水庫大壩安全監測自動化系統的應用

魏艷清

[摘? ? 要]在社會經濟高速發展下，我國水利水電事業發展取得不錯的成效。水庫工程建設作為水利水電工程的主要內容，為了確保水利水電工程的運作安全，提高水利水電工程建設的經濟效益，需要注重水庫大壩安全監測自動化系統的運用環節。

[關鍵詞]水庫大壩;安全監測;自動化系統;運用方法

[中圖分類號]TV736 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）09–0–02

[Abstract]Under the rapid development of social economy， my country's water conservancy and hydropower development has achieved good results. As the main content of water conservancy projects， reservoir construction is the main content of water conservancy projects. In order to ensure the safe operation of hydropower projects and improve the economic benefits of water conservancy projects， it is necessary to pay attention to the safety of reservoirs and dams. Monitoring the application link of the automation system.

[Keywords]reservoir dam; safety monitoring; automation system; application method

1 概述水庫大壩安全監測自動化系統的運用背景

以古田溪三級水電站工程項目為例。古田溪三級水電站位于福建省閩江支流古田溪上的高洋溪口，電站裝置2臺水輪發電機組，總裝機容量為42 MW。壩址控制流域面積為1 697 km2，水庫總庫容0.149億m3，屬于日調節水庫。電站攔河壩主要為鋼筋混凝土面板支墩壩，壩高為43 m，壩頂全長為225 m，主要由27個7.50 m長的支墩平面壩段與2個混凝土重力壩段構成，垛墻厚度達到1.20 m、1.75 m，擋水面板頂部厚度為0.60 m，底部厚度為2.04 m，根據單項鋼筋混凝土筒支板設計。溢洪道位于大壩中間，凈寬81.30 m，為開敞式自由溢流，堰頂高程129.00 m。

古田溪三級水電站屬于三等工程，主要建筑物均根據三級設計標準，工程地震設防裂度為6度。工程于1958年9月開工，1961年6月封孔蓄水，1965年3月第一臺機組發電，1973年底實現全部機組并網運行。因面板老化滲水、析鈣，此壩在2003年進行補強加固處理。修建之后的水庫大壩安全監測系統所運用的自動化儀器是Roctest監測儀器與2380數據收集系統以及專業化作圖系統，能夠在獨立測控單元之中對監測數據實施儲存，主機能夠利用數據收集系統把監測數據傳輸至電腦系統當中，進一步開展數據處理與分析。安全監測主要涉及兩個方面，即變形監測方面與滲流監測方面。其中，變形監測方法主要以表面豎向移位監測、體內分層水平位移監測、傾斜監測等為主;而滲流監測方面主要涵蓋大壩壩基滲壓監測、混凝土壩壩體浸潤線監測、大壩壩體滲流量監測等。另外，還涉及上游與下游水庫水位監測、水溫監測等。

2 水庫大壩安全監測自動化系統的運用流程

2.1 數據收集系統分析

數據收集系統是利用計算機與測量控制單元（MCU）通訊，能夠實現對數據信息的收集與檢測。其結構體系如圖1所示。

（1）MCU自檢。測量控制單元自檢就是運用計算機與MCU通訊，促使MCU支持自檢，同時把自檢結果傳輸至計算機中，實現遠程診斷MCU的目的。自檢內容主要涉及通信、MCU內部溫度、MCU工作電壓、MCU充電電壓等多個部分。

（2）參數設定。在MCU能夠常規運作前，需結合工程實際情況，對MCU參數與數據庫中各個側點實施有效設定。設定內容主要包括：通信速率、系統時間等內容。

（3）單點監測。單點監測主要運用在對某種儀器設備的某個測點各種電測量與有關儀器測量，能夠將工程相關物理量計算出來。

（4）巡回監測。巡回監測是通過測量一個或者多個MCU上的測點，所測量儀器種類可以是一種，也可以是多種。等到電測量之后，將工程物理量計算出來，以便獲取上次巡回監測數據。

