水庫大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的應(yīng)用

黃振敏

（梨樹縣水利工程質(zhì)量服務(wù)中心 吉林省四平市 136500）

大壩是水庫的關(guān)鍵水工建筑物之一，包括混凝土壩、土工壩兩種類別，后者占水庫總數(shù)的百分之九十以上。因土工壩為散粒體結(jié)構(gòu)，分析難度大，無法及時獲取壩體滲流、壩基滲透壓力等參數(shù)，對水庫大壩安全監(jiān)測提出了較大難題。而通過將自動化系統(tǒng)應(yīng)用于水庫大壩安全監(jiān)測，可以有效解決上述問題?；诖耍瑢λ畮齑髩伟踩O(jiān)測自動化系統(tǒng)的應(yīng)用進行適當(dāng)分析具有非常重要的意義。

1 水庫大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的應(yīng)用背景

如圖1所示，一座大（2）型多年調(diào)節(jié)水庫，總庫容為4.15×108m3，為當(dāng)?shù)乜刂菩詷屑~工程，位于干流上，干流全長101.2km，流域面積3265.21km2。水庫大壩為均質(zhì)土壩，全長2356.21m，壩頂相對高程21.3m，寬6.58m，防浪墻高1.18m。其中主壩位于右岸，全長796.21m，最大高度21.36m；副壩位于左岸，全長1563.21m，最大壩高度16.23m。

大壩于1996年實施了全面加固改建，改建后的水庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)所應(yīng)用的自動化設(shè)備為ROCTEST 監(jiān)測設(shè)備+2380 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)+專業(yè)作圖軟件，可以在獨立MCU（測控單元）中存儲監(jiān)測數(shù)據(jù)，主機則可應(yīng)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C中進行分析。安全監(jiān)測包括變形監(jiān)測、滲流監(jiān)測兩個主要部分，前者包括表面豎向位移觀測、體內(nèi)分層水平位移觀測、傾斜檢測、裂縫檢測、撓度檢測等；后者包括大壩壩基滲壓觀測、土壩壩體浸潤線觀測、大壩壩體滲流量觀測等[1]。除此之外，還包括上下游庫水位、水溫、降雨量、氣壓、氣溫等數(shù)值監(jiān)測。

2 水庫大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的應(yīng)用過程

2.1 變形監(jiān)測

2.1.1 監(jiān)測系統(tǒng)

水庫大壩變形監(jiān)測系統(tǒng)包括壩體傾斜監(jiān)測、壩體裂縫監(jiān)測、撓度監(jiān)測、水平位移監(jiān)測幾個功能模塊。其中壩體傾斜監(jiān)測主要采用靜力水準(zhǔn)儀，壩體裂縫監(jiān)測則依靠測縫針運行，撓度觀測主要通過雙向垂線坐標(biāo)儀，配合六臺單向垂線坐標(biāo)儀（即兩組正垂線+三條倒錘線），對壩體垂直度上不同高程測點、倒錘線之間水平位置變化進行不間斷監(jiān)測[2]。

水庫大壩水平位移檢測主要通過四條不銹鋼鋼絲制作的引張線（兩條位于大壩基礎(chǔ)廊道，兩條位于主壩壩頂）、一臺變位機、二十二臺垂線坐標(biāo)，定期測量大壩在水平方向的位置移動與否（一般規(guī)定大壩向上游方向移動為負(fù)）。其中主壩壩頂引張線主要由二十多臺單向引張線構(gòu)成，因壩體較長，主要是在壩頂將一條引張線劃分為兩條，經(jīng)單向引張線儀組成其中一條引張線。配合位于大壩右側(cè)倒垂線儀、量距儀進行觀測。同理，可以進行大壩左岸觀測。而在大壩廊道內(nèi)分別與土壩廊道內(nèi)、混凝土壩段灌漿廊道內(nèi)具有一條引張線，分別由四臺、十六臺引張線儀組成，可以由雙向垂線儀器、倒錘線儀器控制觀測。全部引張線儀器均為基于比率測量技術(shù)的電容感應(yīng)式變形測量儀器，可以通過中間極、位于測點儀器底板的極板測定各點垂直于偏離基準(zhǔn)線變化量，計算獲得各點水平位移變化量。

