使用安裝在大壩中的測壓管進行比較測量，形成觀測段，設置不同的測量點，分析各段的浸潤線，比較實際浸潤線與歷史浸潤線，及時對水庫壩體的水位壓力及其變化進行掌控。其中，壓力計自動監測子系統是系統的核心功能之一。

2)水雨數據查詢。它可以查詢水雨情況的原始數據，根據特定的日期和時間生成特定的存儲容量/流量數據，并可以根據日、月、年和時間段降雨生成水位表，例如：日降雨報告，年度平均水位報告等，為水庫管理提供參考。根據水和雨的條件，它還可以生成年、月和日的水位過程線和降雨直方圖，支持動態繪制豐富的圖形元素。

3)數據的維護和查詢。根據水庫的日常管理需求，進行數據維護和查詢。支持降雨數據修改、水位數據修改、測壓儀和站水文參數修改、降雨權重設置、水位-存儲關系設置、站工作查詢、每月降雨日查詢、每天24h降雨查詢等功能管理，支持數據庫修改、編輯、選擇、設置和其他操作，并在菜單中提供幫助信息。

1.5 系統通信和入庫

自動監測系統中軟件功能的實現需要高質量通訊技術的支持，一般常用的通信方式包括超短波、GSM短信息以及GPRS無線網絡這3種，經過對比上述3種通訊技術的優缺點，最終確定選擇使用GSM通信技術。GSM通信手段與超短波、GPRS無線網絡相比，不需要設置中繼站，且通信的質量更加安全可靠，可以在測試站附近使用，降低了整個通信系統成本。該系統采用自報告和呼叫測試的混合工作系統，即除了讓所有站點根據設置的時間或其它參數自動完成相應的數據信息采集與報告外，所設置的中心站點還能夠實現對測壓管數據的召測，并利用自動監測系統內部的計算軟件將水庫壩體的浸潤線進行表征，為大壩安全數據的調度提供保障。主要措施如下：

1)向前置機自動取數。信息數據的顯示主要包括三個項目，強雨站信息數據的顯示、壩體壓力計數據的顯示、原始數據的顯示。其中強雨站顯示數據主要包括水位、電壓等參數；壓力計的檢測數據主要包括水溫、大氣等參數；接收的原始數據主要是指對比原始數據與數字變送器的實時通信。狀態欄能夠對上述各項監測數據進行查看，且狀態欄是與系統數據庫連接的，一般情況下是以最小化系統的運行界面進行，能夠自動地實現對監測數據的接收與傳輸，并將接收到的信息數據傳輸至數據庫。

2)數據召測。能夠采用手動或定期形式對測試站的信息數據采集形式進行確定，用來對水庫壩體進行巡測。通過操作界面左側位置處的“站點選擇”來確定待巡測的站點，并將其添加在右側位置，之后結合實際情況對巡測頻率進行設置，比如設置為1h，則表明每間隔1h對待測站點壩體數據進行監測與采集。利用界面中測站設置滿足不同條件的站點測量。“立即測量”框中的功能是：當要立即測量站點時，在“站點選擇”框中選擇“選擇要測量的站點”，然后單擊“即時測量”框中的“確定”按鈕以立即測量站點。系統發出測量命令后，終端發送的數據包將顯示在空白欄中[4]。

2 實際應用評價

自松子坑水庫大壩滲流自動監測系統投入使用后，實際應用情況表明，該自動監測系統具有較強的實用功能性，所使用的技術較為先進，運行穩定，且系統的結構開放，數據采集、傳輸準確可靠，滿足了水庫大壩滲流數據信息的自動化采集、模型化處理以及分析評判等[5]。但總體而言，該系統在極端惡劣的環境下，會偶發性出現數據中斷問題，表明該系統的運行可靠性存在改進空間。

3 結 論

水庫大壩的安全運行是發揮水庫效益的保證，水庫大壩滲流自動監測系統的應用，是提升水庫安全運行性的重要手段，自動監測系統的應用能夠為分析水庫壩體的滲流穩定分析提供數據支撐，有效地提升了監測效率，降低了監測手段滯后帶來的不可靠分析發生的概率，為水庫大壩的穩定運行奠定了基礎。