（5）定時監測。定時監測主要用于獲取定時監測數據，將工程物理量計算出來，測量所得電測量與工程物理量在列表中呈現。

2.2 變形監測環節

2.2.1 監測系統概述

古田溪三級水電站工程項目變形監測系統主要涉及壩體傾斜監控、壩體裂縫監控、撓度監控、水平位移監控等多個功能板塊。其中，壩體傾斜監控主要依托于靜力水準儀器，壩體裂縫監控主要利用測縫針，撓度監控借助雙向垂線坐標儀器，聯合6臺單向垂線標準儀器，進一步檢測壩體垂直度上各個高程測點、倒錘線間水平部位變化等。

古田溪三級水電站工程項目水平移位監測主要利用4條不銹鋼鋼絲制作形成的引張線，其中2條置于大壩基礎廊道位置，而另外2條處于主壩壩頂，還要運用變位機設備（1臺）、垂線坐標儀器（20臺），定期對大壩水平方向是否移動進行測量。然而，主壩壩頂張線主要由20余臺單向引張線組成。由于壩體比較長，因此在壩頂把一條引張線劃分成2條，通過單向引張線儀器構成其中一條引張線。聯合利用處于大壩右側倒錘線儀器、量距儀器實施測量。與之同理，可進一步實施大壩左岸測量。然而，在大壩廊道中分別和混凝土壩廊道中、灌漿廊道內擁有一條引張線，分別由4臺、16臺引張線設備構成，可以從雙向垂線設備、倒錘線設備進行管控測量。所有引張線設備都屬于比率測量技術的電容感應式變形測量設備，能夠利用中間極、位于測點設備底板的極板測量各個垂直于偏離基準線的變化情況，從而計算出不同水平位移變化量。

2.2.2 變形監測系統運作的基本原理

古田溪三級水電站工程項目安全變形監測自動化系統主要涉及五個功能模塊，具體包括數據收集單元模塊、通信網絡模塊、信息管理系統模塊、計算機工作組模塊以及傳感器模塊。其中，數據收集單元模塊可對傳感器設備監測的數據進行收集，通過通信網絡模塊傳輸至計算機工作組模塊當中，也可實時利用信息管理系統模塊進行處理。每個數據收集單元都涵蓋許多不同類型的智能化收集模塊、電源構件、通信模塊以及浮充蓄電池供電、防雷裝置、防潮裝置等，能夠支持獨立數據傳輸、時鐘、分布監控、數據儲存等多種功能。傳感器主要裝置于大壩檢測位置，通過四目單模光纜、兩芯電源線（220 V），與RS-485現場總線通信相互連接。

在具體的運行期間，該工程項目安全變形測量主要運用差分功能計算方法，在不對氣象元素進行測量的基礎上，形成一個基于基準網的簡單化模型，能夠對距離大氣折射率差分進行不間斷式修正。因水庫大壩檢測位置、基準點均設定在較為穩定的位置，能夠使其當做成測點、基準點之間距離保持不變。此種情況下，所設置的測點與基準點斜距處于已知條件下，能夠在變形檢測期間某一時刻檢測出斜距與已知數值的相關觀察，并得出其數據是由于氣象條件變化導致。基于此，利用計算機工作組模塊，將區域差分氣象參數調取出來，以便為該工程項目變形控制提供重要的參考依據。

2.2.3 運用具體過程

在實際運用過程中，水庫大壩體裂縫所監測的最大傾角達到0°0′25?，而壩頂水平移位最大值達到8.11 mm、混凝土壩水平移位最大值為1.09 mm以及混凝土壩廊道水平移位最大值即1.09 mm。壩體裂縫監測只有一處檢測值年變化幅度比較大，但是最大變化量不超過3.0 mm，其他變化量不超過1 mm。由此可見，在水庫水溫、水位以及地形等因素的作用下，裂縫問題沒有明顯發展。

