濟寧市尹城水庫大壩安全自動監測系統設計

郝曉輝，李鵬明，高 原

（1.山東省水利科學研究院，山東 濟南 250014；2.山東高速城鄉發展集團有限公司，山東 濟南 250000）

尹城水庫位于淮河流域泗河支流蘆城河上游，控制流域面積34.6 km2，總庫容1 300 萬m3，是一座以防洪、灌溉為主兼顧發電、漁業養殖的中型水庫。水庫樞紐由大壩、放水洞和溢洪道等部分組成。大壩為折線型均質壩，全長1 045 m，設計最大壩高21.3 m，設計壩頂高程124.69 m，壩頂寬5.0 m。溢洪道為開敞式，設計底高程120.39 m，寬度60 m。水庫有東、西兩座放水洞，東放水洞設計輸水流量為1.8 m3/s、西放水洞設計輸水流量為1.25 m3/s。

1 水庫安全監測設施現狀

目前，尹城水庫僅有雨水情觀測設施和水庫視頻監視系統，監視系統由1 臺16 路嵌入式數字硬盤錄像機、工業以太網交換機、6 臺一體化球型攝像機、監視工作站組成。

2 水庫安全監測主要問題及需求分析

2.1 主要問題

1）大壩無壩體表面變形監測設施，不能及時掌握壩體危害性裂縫、沉降、滑坡等病險情及安全隱患。大壩無壩體及壩基滲流壓力監測設施，不能監測散浸、滲水、流土、管涌等病險情及安全隱患。

2）水庫無大壩安全運行監測分析管理系統軟件，不能對大壩整體安全進行分析評價。監測手段傳統單一，自動化程度低，不能滿足水庫標準化管理的需要。管理人員少、專業水平低。

2.2 水庫安全監測設施需求分析

建立可靠有效的水庫大壩安全自動監測系統，實現對大壩的滲流，變形等重要參量的實時監測和預警是非常必要的。系統建立后水庫各級管理部門可以及時掌握水庫運行狀況，及時實施有效的指揮調度。

1）水庫重要運行數據的采集、傳輸、計算、分析。包括庫區上游來雨量、庫區水位、壩體表面變形監測、壩體及壩基滲流壓力監測等。

2）各項監測數據的歷史變化過程及實時狀態直觀顯示，可為水庫管理人員提供簡單有效、直觀明了的信息參考。

3）預警信息及時發布。對各項實時數據進行深度挖掘，分析驗算，科學客觀地評價壩體實時狀態；當水庫某項指標出現異常（如水庫水位超過警戒水位，壩體位移或位移速率超過警界值，壩體浸潤線異常等），系統能及時發出預警信息（包括聲光報警、監測大屏顯示、短信報警功能等）。報警及時、迅速，做到超過限值立即預警。

4）管理及時便捷?？蓪崿F水庫安全監測系統的遠程登錄、遠程訪問、遠程管理和遠程維護。

3 主要建設內容

1）大壩滲流監測。構建大壩滲流監測系統，新建大壩滲流觀測管，部署新一代大壩遠程跟蹤式激光智能滲壓遙測儀設備，實現對大壩滲流的實時在線監測。

2）大壩壩體表面變形監測。壩體表面變形監測內容包括壩面的垂直位移和水平位移，部署GNSS 位移觀測設備，實現對大壩表面變形的實時在線監測。根據大壩的長度、分布等現狀，在5 個斷面部署17 處位移監測點，建設可靠、高速的數據傳輸網絡，實現各測站數據與中心的實時傳輸。

3）管理處軟硬件環境建設。利用現有的辦公環境及網絡、數據庫軟件、大壩安全自動監測信息管理系統軟件等，預留巡視檢查、變形監測、壓力(應力)監測、環境量監測等接入功能，全面提升大壩安全信息化規范化管理水平。

4）建設安全分析子系統。通過對大壩壩體表面變形、大壩滲流等指標的實時監測數據分析驗算，科學、客觀地評價實時安全狀態和變化趨勢。

5）建設信息化平臺。包括實時狀態、常規監測、安全監測、安全分析、視頻監控、調度管理和電子檔案7 個功能模塊。

4 監測系統組成

4．1 大壩滲流監測系統

大壩滲流監測系統由測壓管、遠程跟蹤式激光智能滲壓遙測儀、無線通信管理網關、太陽能供電裝置及管口保護裝置組成。對水庫大壩8 個監測斷面的24 處滲壓監測點，部署新一代遠程跟蹤式激光智能滲壓遙測儀監測設備，實現對大壩滲流監測數據的采集、存儲、上傳管理功能。

1）監測儀器選擇。大壩滲壓自動監測選用遠程跟蹤式激光智能滲壓遙測儀。該設備采用機電一體化控制與高精度激光測量技術，可自動跟蹤滲壓水位變化，實現對水利設施的滲壓水位非接觸式測量，避免了因水質腐蝕、淤積、結垢和微生物等導致傳統接觸式水位傳感器失靈的現象，克服了因滲壓管傾斜彎曲使激光束無法測量的技術弊端，測量精度高，使用壽命長，運行穩定可靠，是激光測距技術在測水量水領域的創新應用。根據尹城水庫現場實際情況，依據每個測壓管的管口高程、管底高程、變幅等數據確定監測設備量程，通過遠程跟蹤式激光智能滲壓遙測儀監測測壓管內的水位變化情況。

2）滲流監測系統功能。包括對壩體和壩基的滲流浸潤線數據，能定時和不定時地自動采集和存儲；對大壩滲流作用情況進行實時定性定量的簡單分析，實時顯示各監測斷面的滲流浸潤線以及數據報表等；對大壩滲流安全實時監測、分析和預警等內容。

4.2 大壩表面變形監測系統

1）監測設備選型。GNSS 全稱是全球導航衛星系統，GNSS 監測系統主要由空間部分（人造地球衛星）、地面監控部分（分布在地球赤道上的若干個衛星監控站、注入站和主控站）和用戶部分（用于接收衛星信號的設備）組成。GNSS 監測系統主要包括天線、接收機、通訊系統及相關解算、坐標轉換及分析處理軟件等組成部分。GNSS 在變形監測中具有測站間無需通視，可提供監測點的三維位移信息，全天候監測，監測精度高，操作簡便，易于實現監測自動化等特點。根據水庫大壩的實際情況，水庫大壩新建變形監測點設備全部使用GNSS 監測，今后觀測以GNSS 監測系統為主，實施自動化觀測。

2）變形監測系統功能。建立GNSS 監測系統實現水庫大壩的水平位移監測與垂直位移監測，同時，為滿足水庫達標建設要求，在建立GNSS監測系統的同時，在可實現全站儀監測的部分斷面使用高精度全站儀進行定期人工監測，獲取GNSS 監測數據的冗余觀測，建立人工觀測數據檔案，通過對兩種監測方式獲取數據的對比與融合，提高壩體表面位移的監測精度。

4.3 水庫安全運行綜合監測分析管理系統

合理利用現有硬件平臺，實現對大壩滲流、表面變形數據的統一管理，預留環境量、應力監測數據接口，實現對大壩安全運行全要素的綜合管理。

5 結 語

尹城水庫水庫大壩安全設施項目實施后，系統運行正常，實時地監測到大壩的位移、變形、滲流等一系列大壩安全運行的重要參數，及時反映了工程實際運行情況，準確地呈現了大壩安全狀態，提高了管理決策的準確性和及時性，為工程設施的安全運行提供保障，為指揮部門及制定防洪抗旱調度方案決策提供科學依據。