水库大坝安全监测系统及自动化

刘桂红

国网新源松花江水力发电有限公司丰满发电厂  吉林吉林  132000

摘要：在水库大坝应用过程中,安全监测是保证其安全性、可靠性的重要手段,因此针对水库大坝采用安全自动化监测系统有着重要的现实意义。文章分析了大坝自动化监测的重要意义,总结我国现阶段大坝安全自动化监测内容及设备发展现状,提出一般的大坝安全自动化监测系统的常规结构及功能,并对其后续的发展做出展望。

关键词：水库大坝；安全监测；自动化

引言

大坝是水库的关键水工建筑物之一，包括混凝土坝、土工坝两种类别，后者占水库总数的百分之九十以上。因土工坝为散粒体结构，分析难度大，无法及时获取坝体渗流、坝基渗透压力等参数，对水库大坝安全监测提出了较大难题。而通过将自动化系统应用于水库大坝安全监测，可以有效解决上述问题。基于此，对水库大坝安全监测自动化系统的应用进行适当分析具有非常重要的意义。

1 水库大坝安全监测自动化系统的应用背景

某大坝监测系统所应用的自动化设备为ROCTEST 监测设备+2380 数据采集系统+ 专业作图软件，可以在独立MCU（测控单元）中存储监测数据，主机则可应用数据采集系统将监测数据传输到计算机中进行分析。安全监测包括变形监测、渗流监测两个主要部分，前者包括表面竖向位移观测、体内分层水平位移观测、倾斜检测、裂缝检测、挠度检测等；后者包括大坝坝基渗压观测、土坝坝体浸润线观测、大坝坝体渗流量观测等。除此之外，还包括上下游库水位、水温、降雨量、气压、气温等数值监测。

2水库大坝安全监测自动化系统的应用过程

2.1变形监测

2.1.1监测系统

水库大坝变形监测系统包括坝体倾斜监测、坝体裂缝监测、挠度监测、水平位移监测几个功能模块。其中坝体倾斜监测主要采用静力水准仪，坝体裂缝监测则依靠测缝针运行，挠度观测主要通过双向垂线坐标仪，配合六台单向垂线坐标仪（即两组正垂线+三条倒锤线），对坝体垂直度上不同高程测点、倒锤线之间水平位置变化进行不间断监测。

水库大坝水平位移检测主要通过四条不锈钢钢丝制作的引张线（两条位于大坝基础廊道，两条位于主坝坝顶）、一台变位机、二十二台垂线坐标，定期测量大坝在水平方向的位置移动与否（一般规定大坝向上游方向移动为负）。其中主坝坝顶引张线主要由二十多台单向引张线构成，因坝体较长，主要是在坝顶将一条引张线划分为两条，经单向引张线仪组成其中一条引张线。配合位于大坝右侧倒垂线仪、量距仪进行观测。同理，可以进行大坝左岸观测。而在大坝廊道内分别与土坝廊道内、混凝土坝段灌浆廊道内具有一条引张线，分别由四台、十六台引张线仪组成，可以由双向垂线仪器、倒锤线仪器控制观测。全部引张线仪器均为基于比率测量技术的电容感应式变形测量仪器，可以通过中间极、位于测点仪器底板的极板测定各点垂直于偏离基准线变化量，计算获得各点水平位移变化量。

2.1.2运行原理

水库大坝安全变形监测自动化系统包括数据采集单元、通讯网络、信息管理软件、计算机工作组、传感器几个功能模块。其中数据采集单元可以采集传感器监测数据，经通讯网络传输给计算机工作组，也可以随时经信息管理软件处理。每一数据采集单元均包括多个类型各异的智能采集模块、电源部件、通信模块及浮充蓄电池供电、防雷、防潮部件，具有独立数据通信、时钟、分布控制、数据存储功能。传感器主要安装在大坝监测部位，经四目单模光缆、两芯220V电源线连接的RS-485现场总线通信。

在实际运行过程中，水库大坝安全变形测量主要是利用差分功能算法，在不测量气象元素的情况下，构建一个依托于基准网的简单模型，实时、自动开展距离的大气折射率差分改正。由于水库大坝测点、基准点均设置在稳定位置，可以看做测点、基准点间距离一定。此时，设定测点、基准点斜距已知，在变形监测过程中某一时刻测得的斜距与已知数值之间的差异就可以看做是由气象条件变化诱发。此时，可以在计算机工作组调取区域差分气象参数，为水库大坝变形控制提供数据参考。

2.1.3应用过程

在运行历程中，水库大坝体裂缝监测最大倾角为0°0′26″，坝顶、土坝、混凝土坝廊道水平位移最大值分别为8.13mm、1.11mm、1.11mm。而坝体裂缝监测仅有一处测值年变化幅度较大，但最大变化量小于3.0mm，其余变化量均小于1.0mm。总的来说，受水库水温、水位及地形因素影响，裂缝无较大发展。

