費縣許家崖水庫大壩安全監(jiān)測設施改造提升研究

劉國良

(費縣許家崖水庫管理中心，山東 臨沂 273400)

1 引言

水庫工程建設具有較為顯著的防洪、經(jīng)濟、社會效益，在我國早期發(fā)展過程中，修建了數(shù)量較多的水庫工程[1-2]。受限于水庫工程修建時期的經(jīng)濟、科技發(fā)展水平，諸多水庫工程建設質(zhì)量較為低下，配套設施不齊全，對后期的正常使用造成了許多不利影響，為了改善這一現(xiàn)狀，對這一類水庫進行提升改造是十分必要的[3-5]。大壩是水庫工程的重要組成部分，其安全對下游居民的安全影響較大，同時，大壩的情況對水庫效益的發(fā)揮也有較大的影響，加強監(jiān)測對于分析大壩安全、及時發(fā)出預警信息有重要作用[6-8]。因此，針對早期修建的監(jiān)測設施配置不全的水庫進行監(jiān)測提升工程改造具有良好的效益。

2 水庫工程基本概況

許家崖水庫是一座大(2)型水庫。水庫加固前總庫容2.7957 億m3，興利庫容1.67 億m3。控制流域面積580 km2，干流河道長度54 km，干流比降0.00157。許家崖水庫采用心墻壩，最大壩高31.60 m。

目前，許家崖水庫安全監(jiān)測設施不完備，除險加固工程設計采用人工觀測，監(jiān)測頻次得不到保障，無法及時掌握水庫運行狀況，實施及時有效的指揮調(diào)度。因此，提高水庫監(jiān)測水平，是十分必要的，對水庫效益發(fā)揮、安全保障有重要作用。

3 監(jiān)測設施現(xiàn)狀布設情況及目標

3.1 監(jiān)測設施現(xiàn)狀

2013 年水庫除險加固工程后，建設了大壩位移監(jiān)測系統(tǒng)。許家崖水庫已建位移觀測采用視準線法。下游壩坡兩排工作基點、校核基點設在左岸巖石上。因受地形條件制約，壩肩兩排工作基點、校核基點布設在壩左端巖石上，水平位移工作基點共計6 個，水平位移校核基點共計6 個。配合1 套蔡司Ni010(J2 級)型精密經(jīng)緯儀用于水平位移測量。

大壩的水平位移通過綜合標進行觀測，分設在大壩樁號0+050、0+150、0+250、0+350、0+450、0+550、0+650、0+750、0+900 對應斷面上，共設27 個測點。

溢洪閘以含云母砂質(zhì)頁巖為基礎持力層，砂質(zhì)頁巖承載力較高，穩(wěn)定性良好，一般不會產(chǎn)生較大的沉降變形，對溢洪閘工程安全施工和運用具有重要的保障作用。為了提高監(jiān)測點的利用效率，將水閘的水平位移觀測與沉降觀測結(jié)合起來，在閘墩各設測點，共計6 個測點。

目前，大壩表面位移監(jiān)測主要由人工觀測，自動化程度低，導致觀測連續(xù)性、實時性較差。水庫監(jiān)測主要的編輯、分析也由人工進行，資料分析深度不夠，且工作量較大、容易出現(xiàn)錯誤，導致分析結(jié)果與實際情況不符，同時具有一定的滯后性，數(shù)據(jù)分析效率較為低下。

3.2 系統(tǒng)預期目標

許家崖水庫自動化監(jiān)測系統(tǒng)建設主要是為了實現(xiàn)以下目標:

(1)通過部署新一代的大壩變形觀測設備，全面提高大壩變形測量精度、穩(wěn)定性，從而為管理人員即時提供可靠的觀測結(jié)果，

(2)通過建立變形觀測系統(tǒng)，可實現(xiàn)24 h 不間斷變形監(jiān)測，即時外界環(huán)境較為惡劣，亦可實現(xiàn)觀測。提高監(jiān)測頻次，有利于即時發(fā)現(xiàn)異常情況，通過設置的閾值，及時發(fā)出預警信息，告知管理人員立刻采取相關措施，預防事故發(fā)生，提高工程的安全效益。

(3)通過自動化監(jiān)測系統(tǒng)建設，建立統(tǒng)一標準實現(xiàn)信息的互聯(lián)互通，系統(tǒng)建設過程中需提供多種數(shù)據(jù)接口，在保證數(shù)據(jù)接入的同時，預留水庫已建系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口。數(shù)據(jù)格式采用標準格式，實現(xiàn)和水庫管理平臺的無縫接入。

4 項目總體設計

4.1 總體框架

采用無線網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)，各觀測點具備較強的獨立性，可有效避免因雷擊、斷電等造成整體癱瘓事件發(fā)生，易于維護。主要設備包括GNSS 監(jiān)測型接收機、GNSS 天線、太陽能供電系統(tǒng)等。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成國家和行業(yè)規(guī)定的格式，傳輸至管理控制中心的大壩安全監(jiān)測運營維護中心的數(shù)據(jù)庫。

