大壩滲流監測系統設計與滲流計算機模擬研究

鄭會耀

摘 要：在我國的大壩中，土石壩占比高達90%.由于材質本身的自穩性較差，極易出現滲流破敗的情況，而滲流會對大壩造成嚴重的損害。以大壩滲流監測系統設計為研究主體，深入闡述了總體設計方案和細節設計、軟硬件的分類等，同時，還介紹了與滲流相關的計算機模擬技術，以期為實際操作提供理論參考。

關鍵詞：大壩滲流；監測系統；計算機模擬技術；設計方案

中圖分類號：TV698.1 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.24.062

1 滲流監測

實時監測是保證水庫大壩安全的重要措施。壩體滲流會受三維因素的影響，而復雜的邊界條件、多樣化的地質條件導致在壩體實施的防滲、導滲措施難以落實。通常情況下，滲流監測是指用人工觀測記錄監測數據，定期整編數據變化趨勢或者利用軟件進行模擬操作，從而有效分析和控制大壩的工作性態。

2 大壩滲流監測系統設計

滲流監測系統的設計目標是保證堤壩工程安全、高效的運行。在設計監測系統時，不僅要實現對整體的宏觀把控，還要把控細節要點。整體設計包括設計原則、基本功能和方案3部分；細節設計則從滲流監測系統硬件和軟件2個方向加以研究、分析。

2.1 系統設計

2.1.1 總設計原則

以現有國家相關規范為設計依據，設計方案要滿足現行《大壩安全監測技術規范》的相關規定。系統設計原則主要包括以下幾點：①專業性。嚴格測定觀測設備的架設位置，并結合工程施工現場的環境、地質特征、數據實驗等選擇最具代表性的檢測點。②可靠性。因為堤壩建設區的自然條件較為惡劣，所以，綜合地區氣候等條件，不僅要保證檢測系統性能的穩定，還要在不同時段或者特殊環境中保證系統運行的安全性和可靠性。③擴展性。在設計系統容量時，要考慮今后的擴充范圍。④兼容性。對于不同類型的傳感器，信號處理和參數測定時要保證系統具有強大的兼容性。⑤經濟、便于維護。在硬件設備上，要盡可能控制預算，保證其具有一定的檢測空間，而且便于后期維護。

2.1.2 基本功能

大壩滲流監測系統的基本功能有3點：①數據自動化采集。監控系統分區設置檢測單元，通過上位機的管理，按照設定的檢測方式和頻率實時采集日常觀測數據，并將采集數據由串口傳入GPRS模塊。②實時監控。對重點檢測區實時觀測記錄，結合采集信息對比設計允許值，根據偏差值判斷大壩的受力狀態，一旦出現險情，要即時啟動警報裝置。③測量數據計算。修正、整理前期采集的數據，分析不同時段的變化趨勢，判斷堤壩的滲流狀態能否達到理論預測。

2.1.3 總體設計方案

目前，大壩滲流監測的內容主要包括繞壩滲流、滲流量、揚壓力、滲水壓力、導滲降壓和地下工程外水壓力等。由于系統監測規模比較大，所以，在實際設置相關參數前，要在實驗室內模擬測試。結合設計原則和系統的基本功能，總體設計方案主要包含3個模塊，即現場采集終端、數據傳輸和監控中心。

2.1.3.1 現場監測終端

現場監測終端是由各式傳感器構成并形成網絡測試結構，以監測和采集數據為主要功能。利用傳感器的工作原理可以實現單點測量、定時測量和巡回測量等，將采集數據合理分裝傳送至采集裝置（MCU）上。監測系統采集的數據主要包括大壩不同部位（壩基、壩體）的滲透壓力、水庫上下游水位和檢測區域水溫等。傳感器將測得的物理信號轉為電信號傳入采集模塊，而得出的數據通過封裝、串口傳送最終保存至GPRS模塊中。整個流程構成現場監測終端單元。

