河南省淤地壩安全自動化監測系統設計與應用

馬松增， 徐建昭， 何明月， 丁 立

(1.河南省水土保持監測總站， 河南 鄭州 450008； 2.河南省水利勘測有限公司， 河南 鄭州 450003)

淤地壩是黃土高原水土流失地區控制溝道侵蝕的一項重要工程措施。研究表明，淤地壩對于減少入黃泥沙、區域經濟發展和生態環境改善等方面具有非常明顯的作用[1-4]。根據全國第一次水利普查成果，截止2011年底，河南省有淤地壩1 600多座，其中部分淤地壩工程下游影響區內有國道、高速、鐵路等重要交通線路及村莊，淤地壩的安全運行直接關系到人民群眾的生命財產安全[5]。及時高效開展淤地壩運行期監測和應急處理，確保淤地壩防汛安全，是全面提升淤地壩監管水平的有力手段[6]，也是黃河流域生態保護和高質量發展的源頭保障措施。

有研究者曾提出小流域淤地壩監測的內容、指標、方法，并選取典型小流域壩系，布設監測點，采用遙感、水沙觀測、調查等方法，連續開展淤地壩工程建設動態、攔沙蓄水、壩地利用及增產效益、壩系工程安全等監測[7]。近年來有研究者將三維激光掃描技術應用于淤地壩變形監測，獲取淤地壩壩體和庫岸表面數據[8]。段茂志[9]設計構建了小流域淤地壩防洪潰壩風險評價及實時預警模型，由實時降雨預測潰壩風險，在淤地壩潰壩之前發出預警預報。王彥武等[10]將低空無人機遙感技術應用于淤地壩水土資源監測中，為淤地壩的安全管理和預警提供支持。李想[11]基于物聯網實現了淤地壩管理部門對淤地壩汛情的及時了解和遠距離的大壩安全監控。以上這些淤地壩監測方法需要借助大量的人力物力，且缺乏連續性和時效性，在淤地壩易發生險情的強降雨條件下，往往不能實時、準確地預警淤地壩安全隱患。

本研究選取河南省5座典型淤地壩作為試點，2019年開始進行淤地壩安全自動化監測系統的設計、安裝、運行，以期實現淤地壩運行安全自動化監測數據的采集和安全隱患預測預警。

1 理論和方法

1.1 淤地壩安全自動化監測系統總體設計

淤地壩安全自動化監測系統由壩區監測點傳感器系統和監控調度中心兩部分組成一個有機的整體，實現壩體雨量、水位、滲壓、變形和位移、應力、視頻等監測數據自動采集、存儲，并滿足實時自動傳輸的要求。預警模塊依據淤地壩安全等級模型進行數據分析，并發布淤地壩安全預警信息。

淤地壩安全自動化信息傳輸拓撲圖如圖1所示：

圖1 淤地壩安全自動化信息傳輸拓撲圖

1.2 淤地壩監測內容和方法

淤地壩安全自動監測項目包括：降雨、水位、滲壓、變形、位移、應力、視頻監控這7個參數。

在每座淤地壩上獨立布設雨量計、水位計、滲壓計、應力計、地表位移站、視頻站、太陽能等供電系統等監測設備；每座淤地壩的監測設備由該壩體安裝的太陽能供電系統進行供電。各淤地壩監測設備通過傳感器系統與全省監控調度中心進行系統集成，從而實現全省淤地壩監測數據的自動化實時監測。

降雨、水位監測由布設在壩體的雨量計、水位計獲取并經由主控單元實時傳輸至數據中心。

滲壓監測根據工程的具體情況，在大壩上選擇合適的斷面安裝埋設相應傳感器，傳感器向測控單元傳輸監測數據，測控單元將采集的數據發送至主控單元，最后由主控單元傳輸至數據中心。

變形和位移監測采用高精度地表位移監測站實時自動化監測進行，監測點采用地表位移監測站多星多頻接收機作為數據采集設備，地表位移監測站接收機接收地表位移監測站原始測量數據，通過無線網絡由主控單元傳輸至數據中心進行處理，得到基準點與各監測點之間的相對位置數據，從而達到對各監測點的位移進行監測的目的。