2.2渗流监测

2.2.1监测系统

水库大坝渗流监测自动化系统包括一副坝浸润线监测、大坝左岸绕坝渗流监测、坝基扬压力监测、大坝右岸绕坝渗流监测、坝体渗流量监测、二副坝渗流监测几个部分组成，除坝体渗流量监测采用超声波水位计外，其余均采用电热法测量。

2.2.2应用原理

水库大坝渗流监测自动化系统无法直接进行渗流参数测量，主要是通过测量渗流发生位置的温度变化，反演渗流参数。常用的介质温度测量方法为电热法、梯度法，均是依据热传导能量方程开展。

2.2.3应用过程

水库大坝安全监测自动化系统在水库除险加固工程中实施，经过近一年试运行，发生了一次总线故障，导致采集数据无法传输至监测管理站，但因系统采用分布式结构，总线故障排除后可以进行数据采集装置中存储数据的重新读取。通过对各绕渗监测读取数据进行分析，得出该水库大坝均存在不同程度的绕坝渗流，渗流量大小受所处位置、库水位、气候因素等诸多因素影响。如因测点位于断层位置，而断层位置地质条件较差，扬压力监测渗透压系数为一个较大值，但均在最大渗压系数0.3以下，其余各个位置渗压系数则处于一个较小的数值。除此之外，一副坝浸润线监测也可以反映坝体具体渗流情况特别是在下雨前后的渗流情况。

3水库大坝安全监测自动化技术应用措施

3.1智能监测结构，确保大坝稳定

水库大坝在修筑的过程中，对大坝的整个结构、内在构造要求很严格，在最后的安全验收阶段，也会对水库大坝的内在构造进行重点验收。由此可见，在水库大坝正式投入使用之后，也应该对大坝的结构是否变形、内在构造是否损怀等问题进行相应的安全监测。水库大坝的工作人员可以利用自动化的技术，在水库修筑之初就将自动化监测系统安装到整个大坝结构之中。特别是对最容易变形的地方，以及最不容易被安全人员监测到的地方，进行监测设备的重点安装。安装时，主要是针对水电大坝垂直和水平两个方向上进行安装监测。工作人员在对投入运行后的水库大坝进行监测时，主要是通过分析水库大坝横向和纵向两个方向上的数据来判断，是否存在有位置移动的问题。目前，我国90%以上的水库大坝都是采用混凝土的结构，因此需要监测的预备点有很多，但是对于水库大坝是否有位置移动问题的监测，还没有全面推广。这是一些小型的水库大坝在实际运行过程中，发生了位置移动却不被安全人员所知，最终造成相应的损失的很重要的原因。因此，建议每一个水库大坝都每隔四十米或者六十米设置一个监测点。让整个水库大坝的整体结构和内在构造都处在实时监测之中，方便安全监测人员找出问题，从而保证水库大坝的稳定运作。此外，企业主管人员应该结合人工智能趋势，将自动化的渗流监测装置与人工智能的数据分析系统结合起来。毕竟，自动化在应用过程中会存在大数据分析误差等问题，对于实际预测问题的行为力较差。但是，将自动化的渗漏监测器的数据系统，汇集到人工智能的数据库中，利用人工智能系统进行分析与监测，能够更大程度的提高水库大坝的安全性能。

3.2自动测试渗透，增强安全性能

对于水电大坝的安全监测，除了最重要的结构监测之外，就是对水电大坝的实时渗透情况是否有监测。由于各个水库实际经济情况不同，不同渗流器对每分钟水库大坝的渗流量和渗透压力都做出的统计精确度是不同的。因此，国家或者当地政府可以适当的帮扶“较困难”企业购买精准度高的渗流器。使其对每天每个时间段，水库大坝的渗流量，做出精确的统计，方便相关人员做记录。这样一方面能够降低渗流量测试员的工作量，另一方面也能够提升各个地区渗流量的科学监测性。并且，工作人员通过及时的分析数据也能够很快地监测到地下水的流量情况。设置流量的监测点，可以安排在基础廊道以及大坝本体的不同地段，让自动监测仪器尽量结合水库排水渠中的积水、排水情况来做出分析。由于渗透压力方面的监测，需要将仪器安装到大坝的底部或者水渠之中，因此对仪器的质量和它的精细度要求很高。在购买过程中应该尽量购买更适合自己水库大坝的监测仪器，选择更具信赖的商家。

3.3选择智能传感，降低风险概率

目前在水库大坝的智能传感设备中，最主要运用的是位置移动传感、地下水位监测传感、中央控制传感等几个设备。位置移动传感在之前已经说过，它主要是对大坝是否有进行位置移动进行监测，以方便安全监测人员对大坝的使用寿命进行评估。但是通常位置移动的智能传感设备在对数据进行监测时，获取监测结果比较慢。虽然，它对实际监测的环境要求不严格，但很容易导致对监测位置的偏移，使监测结果不准确。对于中央控制传感设备而言，它是由整个电源设备控制设备、显示设备和任务主机辅助构成的。在信息化技术不断发展的今天。中央控制传感设备是对水库大坝形成了一个全网络覆盖式的监测系统。通过对这个系统的记录与运作，可以保证大坝的有效运行。并且中央控制传感设备有它独特的优点，，监测数据也较精确，后期的维修成本较低。在所有的这些智能传感设备中，对要求最严格以及操作最复杂的，就要数地下水位智能监测设备了。由于它采用的是激光悬浆，虽然它很耐用，也不易受到大气压的影响，但是他所监测出的数据不是很准确，并且为了保持渗压器其内部的干燥性，它也需要增设辅助气压计，这也造成了它的成本较高，许多小型水库无法承担。

