綠色智能水庫遠程實時監(jiān)控與治理系統(tǒng)

徐 瑛 孫世泉

[重慶航運建設發(fā)展（集團）有限公司 重慶 401147]

水庫運行期間可能發(fā)生的病害險情主要包括庫底滲漏和大壩變形失穩(wěn)兩個方面。本項目為基于大數(shù)據(jù)平臺的水庫遠程智能監(jiān)管系統(tǒng)，主要包括監(jiān)測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理平臺、專家?guī)旌凸こ滩克膫€部分。監(jiān)測系統(tǒng)為布設在轄區(qū)內(nèi)各個水庫周邊且搭載物聯(lián)網(wǎng)的相關監(jiān)測設備，通過收集實時數(shù)據(jù)（降雨、水位、庫底流速等）監(jiān)測水庫的運行狀態(tài)，并傳輸?shù)竭h端服務器；數(shù)據(jù)處理平臺接收到監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析計算，如果計算結(jié)果異常，系統(tǒng)會通過APP通知專業(yè)人士“會診”；專家?guī)靹t是對“異?！睌?shù)據(jù)作出進一步分析預判，讓數(shù)據(jù)“說話”使其準確反映水庫的安全狀態(tài)；若判定該水庫屬于應急搶險類，專家再給出工程處治的建議，并督促水庫管理部門及時開展水庫保護的工作。

一、研究背景

目前我國是世界上擁有水庫大壩最多的國家，土石壩占到了總數(shù)的95%以上，而其中于20世紀80年代以前建成的老壩大約占95%。同時我國也是世界上擁有200米級以上高壩最多的國家，目前世界建成的200米級以上高壩77座，我國有20座，占26%；在建的200米級以上高壩19座，我國就有12座，占63%。從2010年至2015年，我國大中型水庫也在逐年增加。雖然近10年來我國進行了大規(guī)模的病險水庫除險加固，但水庫大壩數(shù)量多、土石壩多，水庫病險概率高的情況無法立刻得到緩解，其中引發(fā)事故最主要的原因就是水庫滲漏。導致水庫滲漏的影響因素是多方面的，包括筑壩質(zhì)量、筑壩材料、地質(zhì)環(huán)境、水文氣象條件、水庫庫齡和管理者水平等等。比如，水庫壩體施工操作不規(guī)范、筑壩材料的質(zhì)量差，管理不善，運營過程中操作不當?shù)鹊仍颍伎赡芤鹚畮斓臐B漏。此外，土石壩相較重力壩、拱壩而言，更容易出現(xiàn)滲漏和因滲漏導致的險情。由于水庫具有大壩數(shù)量多、壩型復雜多變、水庫病險概率高的特點，一旦水庫發(fā)生潰壩，其災難性的后果無法估量[1]。

目前所有的水庫防滲漏處理技術都是“亡羊補牢式”工程處治，沒有實時監(jiān)控和預警處理，都是滲漏到一定危險程度后才發(fā)現(xiàn)、整治。這樣非常容易發(fā)生重大事故，造成難以估量的損失，并且善后處理花費巨大。因此本項目提出水庫實時檢測、微小滲透問題治理措施及數(shù)據(jù)的云共享等方案，提前進行預防措施，避免不必要災難的發(fā)生。

二、設計原理

（一）設計思路

為了及時的監(jiān)測出水庫的滲漏情況，現(xiàn)通過建立數(shù)據(jù)庫平臺，對水庫中水流速度方向等進行實時數(shù)據(jù)監(jiān)測，即可完成對水庫的實時監(jiān)測并發(fā)現(xiàn)滲漏等問題。發(fā)現(xiàn)問題后，為了有效地解決滲漏問題，而不是上述所說的亡羊補牢地對其進行處置，我們現(xiàn)在提出并設計了能有效解決滲漏問題防滲毯。該新型膨潤土防水毯在實際的防水過程中主要是利用膨潤土遇水之后的低透水性和高膨脹性來實現(xiàn)的。為了精準有效地鋪設防滲毯，現(xiàn)設計了一款水下鋪裝機器人，該機器人攜帶新型膨潤土防滲毯進入水中后通過遠程控制端的控制與定位，實現(xiàn)精準到達施工地點，并通過遠程控制實現(xiàn)高效鋪裝的目的。施工完畢后通過操控機器人能駛出水面被回收。經(jīng)過這一系列過程后，再次對水庫的水流和指定位置的監(jiān)測，檢查滲漏問題是否解決[2]。

