論棋盤山水庫大壩安全監測自動化系統技術研究

劉　奇　高永超　何維民

摘要 大壩是水庫的重要樞紐，是保障水庫功能和效益發揮的關鍵，大壩安全自動監測是保證大壩安全的重要措施，是壩工設計、建設和運行管理中必不可缺的工作。對遼寧省棋盤山水庫實現大壩安全監測自動化系統技術研究成果進行介紹，并重點對實現土石壩安全監測自動化的關鍵技術進行探討。

關鍵詞 土石壩；安全監測；自動化系統；遼寧沈陽；棋盤山水庫大壩

中圖分類號 TV62 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2009）07-0280-01

棋盤山水庫位于沈陽市棋盤山開發區渾河支流蒲河上游輝山—棋盤山山谷中，是一座以防洪為主，兼顧灌溉、旅游等綜合利用的中型水庫。水庫控制流域面積133km²，總庫容8 016萬立方米。下游影響19個鄉鎮、4個國營農場、60多萬人口、7.33hm²耕地。長大鐵路、沈哈高速公路、沈北煤田等重要交通干線經過

此地，其地理位置重要。

1 研究目標

調查統計結果表明，造成病險水庫的主要原因之一就是大壩安全監測方法落后，人工監測不及時，監測數據不準確，不能及時發現壩體隱患，大壩長期帶病超限運行，在遇暴雨洪水高水位運行時，容易引起壩體滑坡或垮壩事故。因此，有必要研究適合于水庫工作環境的、能夠長期穩定運行的新型總線結構自動采集技術，以解決分散式結構采集模式在水庫實際應用中存在的問題。并結合當前世界先進的水庫土石壩自動化監測設備，綜合運用水利、計算機信息及通訊技術，結合實際土石壩工程，設計與開發土石壩自動化安全監測與分析評價預報系統，最終總結、研究水庫大壩安全監測自動化系統解決方案。

2 完成研究內容

2.1 大壩外部變形監測技術

具體研究內容包括水庫壩體外部變形的測點布設、應用全站儀進行外部變形自動化監測、外部變形數據分析模型理論及通用程序模塊的設計與開發等。

2.2 總線式結構自動化觀測技術

具體研究內容包括PROFIBUS、MODBUS總線結構式智能化（大壩）滲流、浸潤線監測技術研究，并根據水利工程特點設計全新的防雷系統等。

2.3 大壩安全自動監測技術

具體研究內容包括監測數據的自動采集、傳輸與入庫、采集數據庫的設計、數據庫優化技術、數據異常報警技術等。

2.4 水庫大壩安全分析評價預報系統

具體研究內容包括：基于實時采集數據庫、水庫工情數據庫、參數庫的大壩安全分析評價預報系統軟件設計開發的研究，系統通用性、可靠性、可移植性的研究，大壩安全分析、評價與預報模型理論的研究與通用程序模塊的

設計與開發等。

3 研究成果

3.1 總線式結構自動化觀測技術研究

通過理論研究和結合實際工程監測施工設計，應用現代電子理論方法對監測系統的系統結構、計算機監測軟件、傳感器等方面進行了優選研究，根據水庫大壩環境和不同水庫大壩參數的差別，先后選用了2種結構系統：PROFIBUS總線結構式智能化（大壩）滲流監測系統，MODBUS總線結構式智能化（大壩）滲流監測系統。實踐證明，2種結構系統具有接線量小、線路短、結點少、故障率低等優點，徹底解決了大壩監測中存在的電源波動、干擾、潮濕、高溫嚴寒和人為破壞等難題，為水庫大壩監測提供了現代化的方法手段。

3.2 系統防避雷技術研究

由于監測系統設備在壩面安裝、無廊道屏蔽、系統分布范圍大等原因，導致土石壩安全自動監測系統更容易遭受雷擊。專業統計分析表明，有90%的雷害是由感應雷電流沿通訊電纜、電源電纜進入系統損毀設備。本研究的工程防雷措施同時從構建覆蓋整套系統的屏蔽防護體系、切斷雷電流傳輸通道、建造良好下瀉通道最大限度輸導雷電流等方面入手，具體工程措施包括：數據傳輸主干路采用光纜通訊；所有電纜采用鍍鋅鋼管保護并地埋敷設，使系統設備和通訊線路完全置于全屏蔽法拉第籠的保護之下；合理利用測壓管體系構建接地系統，使系統接地電阻在1Ω以下；所有設備采用單端接地方式，避免由于地電位差引入干擾；在各信號電纜、電源電纜兩端加裝浪涌識別防雷設備，切斷雷電流傳輸通道；為整個系統加裝避雷針，最大限度降低直擊雷危害等。同時，研究設計了串聯式浪涌識別電源防雷、串聯式信號線避雷、分散式聯合接地系統模式和電源穩壓系統，有效地避免了直擊雷、感應雷和電壓浪涌波動對系統的破壞和影響。

3.3 水庫大壩安全分析評價預報系統

為開發建立具有通用性、可移植性的水庫大壩安全分析評價預報系統，本研究將系統劃分為數據采集子系統、數據管理信息子系統和分析評價預報子系統。對采集數據庫的效率優化、監測數據動態維護管理、壩體變形安全分析模型理論、滲流安全分析模型理論進行了深入研究。建立集壩體裂縫分析、過程線分析、浸潤線分析、位勢分析、相關分析及壩體安全綜合評價（包括壩體安全評價體系與評價準則的建立、模糊綜合評價模型、灰色關聯度評價模型與人工神經網絡評價模型的開發）等功能的大壩安全分析評價預報系統。

4 結語

通過對棋盤山水庫大壩安全監測自動化技術的研究，目前已形成一套成熟穩定的建設模式，項目研究成果對棋盤山水庫大壩安全監測自動化建設與除險加固改造具有全面的指導作用。該成果的實施能夠極大地提高水庫大壩的安全監測水平，提高水庫防洪和供蓄水能力，發揮水庫的巨大作用，對水庫流域的可持續發展具有促進作用和應用價值。

5 參考文獻

[1] 何玉春，謝明勇.水庫大壩安全觀測與運行管理[J].水利技術監督，2009（1）：71-72.

[2] 方衛華.國內外水庫安全管理與大壩安全監測現狀與展望[J].水利水文自動化，2008（4）：5-10.

[3] 于賀海，徐偉，郭維東.自由水庫大壩除險加固及監測設計研究[J].中國水運，2008（12）：154-155.