水庫大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的應(yīng)用

魏艷清

[摘? ? 要]在社會經(jīng)濟高速發(fā)展下，我國水利水電事業(yè)發(fā)展取得不錯的成效。水庫工程建設(shè)作為水利水電工程的主要內(nèi)容，為了確保水利水電工程的運作安全，提高水利水電工程建設(shè)的經(jīng)濟效益，需要注重水庫大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的運用環(huán)節(jié)。

[關(guān)鍵詞]水庫大壩;安全監(jiān)測;自動化系統(tǒng);運用方法

[中圖分類號]TV736 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）09–0–02

[Abstract]Under the rapid development of social economy， my country's water conservancy and hydropower development has achieved good results. As the main content of water conservancy projects， reservoir construction is the main content of water conservancy projects. In order to ensure the safe operation of hydropower projects and improve the economic benefits of water conservancy projects， it is necessary to pay attention to the safety of reservoirs and dams. Monitoring the application link of the automation system.

[Keywords]reservoir dam; safety monitoring; automation system; application method

1 概述水庫大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的運用背景

以古田溪三級水電站工程項目為例。古田溪三級水電站位于福建省閩江支流古田溪上的高洋溪口，電站裝置2臺水輪發(fā)電機組，總裝機容量為42 MW。壩址控制流域面積為1 697 km2，水庫總庫容0.149億m3，屬于日調(diào)節(jié)水庫。電站攔河壩主要為鋼筋混凝土面板支墩壩，壩高為43 m，壩頂全長為225 m，主要由27個7.50 m長的支墩平面壩段與2個混凝土重力壩段構(gòu)成，垛墻厚度達到1.20 m、1.75 m，擋水面板頂部厚度為0.60 m，底部厚度為2.04 m，根據(jù)單項鋼筋混凝土筒支板設(shè)計。溢洪道位于大壩中間，凈寬81.30 m，為開敞式自由溢流，堰頂高程129.00 m。

古田溪三級水電站屬于三等工程，主要建筑物均根據(jù)三級設(shè)計標準，工程地震設(shè)防裂度為6度。工程于1958年9月開工，1961年6月封孔蓄水，1965年3月第一臺機組發(fā)電，1973年底實現(xiàn)全部機組并網(wǎng)運行。因面板老化滲水、析鈣，此壩在2003年進行補強加固處理。修建之后的水庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)所運用的自動化儀器是Roctest監(jiān)測儀器與2380數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)以及專業(yè)化作圖系統(tǒng)，能夠在獨立測控單元之中對監(jiān)測數(shù)據(jù)實施儲存，主機能夠利用數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)把監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至電腦系統(tǒng)當中，進一步開展數(shù)據(jù)處理與分析。安全監(jiān)測主要涉及兩個方面，即變形監(jiān)測方面與滲流監(jiān)測方面。其中，變形監(jiān)測方法主要以表面豎向移位監(jiān)測、體內(nèi)分層水平位移監(jiān)測、傾斜監(jiān)測等為主;而滲流監(jiān)測方面主要涵蓋大壩壩基滲壓監(jiān)測、混凝土壩壩體浸潤線監(jiān)測、大壩壩體滲流量監(jiān)測等。另外，還涉及上游與下游水庫水位監(jiān)測、水溫監(jiān)測等。

2 水庫大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的運用流程

2.1 數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)分析

數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)是利用計算機與測量控制單元（MCU）通訊，能夠?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)信息的收集與檢測。其結(jié)構(gòu)體系如圖1所示。

（1）MCU自檢。測量控制單元自檢就是運用計算機與MCU通訊，促使MCU支持自檢，同時把自檢結(jié)果傳輸至計算機中，實現(xiàn)遠程診斷MCU的目的。自檢內(nèi)容主要涉及通信、MCU內(nèi)部溫度、MCU工作電壓、MCU充電電壓等多個部分。

（2）參數(shù)設(shè)定。在MCU能夠常規(guī)運作前，需結(jié)合工程實際情況，對MCU參數(shù)與數(shù)據(jù)庫中各個側(cè)點實施有效設(shè)定。設(shè)定內(nèi)容主要包括：通信速率、系統(tǒng)時間等內(nèi)容。

（3）單點監(jiān)測。單點監(jiān)測主要運用在對某種儀器設(shè)備的某個測點各種電測量與有關(guān)儀器測量，能夠?qū)⒐こ滔嚓P(guān)物理量計算出來。

（4）巡回監(jiān)測。巡回監(jiān)測是通過測量一個或者多個MCU上的測點，所測量儀器種類可以是一種，也可以是多種。等到電測量之后，將工程物理量計算出來，以便獲取上次巡回監(jiān)測數(shù)據(jù)。

（5）定時監(jiān)測。定時監(jiān)測主要用于獲取定時監(jiān)測數(shù)據(jù)，將工程物理量計算出來，測量所得電測量與工程物理量在列表中呈現(xiàn)。

2.2 變形監(jiān)測環(huán)節(jié)