2.1.3.2 數據傳輸

相關數據是由傳感器采集的，將其傳至采集模塊進行轉化處理、封裝儲存，再由串口傳至GPRS模塊。監測中心利用網絡端口連接GPRS模塊讀取數據采集包，通過解析將數據保存至數據庫，以完成采集數據的傳輸工作。

2.1.3.3 監控和數據處理

監控中心要分析、處理接收到的數據包，一方面，要接收、修改、分析、校核、封存數據；另一方面，要發送采集命令，通常是指采集形式、采集頻度和停止采集等，以實現雙向操控。

2.2 監測系統硬件設計

大壩滲流監測系統硬件設計主要指監測傳感器選擇和監測儀設計。其中，傳感器單元的設計重點在于選擇滲流監測傳感器。監測儀的硬件設計包括信號采集、信號轉化、數據輸入、通訊部分和人機互動等。由于大壩滲流監測時間跨度較大，所以，可采用上位機與測試單元、用戶交流。為了實時采集、記錄和快速反饋數據，系統設計中通常帶有LCD顯示部分。整個監測儀硬件設計部分包括電路的數字設計、模擬電路設計和人機接口。

2.3 監測系統軟件設計

監測系統軟件設計的內容有單片機終端軟件設計和監控軟件設計。其中，單片機終端軟件設計主要是指應用程序、數據獲得、數據分析、通信串行；監控中心軟件設計主要是指數據接收、數據顯示、計算封裝和通信控制等。整個設計以模塊化的方式依次展開，結合系統的基本功能組合、調試，最終實現各部分的協調兼容，從而快速完成檢測數據的處理反饋。

3 大壩滲流計算機模擬

3.1 計算原理和軟件介紹

現階段，流體力學解法和水力學解法被廣泛應用于大壩滲流計算中。根據廣義概念的解釋，還包括圖解法、試驗法和函數計算法等。其中，流體力學解法僅適用于部分比較簡單的滲流情況。在實際應用過程中，當邊界條件較為復雜時，對于非均質、非穩定的滲流，可采用水力學解法結合圖解法、試驗法等公共求解。滲流計算是在已知定解條件下運用相關方法計算滲流場水頭分布及其他滲流要素。20世紀60年代，有限單元法的提出為滲流計算提供了計算理論，推動了滲流計算向模型化的方向發展。其運行的基本原理是將研究區域原有的連續性

狀態離解為多個有效的單元體進行研究，通過變分原理等建立問題研究模式，得出近似解，最終運用數學歸納法聯立方程式求解。在此過程中，將有限單元法原理充分智能化的是Ansys軟件。該軟件集結構、流體、聲學等各類物理要素分析為一體，目前已被廣泛應用于各類工業生產和科學研究領域。下面將以Ansys軟件為例介紹計算軟件在大壩滲流模擬中的作用。

3.2 模擬示例

筆者結合計算原理分析了某水庫壩體結構斷面的滲流穩定性，并用計算機模擬相關內容。壩體土質為黏土，將滲流系數設為a，繪制其斷面形式，如圖1所示。在Ansys軟件中，分析溫度場的相關情況得出計算方程，并將土體滲流問題轉化為溫度場問題。然后利用軟件提供的死活單元技術殺死處于壩體侵潤線上部的單元，激活下部單元，參照相應的邊界條件分析相關內容。如圖2所示，采用軟件中的網格自適應系統得出滲流水頭分布圖、流速分布圖和滲流梯度分布圖等，以實現對壩體滲流各要素的計算機模擬。滲流梯度分布如圖3所示。

4 結束語

隨著水資源的深入開發，鑒于堤壩建設區地質條件的復雜性，對大壩的建設規模和所使用的技術提出了更高的要求。安全性是堤壩發揮其作用的前提條件，合理化、系統化、專業化的滲流監測系統設計是其中的重要環節。本文從滲流監測系統的設計原則、設計內容出發，闡述了與其設計相關的要點，并分析了滲流的計算機模擬情況。

參考文獻

[1]田俊生，高明忠.大壩安全監測技術研究[J].四川水力發電，2012（01）：85-88，160.

〔編輯：白潔〕