漁洞水庫大壩安全監測自動化系統的實施

張忠舉 周柏兵 周克明 趙 陽

（1.水利部南京水利水文自動化研究所，南京 210005 2.江蘇南水科技有限公司，南京 210012）

1.概述

漁洞水庫大壩為砼細骨料砌石重力壩，從1958年、1973年兩度上馬到第三次上馬，漁洞水庫工程建設前后經歷了34年。最大壩高87m，壩頂長225.5m，壩軸線方位角北東30°59′。大壩共分為十個壩段，第一壩段長21m，第五壩段（溢流壩段）長24m，第十壩段長 26.5m，其余7個壩段長均22m，壩頂寬12m。

漁洞水庫曾建設過大壩人工監測點，監測手段較為落后，為改善漁洞水庫大壩安全監測手段落后的狀況，及時掌握漁洞水庫大壩的運行變化情況，確保水庫安全運行。根據《水庫大壩安全管理條例》、《混凝土壩安全監測技術規范》等要求，通過到漁洞水庫進行調研，與水庫大壩安全監測人員進行溝通，深入分析灌區對大壩安全的監測需求，從大壩安全實際需要出發，結合過去大壩安全監測建設內容，確定必要的監測項目，積極引進國內外先進的技術和設備，建立大壩自動監測系統，完善大壩管理水平，保障大壩安全運行。

2 變形監測

2.1 壩頂水平、垂直位移監測

目前壩頂布置一條視準線，每個壩段一個觀測綜合標點，共10個測點，在左右岸灌漿平洞內各設一個工作基點及一個校核點。采用經緯儀及水準儀人工監測水平位移及垂直位移。

2.2 廊道水平、垂直位移監測

目前在頂層縱向廊道中布設一條引張線，在2#～9#壩段各設一個觀測點，共8個測點，引張線兩端點設在1#和10#壩段。端點位移各設一條倒垂線進行校核，1#、10#壩段倒垂線各深入基巖20.51m和 19.80m。

在頂層、中層、底層廊道內每個壩段部位各設一個水準測點，共19點，采用水準儀人工觀測，在右岸導流出口設工作基點。

2.3 基巖變形監測

在5#壩段沿壩基從上游至下游均勻地布置5支基巖變位計，在6#壩段的壩踵和壩趾也布置1支基巖變位計。在5#、6#壩段壩踵各布置一套4點式多點位移計。采用連接二次儀表的方式進行人工監測。

2.4 右壩肩滑坡體變形監測

目前在右壩肩共布置3套測斜孔，采用活動測斜儀人工監測，但均已年久失效。

3 滲流監測

3.1 揚壓力

目前縱向揚壓力是在基礎灌漿廊道主排水幕處每個壩段各布置1根測壓管，共10根，采用壓力表人工讀數方式進行觀測，部分測壓管失效。橫向揚壓力是在在5#、6#壩段基礎排水廊道橫斷面上各布置4組U型測壓管，采用壓力表人工讀數方式進行觀測。

壩體滲透壓力是在5#壩段上游面布置2層滲壓計，共6支。采用連接二次儀表的方式進行人工監測。

3.2 滲流量監測

壩體滲流量測量共有3處，測量方式為人工鋼尺觀測堰上水頭，然后進行滲流量的換算。

3.3 繞壩滲流監測

在大壩左、右岸帷幕后各布置5個繞壩滲流觀測孔，其中在壩頂灌漿平洞內各布置2個，在壩下游岸坡各布置3個，共10個。采用人工觀測測孔水位的方法進行監測。

3.4 堵頭滲流監測

在導流洞堵頭與圍巖交接處布置滲壓計6支。采用連接二次儀表的方式進行人工監測。

4 應力監測

4.1 砼應力監測

壩體應力是在5#壩段1915.00m高程橫向布置5組4向應變計及5支無應力計；另在靠上游面布置垂直應變計1支，靠下游面布置兩向應變計1組。

壩踵和壩趾應力是在5#、6#壩段壩踵和壩址處分別各設4向應變計和兩向應變計各1組，壓應力計和無應力計各1支。采用連接二次儀表的方式進行人工監測。

4.2 鋼筋應力監測

底孔鋼筋應力是在5#壩段泄洪底孔閘門前設1個觀測斷面，在底孔四周的角緣處各布置鋼筋計1支，共4支。壩體鋼筋應力是在5#、6#壩段壩踵處砼與基巖之間各布置鋼筋計1支；另在5#壩段上游1908.20m高程角緣處布置鋼筋計1支。采用連接二次儀表的方式進行人工監測。

