關河水庫除險加固中大壩滲流監測系統的優化

張競競

（山西省水利水電勘測設計研究院 山西太原030024）

1 工程背景

關河水庫是海河流域濁漳河北源干流上的大型控制性工程，位于濁漳河北源關河峽口處,距武鄉縣城2.5 km。總庫容1.41億m3，是一座具有防洪、灌溉、發電、養殖等綜合利用的年調節大型水庫。水庫大壩于1958年8月1日開工，1959年攔洪，1960年9月竣工。水庫運行以來，為防御洪水災害和保護下游人民的生命財產安全發揮了重要的作用。但由于當時的歷史條件，施工質量較差，使水庫質量存在諸多問題。同時，因當時設計標準太低，運行以來因缺少正常的維修管理資金，工程老化失修，被列為山西省的重點險庫。本次在對該水庫進行除險加固的同時，滲流觀測擬實現自動化監測。

2 大壩滲流壓力觀測

大壩滲流壓力觀測包括壩體滲流壓力和壩基滲流壓力觀測，其中壩體滲流壓力觀測包括觀測斷面上的壓力分布和浸潤線觀測。關河水庫現有的滲流觀測為浸潤線觀測，共4排13個。本次增加了斷面滲流壓力和壩基滲流壓力觀測設施。

1）壩體滲流壓力共布置了4個觀測斷面，其樁號分別為壩0+150、壩0+230、壩0+330、壩0+430，每個橫斷面上布置3條觀測鉛直線，位置為下游壩肩、下游排水棱體前緣各布置一條，中間部位布置一條。每個鉛直線上布置2個測點，位置為預計最底浸潤線以下布置一個點，預計浸潤線變化范圍內布置一個點。

2）壩基滲流觀測斷面及每個斷面上鉛直線位置與壩體滲流觀測斷面一致。每個鉛直線上布置1個測點，在壩基砂礫石透水層內。

根據大壩安全自動化技術發展水平，結合大壩觀測實際情況，大壩滲流實行自動化觀測。

2.1 技施設計時的有線監控系統

大壩安全監測系統控制方式為應答式,由大壩安全監測管理主機命令所設置的DAU數據采集單元，進行同時巡測或指定單臺單點選測，并將所測數據送到管理主機分析與存儲。

根據工程實際情況在大壩四個斷面上共埋設36個滲壓計，擬定在靠近大壩頂部第一個平臺上的對稱位置設2個DAU數據采集單元，大壩兩端兩個斷面上的18個滲壓計各共用一個DAU數據采集單元。將信號線穿鋼管埋設由各個滲壓計引至相應的DAU數據采集單元，并將2個DAU數據采集單元的信號線和電源線分別穿鋼管地埋引至管理局辦公大摟內的大壩安全監測控制中心。

大壩安全監測控制中心配置了上位管理主機1臺、大壩安全監測管理主機1臺、服務器1臺和相應的打印機與電源設備、調制調解器及數碼存儲系統。

2.2 施工時的無線監控系統

鑒于其他類似工程大壩監測部分采用較先進的無線監控系統，一方面可以避免原有線監控系統使用壽命短、易遭雷擊的缺陷，另一方面對已硬化的路面等建筑物不造成破損。施工時將有線監控系統優化為無線監控系統。

關河水庫大壩安全監測系統共監測1個庫水位和36個滲流滲壓點，每個檢測點采用電池供電的無線傳感設備，整個系統采用ISM頻段的無線傳感技術，不需要外接任何連接線。系統由中心監測站設備及大壩監測區設備兩部分組成。

中心監測站設備由計算機系統（包括計算機、打印機、后備電源）和無線數據轉換器以及大壩監測軟件組成。

大壩監測區設備由1個無線智能庫水位計和36個分布于各個測壓管的無線滲壓計組成。無線智能庫水位計連續不斷地檢測庫水位，當庫水位有1 cm的變化時，無線智能庫水位計主動發送ISM頻段的無線數據到中心監測站；或者當監測站需要實時數據時，發送命令給無線智能庫水位計，可實時檢測數據。無線智能庫水位計用太陽能電池供電。水位傳感器為低功耗的數字壓阻式傳感器。它靈敏度高，分辨率高，體積小，安裝于現有測井內的死水位以下。數傳無線裝置和太陽能電池系統安裝于測井房頂上面。

無線滲壓計采用干電池供電，3～5年換一次電池，大多數時間處于休眠狀態，當收到中心監測站發出的命令時，采集數據并把數據通過無線電波發回中心監測站。滲壓計也采用低功耗的數字壓阻式傳感器，它放置于滲壓管底部，通過防水線纜與放置于滲壓管口的無線數傳裝置相連。數傳無線裝置和太陽能電池系統安裝于測壓管管口保護蓋上。

2.3 兩種方案優缺點從以下幾方面比較

1）系統防雷電抗雷擊的能力

有線連接的大壩安全監測系統由于所有設備連成一個網，該網覆蓋面大，距離遠，極易遭雷電沖擊，造成損壞。而無線大壩安全監測系統由于各個設備相互獨立，受雷電沖擊要弱得多。

2）系統壽命和平均無故障時間

有線連接的大壩安全監測系統的各種連線是引入各種干擾的主要途徑，設備容易受損，某局部損壞可能導致整個系統癱瘓。而無線大壩安全監測系統引入的各種干擾要少得多，某一設備損壞并不影響整個系統。

3）施工管理

現有的大壩安全監測系統主要采用分布式系統結構，即監測系統各監測點和中心控制站間采用有線方式連接。由于監測點所處的地理位置分散且多，傳統的有線連接方式使得大壩安全監測系統存在著布線網絡搭建工作量大、投資大、監測點凋整不便的缺點。而無線大壩安全監測系統的設備安裝調試比較簡單，當現場條件允許時,維修方便。

4）兩種方案的主要工程量見表1。

表1 主要工程量表

5）投資

無線方案總投資55.6萬元，其中，直接費用47.4萬元；有線方案總投資69.3萬元，其中，直接費59.2萬元。直接費比無線方案多11.8萬元，總投資多13.8萬元，有線方案投資約高27.8%。

3 結語

采用無線監控系統一方面可以避免原有線觀測使用壽命短、易遭雷擊的缺陷，另一方面對已硬化的路面等建筑物不造成破損，而且投資少,施工、管理方便，使用壽命長。故大壩監測系統修改為無線監測系統。由此也看出，開發基于無線信息傳輸方式的大壩監測系統已是大勢所趨。