大壩安全監(jiān)測自動化在彰武水庫的應用

□孫麗芳（安陽市彰武南海水庫工程管理局）

1.概況

彰武水庫位于安陽市西南25km的海河流域衛(wèi)河支流洹河上，總庫容0.78億m3，與上游10km的小南海水庫組成兩座梯級水庫，總控制流域面積970km2，占洹河總流域面積1920km2的50.5%，對控制洹河洪水十分有效。彰武水庫開發(fā)目標主要為防洪、灌溉、城市工業(yè)供水和兼顧發(fā)電、水產養(yǎng)殖等，以調節(jié)徑流、興利為主，與上游小南海水庫聯合運用，確保安陽市區(qū)、京廣鐵路、京珠高速、南水北調、107國道、世界文化遺產殷墟和沿河兩岸群眾的生命財產安全。彰武水庫除險加固前，大壩安全檢測中的壩基滲流壓力、壩體滲流壓力監(jiān)測、滲流量監(jiān)測由人工采用測響錘每周測量一次，水位由人工每天觀測兩次，雨量由人工觀測，監(jiān)測方式落后，且易出現失誤，已不能滿足水庫的發(fā)展需要。2010年，為提高彰武水庫的現代化管理水平，充分發(fā)揮水庫綜合效益，彰武南海水庫工程管理局結合除險加固工程，建設了大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)。2010年10月安裝了滲流監(jiān)測系統(tǒng)，11月安裝環(huán)境量監(jiān)測系統(tǒng)，12月安裝了現場測控單元（MCU）。

2.大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)構建

2.1 系統(tǒng)組成

彰武水庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)由數據自動采集系統(tǒng)和安全監(jiān)測信息管理分析系統(tǒng)兩部分組成。

2.1.1 數據自動采集系統(tǒng)：由布設在水庫壩體內部和表面的的傳感器、分布在各觀測房內的測量控制單元（MCU）以及位于監(jiān)控分中心站的計算機及其他輔助設備等組成，其目的是能夠快速、及時、準確的采集到傳感器的監(jiān)測數據，并且能夠及時、準確的把這些數據傳送到監(jiān)控分中心站的計算機內。

2.1.2 安全監(jiān)測信息管理分析系統(tǒng)：該系統(tǒng)充分利用計算機多媒體先進的軟、硬件技術，實現集成智能的數據管理、信息分析、推理和輔助決策，實時監(jiān)測大壩的運行狀況，為對大壩安全狀況作出準確而高效的評判及決策提供可靠的依據，以充分發(fā)揮工程的效益。

2.1.3 根據彰武水庫的實際情況，監(jiān)控中心站建在水庫附近的管理局通訊站內，通過通訊電纜與現場的測量控制單元相連。

2.2 系統(tǒng)監(jiān)測項目布置

彰武水庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的主要監(jiān)測內容為大壩滲流監(jiān)測、水庫水位監(jiān)測、水庫雨量監(jiān)測和水庫溫度監(jiān)測四部分。四部分內容現場數據的采集由相應的傳感器完成，通過專用電纜引入測量控制單元（MCU），其中部分數據也可以通過人工錄入的方式接入系統(tǒng)。

2.2.1 滲流監(jiān)測項目

壩基滲透力和壩體浸潤線監(jiān)測：壩基滲透力和壩體浸潤線大部分采用新埋設的觀測管，個別采用老觀測管，壩基滲透力測壓管15個，壩體浸潤線測壓管15個。為了實現自動化觀測，在每個觀測管內放1支滲壓計，所有滲壓計均通過電纜引向大壩右岸的操縱室內。

滲流量監(jiān)測：彰武水庫為降低下游壩坡處的滲透壓力，于1963年在主壩下游沿壩腳修建降壓廊道長424m，寬1.2m，高2.1m，內建降壓井41眼。1988年在廊道新設40根導管，每兩眼降壓井中間布設一根導管。在下游壩坡坡角布設一排降壓井，通過導滲廊道和導滲管將基礎的滲透壓力釋放出來，以確保壩體的穩(wěn)定。基礎內釋放的水通過位于樁號0+627，距壩軸線120m處的量水堰進行監(jiān)測。對原量水堰進行底部清理、更新水尺，同時在量水堰上安裝1支堰流計，堰流計通過電纜引向大壩右岸電站的操作室內。

2.2.2 環(huán)境量監(jiān)測項目

為了實現水庫環(huán)境量的自動化觀測，在水庫內靠近大壩右岸操縱室的位置設置1支水位計，在水庫電站操縱室房頂上設置自動雨量計1支和溫度傳感器1支，用以自動測量水庫水位、雨量和溫度。這些測量儀器采集的數據均通過電纜傳送至設在大壩右岸的電站操縱室內監(jiān)測站。

2.2.3 數據自動采集單元

數據自動采集單元是用來讀取大壩安全監(jiān)測各種傳感器實測數值的設備，即現場測控單元（MCU）。彰武水庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的MCU安裝在大壩右岸電站的操縱室內。各傳感器通過專用電纜與MCU單元連接，MCU則通過光纜將這些集中采集到的數據傳送到設在水庫管理局通訊站內的監(jiān)控機上。