2.3 滲流監測環節

2.3.1 滲流監測系統概述

水庫大壩滲流監測自動化系統主要由一副壩浸潤線監控、大壩右岸繞壩滲流監控、壩基揚壓力監控、壩體滲流量監控、二副壩滲流監控等構成，除去壩體滲流量監控運用超聲波水位儀器之外，其他均運用電熱方法進行測量。

2.3.2 滲流監測系統運作的基本原理

水庫大壩滲流監測自動化技術難以直接展開滲流參數的檢測工作，需要對滲流位置的溫度變化情況進行檢測，反演滲流參數。一般情況下，所運用的介質溫度測量方法主要以電熱方法、梯度方法為主，全部根據熱傳導能量方程實施，其熱傳導能量方程表示為：，其中，t表示介質溫度;cw與ρw分別表示水比熱容、水密度;τ表示時間;x表示距離;v表示滲流速度;λ表示導熱系數;c表示介質比熱容;ρ表示介質密度;qv表示內熱源強度。

在運用電熱方法過程中，qv屬于外接電源所形成的熱量，確保光纖、附近熱傳一定的情況下，其溫度場比較穩定，可利用大密度、高硬度側溫光纜聯合光纖不銹鋼套制作形成的抗高壓結構體系，在平整層上鋪設，并配合預留至壩頂電纜溝中的通信光纜與纏繞測量光纜加熱系統，實現滲流的測量，同時把滲流測量所得數據實時傳送到檢測室內。

2.3.3 具體運用過程

古田溪三級水電站工程項目安全檢測自動化系統在水電站除險加固工程建設中運用，經過為期12個月的試運行，除險總線故障共1次，促使收集數據難以實時傳送到檢測管理站，但是因系統運用分布式結構體系，將總線故障問題解決之后，對數據收集系統中數據存儲進行重新讀取。經過對各個繞測檢測讀取數據展開研究分析，能夠獲得此水庫大壩均存在一定程度的繞壩滲流現象，滲流量的大小，與所處位置、庫水位、氣候變化等因素有一定關系。例如，由于測點處于斷層位置，且斷層位置的地質條件較為惡劣，揚壓力檢測滲透壓系數比較大，即0.23 mm，但是均滿足最大滲透壓系數不超過0.3 mm的標準，其他不同位置滲壓系數相對較小。另外，一副壩浸潤線檢測能夠體現出壩體實際滲流情況，特別是在下雨前后的滲流變化情況。

3 自動化系統在水庫大壩安全監測中的運用價值

3.1 有助于確保運作安全

對于運行多年的水電站來講，水電站是否安全，不僅關乎于大壩本身固有工程地質條件、所處外部環境、工程施工設計以及施工建造管理，還決定貫穿于大壩運作整體過程的檢測技術。利用自動化系統實現水庫大壩的安全監測，能夠24 h、不間斷、動態化、全面更新水電站運作數據。

3.2 有助于推動水利信息化建設發展

信息技術手段作為全世界通用性最強、更新速度最快、滲透性最好的現代化技術手段。水利信息化就是深入挖掘現代信息化的技術優勢作用，借助豐富的信息資源，促進信息之間的互動交流，從而達到水庫基本水情雨情、防洪調度、有效監測、安全監管、興利調度一體化建設效果。

3.3 有助于提高管理水平

在水電站安全監測過程中，運用自動化系統設備，能夠實時、精準獲取大壩監測數據，從而對水電站安全監測、安全管控、資源配置等工作開展提供可靠的依據，提高其管理水平。

4 結束語

綜上所述，在水電站安全監測期間，利用自動化系統，可以使水電站的管理水平進一步提升，保障水電站安全監測的有效性、合理性。基于此，水庫大壩安全管理工作者需意識到自動化技術的運用必要性，合理運用自動化技術手段，對工程運作管理、質量評估、結構研究等方面展開深入分析，形成一個健全的安全監測結構體系，以便全方位監測大壩運作情況，提高水庫大壩總體管理工作效率，保障社會穩定發展。

參考文獻

[1] 沈波.大壩安全監測自動化系統在水庫工程建設中的應用研究[J].建材與裝飾，2020，3（7）：296-297.

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