圖1：水庫大壩

圖2：水庫大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1.2 運行原理

水庫大壩安全變形監(jiān)測自動化系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集單元、通訊網(wǎng)絡(luò)、信息管理軟件、計算機工作組、傳感器幾個功能模塊。其中數(shù)據(jù)采集單元可以采集傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)，經(jīng)通訊網(wǎng)絡(luò)傳輸給計算機工作組，也可以隨時經(jīng)信息管理軟件處理。每一數(shù)據(jù)采集單元均包括多個類型各異的智能采集模塊、電源部件、通信模塊及浮充蓄電池供電、防雷、防潮部件，具有獨立數(shù)據(jù)通信、時鐘、分布控制、數(shù)據(jù)存儲功能[3]。傳感器主要安裝在大壩監(jiān)測部位，經(jīng)四目單模光纜、兩芯220V 電源線連接的RS-485 現(xiàn)場總線通信，具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在實際運行過程中，水庫大壩安全變形測量主要是利用差分功能算法，在不測量氣象元素的情況下，構(gòu)建一個依托于基準(zhǔn)網(wǎng)的簡單模型，實時、自動開展距離的大氣折射率差分改正。由于水庫大壩測點、基準(zhǔn)點均設(shè)置在穩(wěn)定位置，可以看做測點、基準(zhǔn)點間距離一定。此時，設(shè)定測點、基準(zhǔn)點斜距已知，在變形監(jiān)測過程中某一時刻測得的斜距與已知數(shù)值之間的差異就可以看做是由氣象條件變化誘發(fā)[4]。此時，可以在計算機工作組調(diào)取區(qū)域差分氣象參數(shù)，為水庫大壩變形控制提供數(shù)據(jù)參考。

2.1.3 應(yīng)用過程

在運行歷程中，水庫大壩體裂縫監(jiān)測最大傾角為0°0′26″，壩頂、土壩、混凝土壩廊道水平位移最大值分別為8.13mm、1.11mm、1.11mm。而壩體裂縫監(jiān)測僅有一處測值年變化幅度較大，但最大變化量小于3.0mm，其余變化量均小于1.0mm?？偟膩碚f，受水庫水溫、水位及地形因素影響，裂縫無較大發(fā)展。

2.2 滲流監(jiān)測

2.2.1 監(jiān)測系統(tǒng)

水庫大壩滲流監(jiān)測自動化系統(tǒng)包括一副壩浸潤線監(jiān)測、大壩左岸繞壩滲流監(jiān)測、壩基揚壓力監(jiān)測、大壩右岸繞壩滲流監(jiān)測、壩體滲流量監(jiān)測、二副壩滲流監(jiān)測幾個部分組成，除壩體滲流量監(jiān)測采用超聲波水位計外，其余均采用電熱法測量。

2.2.2 應(yīng)用原理

水庫大壩滲流監(jiān)測自動化系統(tǒng)無法直接進行滲流參數(shù)測量，主要是通過測量滲流發(fā)生位置的溫度變化，反演滲流參數(shù)。常用的介質(zhì)溫度測量方法為電熱法、梯度法，均是依據(jù)熱傳導(dǎo)能量方程開展。熱傳導(dǎo)能量方程為：

上述式子中，t 為介質(zhì)溫度，cw、ρw分別為水比熱容、水密度；τ、x 分別為時間、距離；v 為滲流速度，λ、C 分別為導(dǎo)熱系數(shù)、介質(zhì)比熱容；ρ、qv 分別為介質(zhì)密度、內(nèi)熱源強度。

在使用電熱法是時，qv 為外接電源所產(chǎn)生熱量，在光纖、周圍傳熱一定時溫度場較為穩(wěn)定，可以通過大密度、高硬度測溫光纜+光纖不銹鋼套管組成抗高壓結(jié)構(gòu)，在整平層上鋪設(shè)，配合預(yù)留在壩頂電纜溝內(nèi)的通訊光纜以及纏繞測量光纜的加熱裝置（可調(diào)節(jié)電壓的直流加熱電源、加熱導(dǎo)線），進行滲流測量，并將滲流測量的數(shù)值隨時傳輸至監(jiān)測室內(nèi)。