4.3 堵頭應力監測

在左岸導流洞堵頭砼內布置應變計10支，無應力計1支，樁號斷面中心處的第三層砼筑塊下部布置一套六向應變計及1支無應力計；在0+128m樁號斷面中心處的第三層砼澆筑塊下部布置一套四向應變計。采用連接二次儀表的方式進行人工監測。

5 溫度監測

5.1 壩體溫度監測

在 5# 壩 段 1928.00m、1948.00m、1963.00m高程布置三層溫度計。另在3#、4#、6#、8#壩段內各布置1支溫度計。采用連接二次儀表的方式進行人工監測。

5.2 基巖溫度監測

在5#壩段距壩軸線15.5m的鉆孔內,距基巖表面2m、5m、9m處各布置1支溫度計。在導流洞右邊墻巖石鉆孔5m、1.5m深處布置2支溫度計。采用連接二次儀表的方式進行人工監測。

5.3 水庫水溫監測

目前在5#壩段靠上游面1908.20m、1928.00m、1948.00m、1963.00m、1975.00m、1983.80m高程布置1支溫度計。采用連接二次儀表的方式進行人工監測。

5.4 堵頭溫度監測

在導流洞堵頭內布置3支溫度計，即：在0+122m樁號砼底部第一層布置1支溫度計；在0+128m樁號靠右邊墻砼第二層內布置1支溫度計，砼底部第一層內布置1支溫度計。采用連接二次儀表的方式進行人工監測。

6 大壩安全監測分類改造方案設計

6.1 變形監測

6.1.1 壩頂水平、垂直位移監測

在壩頂左右平洞之間軸線方向開挖一條貫通左右岸的溝槽，在溝槽之內建立水平、垂直位移自動測點（結合布置），自動測點和現場人工測點一對一結合布置，以便相互校核。

水平位移布置：采用引張線法對壩頂水平位移實現自動監測，引張線固定端和張緊端分別安裝在左右岸灌漿平洞的工作基點附近，每個壩段一套引張線儀共10套引張線儀；

垂線位移布置：采用靜力水準法實現壩頂垂直位移實現自動監測，在水平位移測點附近建立靜力水準測點，基點選擇左岸灌漿平洞工作基點附近，共計布置11套靜力水準儀。

引張線儀器及靜力水準儀器電纜沿著電纜溝就近牽引至左右平洞測站內MCU進行觀測，電纜沿途用鋼管保護并可靠接地以防止長電磁感應及電磁干擾。

6.1.2 廊道水平、垂直位移監測

頂層廊道水平位移：在原有引張線及垂線基礎上進行改造，引張線主要保留管路及鋼絲等設施，更換原測點裝置，加裝全新的引張線儀器；垂線則加裝垂線坐標儀進行自動化觀測。頂層廊道垂直位移：在引張線測點附近安裝靜力水準測點進行廊道垂直位移監測。中層廊道垂直位移：在原人工測點處設置靜力水準儀器實現自動化觀測，中層廊道高程高低不一，本層采用支架安裝以調和高程不一的問題。