2.2.1 監(jiān)測系統(tǒng)概述

古田溪三級水電站工程項目變形監(jiān)測系統(tǒng)主要涉及壩體傾斜監(jiān)控、壩體裂縫監(jiān)控、撓度監(jiān)控、水平位移監(jiān)控等多個功能板塊。其中，壩體傾斜監(jiān)控主要依托于靜力水準儀器，壩體裂縫監(jiān)控主要利用測縫針，撓度監(jiān)控借助雙向垂線坐標儀器，聯(lián)合6臺單向垂線標準儀器，進一步檢測壩體垂直度上各個高程測點、倒錘線間水平部位變化等。

古田溪三級水電站工程項目水平移位監(jiān)測主要利用4條不銹鋼鋼絲制作形成的引張線，其中2條置于大壩基礎(chǔ)廊道位置，而另外2條處于主壩壩頂，還要運用變位機設(shè)備（1臺）、垂線坐標儀器（20臺），定期對大壩水平方向是否移動進行測量。然而，主壩壩頂張線主要由20余臺單向引張線組成。由于壩體比較長，因此在壩頂把一條引張線劃分成2條，通過單向引張線儀器構(gòu)成其中一條引張線。聯(lián)合利用處于大壩右側(cè)倒錘線儀器、量距儀器實施測量。與之同理，可進一步實施大壩左岸測量。然而，在大壩廊道中分別和混凝土壩廊道中、灌漿廊道內(nèi)擁有一條引張線，分別由4臺、16臺引張線設(shè)備構(gòu)成，可以從雙向垂線設(shè)備、倒錘線設(shè)備進行管控測量。所有引張線設(shè)備都屬于比率測量技術(shù)的電容感應(yīng)式變形測量設(shè)備，能夠利用中間極、位于測點設(shè)備底板的極板測量各個垂直于偏離基準線的變化情況，從而計算出不同水平位移變化量。

2.2.2 變形監(jiān)測系統(tǒng)運作的基本原理

古田溪三級水電站工程項目安全變形監(jiān)測自動化系統(tǒng)主要涉及五個功能模塊，具體包括數(shù)據(jù)收集單元模塊、通信網(wǎng)絡(luò)模塊、信息管理系統(tǒng)模塊、計算機工作組模塊以及傳感器模塊。其中，數(shù)據(jù)收集單元模塊可對傳感器設(shè)備監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行收集，通過通信網(wǎng)絡(luò)模塊傳輸至計算機工作組模塊當中，也可實時利用信息管理系統(tǒng)模塊進行處理。每個數(shù)據(jù)收集單元都涵蓋許多不同類型的智能化收集模塊、電源構(gòu)件、通信模塊以及浮充蓄電池供電、防雷裝置、防潮裝置等，能夠支持獨立數(shù)據(jù)傳輸、時鐘、分布監(jiān)控、數(shù)據(jù)儲存等多種功能。傳感器主要裝置于大壩檢測位置，通過四目單模光纜、兩芯電源線（220 V），與RS-485現(xiàn)場總線通信相互連接。

在具體的運行期間，該工程項目安全變形測量主要運用差分功能計算方法，在不對氣象元素進行測量的基礎(chǔ)上，形成一個基于基準網(wǎng)的簡單化模型，能夠?qū)嚯x大氣折射率差分進行不間斷式修正。因水庫大壩檢測位置、基準點均設(shè)定在較為穩(wěn)定的位置，能夠使其當做成測點、基準點之間距離保持不變。此種情況下，所設(shè)置的測點與基準點斜距處于已知條件下，能夠在變形檢測期間某一時刻檢測出斜距與已知數(shù)值的相關(guān)觀察，并得出其數(shù)據(jù)是由于氣象條件變化導(dǎo)致?；诖耍糜嬎銠C工作組模塊，將區(qū)域差分氣象參數(shù)調(diào)取出來，以便為該工程項目變形控制提供重要的參考依據(jù)。

2.2.3 運用具體過程

在實際運用過程中，水庫大壩體裂縫所監(jiān)測的最大傾角達到0°0′25?，而壩頂水平移位最大值達到8.11 mm、混凝土壩水平移位最大值為1.09 mm以及混凝土壩廊道水平移位最大值即1.09 mm。壩體裂縫監(jiān)測只有一處檢測值年變化幅度比較大，但是最大變化量不超過3.0 mm，其他變化量不超過1 mm。由此可見，在水庫水溫、水位以及地形等因素的作用下，裂縫問題沒有明顯發(fā)展。

2.3 滲流監(jiān)測環(huán)節(jié)

2.3.1 滲流監(jiān)測系統(tǒng)概述

水庫大壩滲流監(jiān)測自動化系統(tǒng)主要由一副壩浸潤線監(jiān)控、大壩右岸繞壩滲流監(jiān)控、壩基揚壓力監(jiān)控、壩體滲流量監(jiān)控、二副壩滲流監(jiān)控等構(gòu)成，除去壩體滲流量監(jiān)控運用超聲波水位儀器之外，其他均運用電熱方法進行測量。