2.2.3 應(yīng)用過程

水庫大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)在水庫除險加固工程中實施，經(jīng)過近一年試運行，發(fā)生了一次總線故障，導(dǎo)致采集數(shù)據(jù)無法傳輸至監(jiān)測管理站，但因系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，總線故障排除后可以進行數(shù)據(jù)采集裝置中存儲數(shù)據(jù)的重新讀取[5]。通過對各繞滲監(jiān)測讀取數(shù)據(jù)進行分析，得出該水庫大壩均存在不同程度的繞壩滲流，滲流量大小受所處位置、庫水位、氣候因素等諸多因素影響。如因測點位于斷層位置，而斷層位置地質(zhì)條件較差，揚壓力監(jiān)測滲透壓系數(shù)為一個較大值，但均在最大滲壓系數(shù)0.3 以下，其余各個位置滲壓系數(shù)則處于一個較小的數(shù)值。除此之外，一副壩浸潤線監(jiān)測也可以反映壩體具體滲流情況特別是在下雨前后的滲流情況。

3 水庫大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的應(yīng)用效益

3.1 保障運行安全

對于運行多年的水庫大壩而言，大壩安全與否，不單單取決于大壩自身固有工程地質(zhì)條件、所處外部環(huán)境因素、工程設(shè)計施工運營管理措施，而且取決于貫穿于大壩運行整個過程的監(jiān)測條件。通過將自動化系統(tǒng)應(yīng)用于水庫大壩安全監(jiān)測，可以實時、全面、動態(tài)更新大壩運營數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)日常運行管理期間特別是大風(fēng)、暴雨、洪水、地震等惡劣條件下大壩運行風(fēng)險隱患，及時采取措施，保障大壩安全運行[6]。

3.2 促進水利信息化建設(shè)

信息技術(shù)是全球通用性最佳、創(chuàng)新速度最快、滲透性最強的新技術(shù)。水利信息化就是最大程度挖掘現(xiàn)代信息化技術(shù)優(yōu)勢，廣泛利用信息資源，促進信息交流，實現(xiàn)水庫基本水情雨情、防洪調(diào)度、安全監(jiān)測、安防監(jiān)控、興利調(diào)度一體化。通過自動化系統(tǒng)在水庫大壩安全監(jiān)測中的應(yīng)用，可以帶動水利現(xiàn)代化、信息化建設(shè)，為水利事業(yè)發(fā)展提供充足借鑒。

3.3 實現(xiàn)科學(xué)管理

《水庫大壩安全管理條例》明確提出必須依據(jù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對大壩進行安全監(jiān)測，隨時掌握大壩運行情況。傳統(tǒng)水庫大壩安全監(jiān)測存在滲流監(jiān)測設(shè)施布設(shè)少、內(nèi)部分成水平位移監(jiān)測設(shè)施功能喪失、滲壓滲流自動檢測采集抗雷擊能力差等問題，影響了大壩管理科學(xué)性。而通過將自動化系統(tǒng)應(yīng)用于水庫大壩安全監(jiān)測，可以及時、準(zhǔn)確獲取大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)，為水庫安全定期檢定、安全管理、資源調(diào)配工作的科學(xué)開展奠定基礎(chǔ)。

4 總結(jié)

綜上所述，自動化系統(tǒng)在水庫大壩安全監(jiān)測中的應(yīng)用，可以將水庫大壩管理提升到一個新的高度，預(yù)期效果較為顯著。因此，水庫大壩安全管理人員應(yīng)依托自動化技術(shù)，面向工程運行管理、質(zhì)量評價、結(jié)構(gòu)分析，構(gòu)建一個完善的安全檢測框架，全面、細致監(jiān)測大壩運行情況，并積極參與到大壩管理決策中，帶動水庫大壩整體管理工作以及區(qū)域社會的安全、健康發(fā)展。