底層廊道垂直位移：在原人工測點處設置靜力水準儀器實現自動化觀測。

以上測點儀器電纜均采用保護管進行保護就近牽引至各層廊道MCU處進行自動觀測。

6.1.3 基巖變形監測

將基巖變位計就近接入各層廊道的自動監測站，實現自動監測。

6.1.4 右壩肩滑坡體變形監測

在原有的測斜孔附近重新鉆測斜孔，并安裝固定測斜儀實現自動監測，同時就近安裝野外自動監測站。

6.2 滲流監測

6.2.1 揚壓力

將壓力表測壓改為測壓管中安裝滲壓計的方法進行縱向揚壓力自動監測，并對失效的測壓管重新鉆孔，共計增加10支滲壓計，滲壓計電纜接入底層廊道自動監測站。

將壓力表測壓改為測壓管中安裝滲壓計的方法進行橫向揚壓力自動監測，共計增加4支滲壓計，滲壓計電纜接入底層廊道自動監測站。

6.2.2 壩體滲透壓力

壩體滲透壓力是在5#壩段上游面布置2層滲壓計，共6支。將滲壓計接入自動監測站實現自動監測。

6.2.3 滲流量監測

增加量水堰計進行堰上水頭的自動化監測，量水堰計就近接入自動監測站，共計增加3個量水堰計。

6.2.4 繞壩滲流監測

在測壓管中增加滲壓計，實現繞壩滲流的自動監測，對失效的測壓管在附近重新打孔，共計增加10支滲壓計。

6.2.5 堵頭滲流監測

將堵頭滲流監測滲壓計接入自動監測站實現自動監測。

6.3 應力監測

將砼應力、鋼筋應力、堵頭應力就近接入自動監測站實現自動監測。

6.4 環境量監測

采用壓力式水位計進行上下游水位觀測，上游水位計引接至左岸灌漿平洞自動監測站；下游水位計就近接入測站就行觀測，水位計線纜全程采用保護管進行保護。

6.5 溫度監測

將壩體溫度、基巖溫度、水庫水溫、堵頭溫度就近接入自動監測站實現自動監測。

7 大壩安全監測系統設計

7.1 接入系統的監測項目及儀器數量

序號 儀器、設備名稱 單位 總計 備注1 引張線儀 套 18 2 垂線儀 套 2 3 靜力水準儀 套 33 4 固定式測斜儀 支 15 5 滲壓計 個 24 6 量水堰計 套 3 7 通氣型滲壓計 個 2

本工程將目前安全監測所有內部儀器及新增引張線儀、垂線儀、滲壓計、測斜儀、量水堰計等均納入安全監測自動化系統?，F場監測站分布在各建筑物現場，由一個或者多個測量單元(MCU)組成。同一監測站一般設置多臺測量單元，測量單元之間采用通訊電纜進行連接；本項目測站之間，測站與管理站之間同樣采用電纜通訊。

7.2 監測管理中心

監測管理中心包含：采集工控機、數據服務器、網絡交換機、打印機等外設；其主要功能是通過安全監測信息采集管理對監測管理站自動和半自動采集的數據、人工測讀的數據、工程所有與安全監測相關的文檔資料進行集中統一管理，可向監測管理站的采集計算機或直接向分布于各部位測站發布相關控制指令，同時預留遠程服務功能接口。

監測管理中心站具備有適合的工業應用環境，具備良好的接地、防雷、抗干擾功能，具備凈化電源和不間斷電源，確保系統穩定供電。配置有較高運算速度和較大存儲容量的PC機和服務器，并配有必要的外部設備。監測管理站計算機、監測管理中心站服務器和工作站計算機后臺數據庫統一為SQL server2008或其它大型關系型數據庫軟件。數據服務器對所有數據（原始數據、整理整編數據等）采用規范格式統一管理在同一數據庫中，前臺的監測信息管理系統具有服務器端功能，不同授權用戶能遠程控制管理各子系統計算機的所有和部分功能，具備與監測管理站進行網絡通信和數據采集的能力，具有24小時不間斷運行的在線監控和分級報警功能。工作站計算機的監測信息管理系統除服務器端功能外其余全部功能應齊備，滿足日常監測工作的需要，具有完善的臨時和歷史測值的數據庫管理能力、畫面、報表編輯功能，具有系統自檢、診斷功能，并實時打印自檢、診斷結果及運行中的異常情況，作為硬拷貝文檔。

7.3 現場自動監測站

7.3.1 測站概述

測站用于放置MCU及匯集各種傳感器，主要用是利用測量單元(MCU)對監測傳感器進行數據采集、存儲、電源管理及監測數據上傳，并接收來自監測管理站及監測中心站上位機的控制指令。其位置主要根據建筑物布置和施工期監測儀器電纜走線情況等因素考慮，便于監測電纜的牽引，力爭使電纜牽引長度最小，考慮自動化數據采集模塊的利用率高。