應力監測由固定測斜儀對壩體內部應力進行實時監測，數據經由主控單元采集實時數據傳輸至數據中心。

視頻監控以網絡傳輸抓拍圖片的形式，記錄并傳輸現場實際情況。

1.2.1 水位和雨量監測 采用翻斗式雨量計實時自動化監測淤地壩的雨量，雷達液位計實時自動化監測淤地壩的水位。

每座淤地壩遙測水位站配置雷達水位計1套，數據采集終端1套。數據采集終端接收測站水位雨量數據后，通過GPRS網絡傳輸至數據中心。

水位雨量遙測站采用測、報、控一體化的結構設計，包括遙測傳感器(雨量計、水位計等)、數據采集終端、人工置數終端、通信設備、太陽能電源、蓄電池等。所選用雨量計主要參數：雨強范圍0.01～4 mm/min，允許通過最大雨強8 mm/min；雨量采集分辨率0.1，0.2，0.5 mm任意可選；具備智能、定時、召測等工作制式；交流、直流、太陽能燈多種供電方式。所選用水位計主要參數：測量范圍1.5～30 m；測量盲區<1 m；測量精度3 mm；最小顯示分辨率1 mm。

1.2.2 滲壓監測 根據壩體的長度選擇5個相等間距的觀測面，在觀測面壩體內布設滲壓計。采用振弦式滲壓計對壩體內部實時自動化監測淤地壩的滲壓，通過在壩體里鉆鑿鉆孔，把滲壓計放置在鉆孔里(與測壓管結合使用)。通過測量滲壓計的壓力，再轉化為水頭高度(高程)，結合安裝深度以及孔口高程得到壩體或者繞壩的浸潤線高度(高程)。測量精度誤差小于 10 mm。

浸潤線高度=滲壓管長度-安裝儀器高-

滲壓計測量高度

每座淤地壩配置振弦式滲壓計1套(5支)，與水位雨量監測系統共用數據采集終端。振弦式滲壓計主要參數：堅固耐腐蝕，體積小巧，可方便放置于需要測量的狹小空間；多量程可選，通常設定為25 m水深；可同步測量埋設點溫度；配套數據采集儀可自動控制測量，測量數據實時傳輸至監控平臺軟件；設備發生異常時能有效保存原始數據；測量范圍0～250 kPa；測量精度±0.1%；耐水壓為量程的1.2倍。

1.2.3 應力監測 根據壩體的長度選擇5個相等間距的觀測面，在觀測面壩體內布設應力計。

采用固定測斜儀對壩體內部實時自動化監測淤地壩的應力，其工作原理為：在壩體打孔，埋設專門的內部位移監測設備，實時的采集內部位移數據發送到服務器上，從而完成內部位移監測。通過鉆孔的方式，將測斜探頭通過連桿方式埋入地下，當壩體內部有位移變化時，測斜探頭隨之傾斜，信號電纜引入地面儀表連接測試，從而可精確測出水平位移量Δx，Δy或者傾角。根據Δx，Δy的值的大小，做出預報。

每座淤地壩配置固定測斜儀1套(5支)，與水位雨量監測系統共用數據采集終端。固定測斜儀主要參數：由斜測儀、導向輪、連接桿、屏蔽電纜、數據采集網關等組成；測量范圍±15°；靈敏度≤9″；測量精度±0.1%；耐水壓不低于1 MPa；讀數精度±0.02 mm/500 mm。

1.2.4 變形和位移監測 通過地表位移監測站完成淤地壩變形和位移的監測，地表位移監測站安裝2個監測點和1個基站點。

地表位移監測站由高精度北斗兼容GPS E40接收機和A40C天線、地表位移監測站無線數據傳輸模塊及太陽能供電系統、避雷系統、安裝桿支架等附屬設備組成。

地表位移監測站是野外地表自動化監測專用產品，可對淤地壩位移、變形等地質災害全天候自動化監測，支持監測數據遠程推送和本地存儲。地表位移監測站選用工業級器件和配件，提供標準化的安裝、使用和養護程序，易于安裝部署，適用于不同環境下長時間連續工作。