圖1 大壩監(jiān)測系統(tǒng)框架

4.2 功能框架

系統(tǒng)結(jié)合水庫大壩安全自動監(jiān)測現(xiàn)狀和國家對水庫規(guī)范化標準化要求，充分利用傳感器物理感知、信息智能測控、物聯(lián)網(wǎng)、GIS 地理信息、移動互聯(lián)網(wǎng)、云平臺、大數(shù)據(jù)及計算機編程等技術，實現(xiàn)對大壩的變形監(jiān)測、滲流監(jiān)測、環(huán)境量監(jiān)測、數(shù)據(jù)管理和在線分析、大壩安全評判預警和輔助決策功能;同時，提供大壩基礎資料及業(yè)務資料整編、巡視檢查痕跡式管理等業(yè)務管理功能。系統(tǒng)提供本地及云端、計算機端(PC)和移動端(APP)相結(jié)合的大壩安全監(jiān)測信息管理系統(tǒng)，全面提升大壩安全運行的數(shù)字化、精細化、智能化、規(guī)范化管理水平。系統(tǒng)功能框架見圖2。

4.3 主要建設內(nèi)容

(1)管理處軟硬件環(huán)境建設

系統(tǒng)利用現(xiàn)有的辦公環(huán)境及網(wǎng)絡，新建一臺工控機，同時增加監(jiān)控終端以及移動終端，部署數(shù)據(jù)庫軟件，部署大壩安全自動監(jiān)測信息管理系統(tǒng)軟件，預留巡視檢查、變形監(jiān)測、壓力(應力)監(jiān)測、環(huán)境量監(jiān)測等接入功能，全面提升大壩安全信息化規(guī)范化管理水平。

(2)大壩表面位移監(jiān)測系統(tǒng)建設

根據(jù)大壩的長度、分布等現(xiàn)狀，部署4 處基準點，15處監(jiān)測點(其中溢洪閘6 處，大壩9 處分別位于0+250、0+350、0+900 斷面)。建設可靠、高速的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡，實現(xiàn)各測站數(shù)據(jù)與中心的實時傳輸。

4.4 大壩表面位移監(jiān)測系統(tǒng)設計

4.4.1監(jiān)測點布置原則

大壩變形監(jiān)測網(wǎng)主要由基準點、工作基點、變形觀測點等組成。其中基準點應選取在變形影響區(qū)范圍外的位置，每個工程基準點數(shù)量不應少于1 個。工作基點需選取在穩(wěn)定、使用方便的區(qū)域。變形觀測點需設置在可以反映大壩變形特征的位置。變形監(jiān)測基準網(wǎng)由基準點、工作基點組成，基準網(wǎng)需半年復測一次。

4.4.2站點設計

許家崖水庫大壩周圍地質(zhì)環(huán)境較為良好，為穩(wěn)定性較好的基巖，因此，在基巖區(qū)域設置4 個監(jiān)測基準點。許家崖水庫溢洪閘局部存在裂縫、沖溝等情況，在這類較為特殊的區(qū)域，布置15 個變形監(jiān)測點(其中溢洪閘6 處，大壩9 處分別位于0+250、0+350、0+900 斷面)。許家崖水庫大壩自動監(jiān)測系統(tǒng)主要由空-地-用戶系統(tǒng)組成。其中空為空間部分，即衛(wèi)星;地為地面監(jiān)測系統(tǒng);用戶則為信號接收設備。為了保證監(jiān)測效果，在監(jiān)測點部位設置牢靠的觀測墩安裝GNSS接收機，并設置強制對中器。接收器信號通過無線傳輸系統(tǒng)，傳輸至控制中心。

4.4.3基準站設計

基準站的設置是為了保證長期、連續(xù)觀測衛(wèi)星信號，并為各觀測點提供高精載波相位差分數(shù)據(jù)和起算坐標信息。為了保證監(jiān)測精度，需要定期對基準站進行復核。

基準站位置需要選取在大壩變形影響范圍以外，穩(wěn)定性良好的區(qū)域。同時，需要避開大功率的無線電發(fā)射源、高壓輸電線通道，以減少其對接收數(shù)據(jù)的干擾。

5 結(jié)語

許家崖水庫大壩自動化監(jiān)測系統(tǒng)的建設，可以實現(xiàn)任意間隔、連續(xù)監(jiān)測，與人工測量相比具有精度高等優(yōu)勢。通過建立自動化監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)不間斷數(shù)據(jù)采集、惡劣天氣下信息采集，同時，可完成數(shù)據(jù)的實時傳輸和分析處理，根據(jù)設置的報警閾值，也可實現(xiàn)自動報警。自動化監(jiān)測系統(tǒng)建設后與現(xiàn)狀的監(jiān)測條件相比，在精度、連續(xù)測量等方面具有明顯優(yōu)勢。