7.3.2 自動監測站位置及個數

現場自動監測站包括壩左岸灌漿平洞1個、右岸灌漿平洞1個、頂層廊道1個、中間廊道2個、底層廊道2個、右岸滑坡處1個、導流洞出口1個，共計9個自動監測站。

左岸灌漿平洞自動監測站需要1臺采集單元（MCU），需要采集項目有靜力水準儀壩頂垂直位移數據和左岸繞壩滲流數據。

右岸灌漿平洞自動監測站需要1臺采集單元（MCU），需要采集的項目有右岸繞壩滲流數據。

頂層廊道自動監測站需要1臺采集單元（MCU），需要采集頂層廊道的靜力水準儀監測的垂直位移數據，同時將該層廊道內原有的溫度等監測數據接入到采集單元，實現自動化監測。

中間廊道自動監測站需要4臺采集單元（MCU），需要采集該層廊道的靜力水準儀監測的垂直位移數據、量水堰計的滲流量數據，同時將該層廊道內原有的溫度、應力、滲壓等監測數據接入到采集單元，實現自動化監測。

底層廊道自動監測站需要2臺采集單元（MCU），需要采集該層廊道的靜力水準儀監測的垂直位移數據，滲壓計數據，同時將該層廊道內原有的溫度、應力、滲壓等監測數據接入到采集單元，實現自動化監測。

導流洞口處自動監測站需要1臺采集單元（MCU），需要采集左岸導流洞內原有的溫度、滲壓等監測數據接入到采集單元，實現自動化監測。

右岸壩肩滑坡體處自動監測站需要1臺采集單元（MCU），需要采集壩肩滑坡體的變形數據，實現自動化監測。

7.4 系統通信、供電、防雷方案

7.4.1 系統通信方式

現場通信網絡主要采用485通訊線構建符合RS-485標準的總線型通信網絡。監測站內的所有監測儀器接入相應的數據采集單元（MCU），通過數據采集單元（MCU）將儀器數據信號統一轉換為數字信號傳輸。監測站內數據采集單元通過485通訊電纜與監測管理中心進行通信，傳輸至采集計算機。

灌漿平洞和廊道中監測站采用通訊電纜與監測中心進行通信

右岸壩肩滑坡體、左岸導流洞口處監測站采用GPRS方式與監測管理中心進行通信。

7.4.2 系統供電方式

灌漿平洞和廊道中有市電，采用市電供電。右岸壩肩滑坡體、左岸導流洞口監測站采用太陽能供電。

數據采集單元（MCU）具有電源管理、電池供電和掉電保護功能。蓄電池供電可在脫機情況下根據系統的設定自動采集和存儲，其供電時間不少于7天。所有MCU的電源、通信和觀測儀器的輸入輸出口均設置過壓保護，具有在正常振蕩范圍內保證電路正常工作電壓水平的保護裝置。

監測管理中心同時配備不間斷電源（UPS），當交流電源掉電時UPS維護系統正常工作時間不小于30min。

7.4.3 系統防雷方案

為確保自動化監測系統穩定、正常運行，壩頂自動化系統導線類電纜采用鍍鋅鋼管保護，電源線路接入/接出監測管理站或監測站時需有防雷器保護，系統接地接入工程的接地網，監測站接地電阻不大于10Ω，監測管理中心站接地電阻不大于4Ω。

系統防雷電感應：1500W，瞬態電位差：＜1000V。在MCU機箱交流電入口處配置電源避雷保護器，電源防雷器應良好接地，接地電阻應不大于10Ω。

在模塊和通訊設備之間加裝通訊口避雷器進行過壓保護；在模塊和傳感器之間加裝信號避雷器進行過壓保護，使測量回路的直流電壓、直流電流、電阻及低頻率信號免受雷電或過電壓的干擾。

8 結論

漁洞水庫大壩安全監測自動化系統的實施，自動化監測系統的形成，大壩監測系統信息化管理水平上一個臺階。同時為同類工程監測自動化系統的安裝創造了很好的經驗。