1.2.5 視頻監控 視頻監視系統主要由前端設備、傳輸設備、控制設備、記錄及監視設備4大部分組成。前端設備由安裝在監視點的高分辨率彩色攝像機、全方位云臺、變焦鏡頭和室外專業防護設備等組成。它主要負責圖象數據的采集和信號處理。

集中控制設備負責完成前端設備和圖象的切換控制、全方位云臺和三維可變鏡頭的控制。集中控制設備還可以對監視圖象進行分區控制和分組同步控制，借助軟件還可以提供圖象檢索和處理功能。

壩區視頻動態監控系統可以給水行政主管部門提供直觀、全場景的現場安全狀況，方便觀察壩體整體情況，以實現實時調度指揮、提高安全保障的力度及效率。

2 實例分析

2.1 淤地壩概況

本研究選取的5座淤地壩為：萬溝淤地壩、沈家溝淤地壩、魚池淤地壩、王家嶺淤地壩、雷疙瘩淤地壩。5座淤地壩位于不同的小流域，壩體皆為均質土壩，各淤地壩基本情況如表1所示。

表1 研究樣本淤地壩基本情況

2.2 監測設施布設與施工

2.2.1 水位和雨量監測設施布設與施工

(1) 設施布設。在5座壩體上分別布設1套雨量計和水位計。雨量計、水位計、視頻設備共用一個立桿。

各監測點位置布設情況如表2所示。

表2 水位和雨量監測設施布設情況

以雷疙瘩淤地壩為例，監測淤地壩水位和雨量監測點位典型布設格局見圖2。

(2) 設施施工。水位雨量遙測站基礎設計為150 cm×150 cm×80 cm的鋼筋混凝土結構，預埋螺栓(出基礎頂面100 mm)與支架連接。支架采用高3 m的DN200鍍鋅鋼管，工作平臺為圍欄式結構。懸臂采用長為2.5 m的DN65鍍鋅鋼管，固定在工作平臺底部平面，水位計安裝在懸臂端部固定；雨量計支架采用DN100的鍍鋅鋼管與工作平臺連接，安裝在支架上方固定。

2.2.2 滲壓監測設施施工

(1) 設施布設。5座壩體上分別布設振弦式滲壓計1套(5支)，與水位雨量監測系統共用數據采集終端。每座淤地壩壩頂道路背水面一側距離道路邊沿0.5～1 m位置均勻布設3個滲壓計(滲壓和內部位移共用)，壩頂迎水面正中布置1個滲壓計，壩頂背水面正中布置1個滲壓計。各滲壓計布設鉆孔規格如表3所示。淤地壩滲壓監測點位典型布設格局見圖2—4。

表3 淤地壩滲壓計布設鉆孔規格

(2) 設施施工。采用巖芯管沖擊法干鉆鉆孔；鉆孔完成后，將加工好的測壓管盡快安裝，使其管頂露出壩體0.3 m左右；測壓管在管內水位穩定后，需做注水試驗來檢驗靈敏度；注水量約每1 m測壓管容積的3～5倍；注水后不斷觀測水位，直至恢復到或接近注水前水位。

用洗凈的細砂包裹滲壓計，并用土工布扎緊；將電纜和滲壓計通過鋼絲繩緩緩放入測壓管內，放置于測壓管水下1～2 m內，固定好頂端鋼絲繩；接好通訊線纜，均勻纏裹防水膠帶和電氣膠帶做好防水處理。最后澆筑管口保護裝置。

2.2.3 應力監測設施施工

(1) 設施布設。在5座壩體內部分別布設固定測斜儀1套(5支)，與水位雨量監測系統共用數據采集終端。監測設施布設點位與滲壓監測裝置相同。淤地壩應力監測點位典型布設見圖2—4。

圖2 監測設施典型平面布設示意圖(雷疙瘩淤地壩)