（二）結(jié)構設計

防滲毯：新型膨潤土防滲毯在遇到水的情況下會形成密度比較高的黏稠狀膠體橫向防水層，這個防水層大約有3mm厚，它的透水性相當于是30厚度黏土透水性的100倍，抗?jié)B的靜水壓能夠達到1mp以上?？?jié)B性能非常強，新型膨潤土防水毯在實際的防水過程中主要是利用膨潤土遇水之后的低透水性和高膨脹性來實現(xiàn)的，在膨潤土防水毯中高鈉膨潤土的密實度很高。這樣就有比較多的膨潤土來吸水膨脹橫向連接然后形成連續(xù)的防水墻。出現(xiàn)漏水點的概率比較小。而且很容易保證實際的施工質(zhì)量，同時還能夠?qū)p微的裂縫和損傷進行有效的填補所以說新型膨潤土防水毯的整體連接性也比較好。新型膨潤土是一種天然的無機材料，蒙脫石是它的主要礦物成分，不會對人體造成傷害，同時也不會對水質(zhì)造成污染，整個膨脹防滲的過程是一個物理變化過程，在這個過程中不會產(chǎn)生任何有毒物質(zhì)。在實際的使用過程中即使是把膨潤土防水毯長期埋在地下或者當周圍環(huán)境發(fā)生變化的時候，新型膨潤土防水毯都不會出現(xiàn)腐蝕或者老化的情況，且不會對周圍的地理環(huán)境造成影響，所以膨潤土防水毯的環(huán)保性能非常好。因為膨潤土防水毯在實際的膨脹過程中是一個物理變化過程，在干燥條件下膨潤土會自動地恢復成原來的分子結(jié)構，所以膨潤土的脹縮過程可以反復地進行，這樣膨潤土防水毯在經(jīng)過很長的使用時間后依然能夠保證很好的防滲性能。所以膨潤土防水毯的使用壽命比較長。它的界面摩擦特性也比較好，所以在對那些陡坡地方進行處理的時候也比較容易。同時也能夠很好保證接縫處的密封性，膨潤土防水毯的抗凍融性比較好。對溫度的變化情況不是很敏感，在溫度條件比較差的情況下有些傳統(tǒng)防水材料無法施工，而新型膨潤土防水毯卻能夠進行正常的施工，在溫度比較寒冷的情況也不會出現(xiàn)折斷的情況，因此在我國各個地區(qū)都比較適合使用新型膨潤土防水毯。采用新型膨潤土防水毯的防滲工程在施工完成后也不需要進行特別的檢查，如閉水試驗等。如果在實際施工過程中出現(xiàn)一定的缺陷也很容易進行修補。因為膨潤土的膨脹性比較好，所以如果在實際的使用過程中防水毯出現(xiàn)刺破的現(xiàn)象漏水點也會因為膨潤土的橫向遷移而自動愈合，在防水材料的施工中膨潤土防水毯的施工工期是最短的。

水下鋪裝機器人：該機器人要解決機器人在水下的復雜環(huán)境的穩(wěn)定性、靈活性和推進性和實現(xiàn)對于有滲漏水庫和需要解決水體滲漏問題的地帶的防滲設施的水下鋪裝功能，包括：機身、控制裝置、行走機構、電機、控制中心、螺旋槳背推裝置、鋪設構件、前置輔助推進構件。行走機構有兩個，分別安裝在機身左右側(cè)，行走電機有兩個，分別裝于機身內(nèi)部左右側(cè)，所述噴射裝置在機身頂部共6個，鋪設機構在機身尾部，前置推進部件安裝在機身前端，控制中心在機身內(nèi)部中央?？刂浦行墓δ馨ㄖ噶罱邮张c處理、定位、行走控制、鋪裝構件控制、鋪裝部件控制、螺旋槳背推裝置控制。本發(fā)明將螺旋槳背推裝置集成到機器人中，可提供豎直平面360度的動力，鋪裝構件的加裝可以完成水下的鋪裝作業(yè)，前置輔助推進部件的布置可以對機器人行走過程中前方障礙進行推離排開。通過對幾個裝置的加裝布置，對機器人的動力方面、行進方向的改變方面、水下推進能力有不小的提升，與此同時對于鋪裝裝置的加入使得水下機器人有能力完成水下鋪裝作業(yè)。降低了工人的勞動程度，甚至完成了工人無法完成的工作，提高了工作效率，通過對機器人進行密封和防腐蝕處理，使其能夠適應水庫等復雜水體的工作條件。