2.2.4 監(jiān)控中心站

根據水庫的實際情況，監(jiān)控中心設置在水庫管理局通訊站內，配置監(jiān)控機1臺，通過光纜與現場測控單元（MCU）相連，通過無線寬帶接入設備與市水利局監(jiān)控中心相連。

2.3 大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)施工

沿壩頂路面開挖50cm×50cm電纜溝，人工把溝底虛土進行攤平并埋設φ50PVC管道，PVC管口用PVC專用接頭連接并用PVC專用膠粘接，PVC管中穿鋼絲以便敷設檢測儀器電纜。

壩頂0+137.6平臺線纜從0+0851通過與埋設PVC管道至溢洪道西耳房3樓，下游0+128平臺線纜從0+0852延水溝30cm通過與埋設PVC管道至溢洪道西耳房3樓，下游0+121平臺線纜從0+0853延水溝15cm到0+6003通過與埋設PVC管道128平臺0+6002管道至溢洪道西耳房3樓。溫度計安裝在溢洪道樓頂西墻角。線纜從外墻到溢洪道閘房西辦公室3樓。

大壩安全檢測數據采集單元安裝在溢洪道西耳房3樓西墻上，數據通過采集單元采集數據并通過光纜傳到辦公樓服務器。

3.大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)功能

彰武水庫大壩安全自動化啟閉系統(tǒng)主要是通過監(jiān)控主機（工控機）監(jiān)控部件檢測大壩及數字信息自動化采集與傳輸，并在計算機上以實時圖像和數字以人機界面的形式反映出來，能夠在監(jiān)控中心遠程、直觀地了解大壩滲流、水位、雨量、溫度等的運行情況，達到可以在計算機上遠程地監(jiān)控大壩運行狀況。

3.1 監(jiān)測功能

可隨時采集、監(jiān)測各類傳感器數據，監(jiān)測大壩運行情況，對每支傳感器設置其警戒值，如傳感器數據超過警戒值，系統(tǒng)能夠以各種方式自動進行報警。監(jiān)測數據的采集方式有選點測量、巡回測量、定時檢測，并可在模塊和采集單元（MCU）上進行人工測讀。

3.2 顯示功能

顯示水庫輸泄水建筑物及大壩系統(tǒng)的總貌、各監(jiān)測項目概貌、監(jiān)測項目布置圖、監(jiān)測項目變化過程曲線、監(jiān)測數據分布圖、報警狀態(tài)顯示窗口等。

3.3 操作功能

在監(jiān)控主機輸入、輸出監(jiān)測數據、自動生成并打印日報表、月報表、年報表、監(jiān)測現有傳感器狀態(tài)、查詢監(jiān)測項目歷史數據；整個系統(tǒng)的運行管理（包括大壩調度、水庫進庫流量、出庫流量、庫水位、每月最高、最低水位等）；修改大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)配置、大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)測試、大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)維護等。

3.4 網絡瀏覽功能

建立與水庫管理局MIS網的聯接，可與網內各站點通過Web、FTTP和Email進行信息交流，網內各計算機可通過瀏覽器訪問本系統(tǒng)有關的實時數據和圖表，確保水庫所有職工隨時了解大壩運行情況。

3.5 測量控制單元（MCU）的功能

采集大壩監(jiān)測儀器，并通過系統(tǒng)對傳感器在水中漂移引起的誤差進行修正。同監(jiān)控主機進行通信，可實現選點測量、巡回測量、定時檢測，并帶有人工測讀接口，可進行人工測量。具有自檢功能，自檢內容包括數據存儲器、程序存儲器、中央處理器、供電狀態(tài)、測量電路以及傳感器線路狀態(tài)等。系統(tǒng)將故障信息輸送到監(jiān)控中心計算機，以便水庫維修。

3.6 監(jiān)測中心站功能

對測量控制單元進行編程、修改設備及修改運行方式。操作人員下發(fā)指令給MCU，使其按指定的方式進行數據采集，并可進行人工讀數的輸入，匯集各MCU存儲的數據。顯示儀器位置參數、MCU設置記錄、工作狀態(tài)、顯示和打印監(jiān)測結果、各類報表、過程線等。數據的通信及遠程傳輸，可以把有關的測量結果傳遞到水庫管理局以及市水利局等。

彰武水庫大壩安全監(jiān)測采用自動化后，由監(jiān)控主機（工控機）可以直接監(jiān)測壩基滲流壓力、壩體滲流壓力、滲流量、雨量、水位、溫度等，觀測數據準確無誤，實現對整個壩體的全方位實時監(jiān)測，通過監(jiān)測信息管理分析軟件實現對壩體安全指標的評估，為水庫工程管理提供最直接的決策依據。同時，彰武水庫自動化形成了綜合自動化系統(tǒng)網絡系統(tǒng)，主要由大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)、閘門遠程監(jiān)控系統(tǒng)、水庫視頻監(jiān)視系統(tǒng)、雨量遙測系統(tǒng)、洪水調度系統(tǒng)等組成，有效提高了水庫綜合自動化水平。