(2) 設施施工。固定式測斜儀安裝流程： ①鉆孔。采用工程鉆探機Φ110 mm的鉆頭鉆孔。為了使測斜儀測量到位，防止安裝時測斜管中有沉淀，測斜孔都需比安裝深度深一些。一般每10 m多鉆深0.5 m。在松散或破碎體上鉆孔時要用泥漿或水泥漿護壁，在測斜管安裝前不可有塌孔產生。②清孔。鉆頭鉆到預定位置后，不要立即提鉆，需把水泵接到清水里向下灌清水，直至泥漿水變成清水為止,提鉆后立即安裝。③安裝測斜管。測斜管連接到設計長度后放入孔洞，放置到位后回填測斜管與孔壁之間的空隙。④固定測斜儀。把不同深度的連接桿和斜測儀按順序放入斜側管，逐一固定后封堵孔口。

2.2.4 變形和位移監測設施施工

(1) 設施布設。在5座壩體分別布設地表位移監測站，每個監測站包括2個監測點和1個監測基站。監測點和監測基站布設位置如表4所示。

表4 淤地壩地表位移監測站布設情況

淤地壩變形和位移監測站典型布設格局見圖2。

(2) 設施施工。地表位移監測站鍍鋅管立桿的安裝需要預先澆筑好基礎設施，將立桿固定到基礎上，基礎的尺寸為60 cm×60 cm×100 cm。

2.2.5 視頻監控 視頻監控設備因與水位及雨量監測子系統共用同一根立桿，故點位布設及施工情況與水位及雨量監測子項點位分布情況相同(如圖2所示)。

2.3 監測設施總體布設

依據監測系統的總體設計原則和各淤地壩的實際情況進行設施布設與安裝，以雷疙瘩淤地壩為例，各壩的降雨、水位、滲壓、變形、位移、應力、視頻監控等監測設施典型平面布設格局如圖2所示。橫斷面滲壓、應力監測設施典型布設如圖3所示。縱斷面滲壓、應力監測設施典型布設格局如圖4所示。

圖3 0+045橫斷面滲壓、應力監測設施典型布設示意圖(雷疙瘩淤地壩)

圖4 縱斷面滲壓、應力監測設施典型布設示意圖(雷疙瘩淤地壩)

2.4 淤地壩監測預報

2.4.1 預警與報告 淤地壩安全等級設為藍、黃、橙、紅4個等級，實時監測數據一旦觸及相應安全等級范圍，即時通過監測系統界面顯示、手機短信等方式，向淤地壩所屬區域的各級水行政主管部門負責人發送預警信息，也可通過網絡電話聯系淤地壩安全責任管理部門啟動相應等級的安全預案。

監測設備野外運行期間一旦出現損毀、停工等情況，系統自動報告異常，在線提醒設備維護人員；待地面工作人員維護設備正常后，系統自動解除異常報告。

2.4.2 安全預報等級 淤地壩的藍、黃、橙、紅4個安全預報等級劃分的下限閾值如表5所示。多項指標同時達到不同安全等級時，按照最高安全等級進行預警提示。各項指標均處于藍色安全等級時，不進行預警提示。

表5 淤地壩安全預報等級劃分閾值

2.4.3 淤地壩監測系統應用情況 淤地壩安全自動化監測系統經過一年試運行，全面實現了預期目標。試運行期間，系統共發布雨量黃色預警1次；設備運行異常報告2次；未出現橙色、紅色安全等級狀況。

為驗證該系統監測數據的有效性，工作人員在每次降雨過程和試運行結束后，對淤地壩各項監測指標進行了實地查勘。結果表明，各項監測數據及安全等級預警均能有效反映淤地壩運行現場的真實情況。

3 結 論

選取5座典型淤地壩，布設安全自動化監測系統，經過設計、安裝、運行，均實現了淤地壩運行安全自動化監測數據的采集和預報信息發布。目前，淤地壩安全自動化監測系統順利通過1 a時間的穩定運行。運行結果表明，該系統采用先進的觀測設備，人工及自動觀測相結合，實現了信息的自動采集輸入、自動計算和實時自動傳輸，突破了傳統以人工為主的信息采集方式；布設的視頻監控設備提升了淤地壩安全監控能力；監測系統集成先進技術，實現了淤地壩運行安全隱患預測預警；系統的建設和運行很大程度上增強了淤地壩的運行安全管理，為各級水行政主管部門提供有效決策依據。