此機器人行走裝置通過對坦克行進裝置的借鑒（即通過履帶行進），可以增加機器人水下行走的穩(wěn)定性，加之頂部可變向螺旋背推裝置的加入，既能提高機器人在前進推力、制動力，豎直方向的運動能力（即機器人的定點到位能力，翻越障礙的能力）。這樣一來機器人就能更好地到達指定位置完成鋪裝作業(yè)，即使遇到水下有較大型障礙物也能進行翻越不至于受阻、水中有較強烈渦流等復雜水流狀況時，也能通過機器人頂部背推裝置推動方向的改變使得機器人的水下平穩(wěn)作業(yè)能力得到大幅提升，尾部的鋪裝部件通過控制中心對該部件中電機的控制使裝裹了防滲毯（等相關防滲物質(zhì)）的滾筒能勻速向外放出，并進行平穩(wěn)鋪裝。前置的錐形推進裝置用于行進中機器人正前方障礙的排除，可有效地將所遇到的不大于機器人大小的障礙物排開，這既能是機器人能平穩(wěn)地向前推進，并為防滲體的鋪設鋪平了道路，使得鋪上的防滲體更平整以至于更好地發(fā)揮最大作用。控制中心接受遠程控制端控制，由控制端發(fā)出指令，指令包括啟動指令，制動指令，鋪裝指令，背推螺旋槳方向變動指令，螺旋槳整體角度變動指令，螺旋槳速度變化指令，行進速度指令等一系列指令。使得該機器人能勝任復雜水體下的鋪裝作業(yè)。

三、創(chuàng)新特色

1.建立水庫檔案，通過轄區(qū)內(nèi)調(diào)查走訪，為每一座水庫建立檔案；

2.實時監(jiān)測水庫運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)異常情況；

3.通過大數(shù)據(jù)平臺建立可靠算法，分析水庫的安全性；

4.建設針對性強的專業(yè)團隊——專家?guī)欤?/p>

5.遠程辦公，運籌帷幄，專家團隊可在市內(nèi)基地總部辦公；

6.將水庫險情及時發(fā)送給主管部門，各方實行信息共享；

7.包含若干項專利技術；

8.項目具有一定的商業(yè)價值，開發(fā)創(chuàng)新空間大，具有可持續(xù)發(fā)展的優(yōu)勢。

四、應用前景

據(jù)統(tǒng)計，我國現(xiàn)有水庫87 076座（2014年7月），其中95%以上的水庫為土石壩，土石壩的防滲性能較差，不能滿足相關規(guī)范的要求。具體表現(xiàn)為：土石壩的下游側(cè)沒有排水設施，或現(xiàn)存排水設施已經(jīng)失效；涵管外壁和壩體的連接部位存在一定程度的沖刷；壩基清基工作不夠徹底，基巖沒有使用有效防滲措施；漿砌石壩砌體的密實度不足，混凝土結(jié)構產(chǎn)生細小裂縫，引發(fā)滲漏。從2004年水利部統(tǒng)計的水庫病險不達標數(shù)據(jù)來看，大型水庫有51座、中型水庫196座、小型水庫14 000座，在這些水庫中，病險水庫約占50%以上[3]。

五、結(jié)束語

從上述敘述可以看出，正是國際上對于該產(chǎn)品的巨大需求量，而目前經(jīng)過調(diào)研，我們沒有發(fā)現(xiàn)類似的產(chǎn)品。尤其是國內(nèi)巨大的水庫數(shù)量的實際運行需求，為我們的產(chǎn)品提供了良好的市場空間。

本項目中自己生產(chǎn)設備、開發(fā)技術，將一切核心技術保密，水庫的治理更加生態(tài)，更加便捷，不僅節(jié)約了人力檢測的高額人工費用，也避免了人力檢測帶來的各種負面影響；更將數(shù)據(jù)分析結(jié)合，使后續(xù)治理更加準確便捷，節(jié)約了大量人力及資金；并將后續(xù)可能發(fā)生的險情作出預測，提前準備，避免了不必要的人員、物資損失。此項目會以當前試點的模式，繼續(xù)不斷發(fā)展和創(chuàng)新，不斷優(yōu)化，更加適應于市場。

本項目中最為核心的財產(chǎn)就是核心技術開發(fā)人員，隨著科學技術的發(fā)展，科研人員的不斷開發(fā)研究，完善設備，使它更加智能化，高端化，更加適用于水庫滲透治理，使水庫治理更加的快速便捷、低成本。