3.4及时培训人员，提高工作效率

对水库大坝的安全监测实现自动化，并不代表就不需要相关的安全人员对水库大坝进行监测了。实现自动化只是从操作层面减少安全监测人员的工作量。而原来需要对水库大坝做实地分析的安全监测员，只需要留下很少的一部分，另外一部分需要让他们投入到对自动化以后收集到的水库大坝信息和数据的相关分析与处理中去。因此，首先要对这部分人员进行相应的智能化和信息化、自动化的技术培训。目前我们的水库大坝工作人员需要掌握的自动化技术有智能传感器、地下水位监测装置、中央控制设备和位置移动传感器这几种。这些设备的运营，肯定需要专业人员。因此，水库需要派遣本就具有这方面知识的专业人员外出培训，进行更专业的学习，回来之后担任总技术与总监控的任务。而抽调回来的那部分原有的负责每天实地采集的人员，主要是要去教他们，如何对数据进行简单的处理，对仪器进行简单的启动与故障处理。同时，水库还需要培训相应的专业人员，对采集出来的数据，以及经过电脑控制分析之后的数据，进行最后的汇总与分析，尽量通过这些可视化数据，对水库的使用寿命，和它会遇到的问题做出良好的预估与评判。这样，一方面不至于利用自动化技术后水库工作人员失业，另一方面也提高了水库安全监测中的工作效率。最重要的是，它对水库现在的运行情况，以及未来会出现的运行问题，都作了十分有效，并且科学的分析，十分有利于准确防范水库安全问题。

3.5加入人工智能，促进自动化进程

当前是人工智能高速发展的是时代，而现行的水库大坝自动化技术所选择的智能传感这一技术，其实是可以与人工智能技术相结合的。因为水库大坝的智能传感是通过三个主要的传感器组成的，那么在进行传感之后必然要涉及到数据的分析，而人工智能其实在这方面有着天然的优势。故而，如果今后水库大坝的自动化技术与人工智能建立了相应的联系，将会更利于水电大坝的自动化进程。并且人工智能技术与水电大坝的自动化技术相结合之后，其实对于水库大坝的发展来说是更为有利的，首先它能够更大程度上节约水库大坝的人工成本，因为人工智能它有非常丰富的数据库以及很强悍的分析能力，人工智能可以实现对水库大坝底部的结构进行更精确的监测，它对数据的处理分析以及对一些可能存在问题的预测能大于实际人工的预判。

4水库大坝安全监测自动化系统的应用效益

4.1保障运行安全

对于运行多年的水库大坝而言，大坝安全与否，不单单取决于大坝自身固有工程地质条件、所处外部环境因素、工程设计施工运营管理措施，而且取决于贯穿于大坝运行整个过程的监测条件。通过将自动化系统应用于水库大坝安全监测，可以实时、全面、动态更新大坝运营数据，发现日常运行管理期间特别是大风、暴雨、洪水、地震等恶劣条件下大坝运行风险隐患，及时采取措施，保障大坝安全运行。

4.2促进水利信息化建设

信息技术是全球通用性最佳、创新速度最快、渗透性最强的新

技术。水利信息化就是最大程度挖掘现代信息化技术优势，广泛利用信息资源，促进信息交流，实现水库基本水情雨情、防洪调度、安全监测、安防监控、兴利调度一体化。通过自动化系统在水库大坝安全监测中的应用，可以带动水利现代化、信息化建设，为水利事业发展提供充足借鉴。

4.3实现科学管理

《水库大坝安全管理条例》明确提出必须依据相关技术标准对大坝进行安全监测，随时掌握大坝运行情况。传统水库大坝安全监测存在渗流监测设施布设少、内部分成水平位移监测设施功能丧失、渗压渗流自动检测采集抗雷击能力差等问题，影响了大坝管理科学性。而通过将自动化系统应用于水库大坝安全监测，可以及时、准确获取大坝监测数据，为水库安全定期检定、安全管理、资源调配工作的科学开展奠定基础。

5总结

综上所述，自动化系统在水库大坝安全监测中的应用，可以将水库大坝管理提升到一个新的高度，预期效果较为显著。因此，水库大坝安全管理人员应依托自动化技术，面向工程运行管理、质量评价、结构分析，构建一个完善的安全检测框架，全面、细致监测大坝运行情况，并积极参与到大坝管理决策中，带动水库大坝整体管理工作以及区域社会的安全、健康发展。

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