2.3.2 滲流監(jiān)測系統(tǒng)運作的基本原理

水庫大壩滲流監(jiān)測自動化技術(shù)難以直接展開滲流參數(shù)的檢測工作，需要對滲流位置的溫度變化情況進行檢測，反演滲流參數(shù)。一般情況下，所運用的介質(zhì)溫度測量方法主要以電熱方法、梯度方法為主，全部根據(jù)熱傳導(dǎo)能量方程實施，其熱傳導(dǎo)能量方程表示為：，其中，t表示介質(zhì)溫度;cw與ρw分別表示水比熱容、水密度;τ表示時間;x表示距離;v表示滲流速度;λ表示導(dǎo)熱系數(shù);c表示介質(zhì)比熱容;ρ表示介質(zhì)密度;qv表示內(nèi)熱源強度。

在運用電熱方法過程中，qv屬于外接電源所形成的熱量，確保光纖、附近熱傳一定的情況下，其溫度場比較穩(wěn)定，可利用大密度、高硬度側(cè)溫光纜聯(lián)合光纖不銹鋼套制作形成的抗高壓結(jié)構(gòu)體系，在平整層上鋪設(shè)，并配合預(yù)留至壩頂電纜溝中的通信光纜與纏繞測量光纜加熱系統(tǒng)，實現(xiàn)滲流的測量，同時把滲流測量所得數(shù)據(jù)實時傳送到檢測室內(nèi)。

2.3.3 具體運用過程

古田溪三級水電站工程項目安全檢測自動化系統(tǒng)在水電站除險加固工程建設(shè)中運用，經(jīng)過為期12個月的試運行，除險總線故障共1次，促使收集數(shù)據(jù)難以實時傳送到檢測管理站，但是因系統(tǒng)運用分布式結(jié)構(gòu)體系，將總線故障問題解決之后，對數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)中數(shù)據(jù)存儲進行重新讀取。經(jīng)過對各個繞測檢測讀取數(shù)據(jù)展開研究分析，能夠獲得此水庫大壩均存在一定程度的繞壩滲流現(xiàn)象，滲流量的大小，與所處位置、庫水位、氣候變化等因素有一定關(guān)系。例如，由于測點處于斷層位置，且斷層位置的地質(zhì)條件較為惡劣，揚壓力檢測滲透壓系數(shù)比較大，即0.23 mm，但是均滿足最大滲透壓系數(shù)不超過0.3 mm的標準，其他不同位置滲壓系數(shù)相對較小。另外，一副壩浸潤線檢測能夠體現(xiàn)出壩體實際滲流情況，特別是在下雨前后的滲流變化情況。

3 自動化系統(tǒng)在水庫大壩安全監(jiān)測中的運用價值

3.1 有助于確保運作安全

對于運行多年的水電站來講，水電站是否安全，不僅關(guān)乎于大壩本身固有工程地質(zhì)條件、所處外部環(huán)境、工程施工設(shè)計以及施工建造管理，還決定貫穿于大壩運作整體過程的檢測技術(shù)。利用自動化系統(tǒng)實現(xiàn)水庫大壩的安全監(jiān)測，能夠24 h、不間斷、動態(tài)化、全面更新水電站運作數(shù)據(jù)。

3.2 有助于推動水利信息化建設(shè)發(fā)展

信息技術(shù)手段作為全世界通用性最強、更新速度最快、滲透性最好的現(xiàn)代化技術(shù)手段。水利信息化就是深入挖掘現(xiàn)代信息化的技術(shù)優(yōu)勢作用，借助豐富的信息資源，促進信息之間的互動交流，從而達到水庫基本水情雨情、防洪調(diào)度、有效監(jiān)測、安全監(jiān)管、興利調(diào)度一體化建設(shè)效果。

3.3 有助于提高管理水平

在水電站安全監(jiān)測過程中，運用自動化系統(tǒng)設(shè)備，能夠?qū)崟r、精準獲取大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)，從而對水電站安全監(jiān)測、安全管控、資源配置等工作開展提供可靠的依據(jù)，提高其管理水平。

4 結(jié)束語

綜上所述，在水電站安全監(jiān)測期間，利用自動化系統(tǒng)，可以使水電站的管理水平進一步提升，保障水電站安全監(jiān)測的有效性、合理性。基于此，水庫大壩安全管理工作者需意識到自動化技術(shù)的運用必要性，合理運用自動化技術(shù)手段，對工程運作管理、質(zhì)量評估、結(jié)構(gòu)研究等方面展開深入分析，形成一個健全的安全監(jiān)測結(jié)構(gòu)體系，以便全方位監(jiān)測大壩運作情況，提高水庫大壩總體管理工作效率，保障社會穩(wěn)定發(fā)展。

參考文獻

[1] 沈波.大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)在水庫工程建設(shè)中的應(yīng)用研究[J].建材與裝飾，2020，3（7）：296-297.

[2] 阿力木江·買買提，努爾曼阿布拉.芻議大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)在水庫工程建設(shè)中的應(yīng)用[J].水電水利，2020，4（4）：69.

[3] 馮師懿.淺談水庫大壩安全檢測自動化技術(shù)應(yīng)用[J].農(nóng)家科技（下旬刊），2019，3（9）：203.