高崖水庫大壩滲流監測系統設計與應用

呂光強，李建偉，李 芳

（1.濰坊市高崖水庫運營維護中心，山東 濰坊262400；2.濰坊市水利事業發展中心，山東 濰坊261061；3.山東浩博水利建設有限公司，山東 濰坊261021）

高崖水庫位于濰河支流汶河上游，控制流域面積355 km2，水庫總庫容1.6億m3，興利庫容6 545萬m3，是一座集防洪、供水、灌溉、發電及生態保護等綜合利用于一體的大（2）型水庫。水庫大壩為黏土心墻砂殼壩，壩長1 200 m，壩頂高程160.70 m，最大壩高26.70 m，壩頂寬7.50 m。

1 大壩滲壓監測現狀

高崖水庫大壩滲壓監測系統設置5個測壓管斷面（0+151、0+360、0+500、0+650、0+810），其中0+151斷面設壩體管、壩基管各2支，其余各斷面均設置壩體管3支、壩基4支，共32根測壓管（壩基管18根，壩體管14根）。每個測壓管安裝靜態投入式水位傳感器和智能遙測終端。通過靜態投入式水位傳感器測量測壓管內的水位情況，并將數據傳輸給智能遙測終端，通過分析、處理、轉換，將數據轉換成國家和行業規定的格式，通過預先設定的頻率利用短信方式直接傳輸至控制中心短信接收設備，短信接收設備與控制中心主控計算機連接，實現大壩大壩滲壓監測自動化管理。

隨著建設時間年限的增加，原有大壩滲壓監測系統逐步出現設備老化、自動化技術落后、監測數據不穩定、數據傳輸采用移動網絡增加費用等問題，主要包括以下幾方面：

1）部分斷面出現數據異常，測量的水位數據偏差較大，監測設備存在不同程度的老化現象。

2）滲壓數據處理分析計算機經常出現故障，計算機是大壩滲壓監測系統初建時配置的，設備參數配置低，運行效率低，使用年限長、老化嚴重。

3）大壩安全監測軟件采用C/S架構開發，數據遠程查詢管理及數據上傳共享能力不夠，系統功能缺少數據分析、資料整編等功能。

4）部分測壓管存在淤積堵塞問題，在一定程度上影響了監測數據的準確性。

2 大壩滲壓監測系統設計

2.1 設計原則

大壩滲流自動監測系統建設是水庫規范化管理的重要組成部分，能推動水庫管理規范化建設，提高管理和公共服務水平，順應現代信息技術的發展趨勢，在系統規劃及建設中遵循以下原則：

1）統籌兼顧、突出重點。圍繞大壩安全管理中心工作，特別是工程巡查、滲壓監測、變形監測、資料整編等內容，完善物聯感知、提升基礎保障、完善業務應用，同時堅持統籌兼顧、急用先建，逐步推進大壩運行安全體系建設。

2）統一標準、資源共享。標準和安全是信息化建設的重要保障，加快推進標準化與規范化建設，全面推進水庫信息資源的交互共享，提升信息資源利用效率和應用能力。

3）先進可靠、實用高效。采用成熟先進的技術，選用穩定可靠的設備，充分滿足高崖水庫大壩監測實際需求，建立全天候監測系統，確保系統建設的整體效益和可持續性。

2.2 總體框架

大壩安全自動監測系統充分利用現代檢測技術、通信技術、網絡技術和計算機技術，通過相應傳感器感知大壩監測參數，現場遠程監測終端通過有線光纖或無線網絡的方式采集前端傳感器的信號，并進行預處理和存儲，根據系統數據傳輸體制要求，自動上報相關參數，在控制中心對數據進行處理、統計、整編、分析、預警等，提高大壩安全監測的實時性、可靠性和精度，為水庫決策提供直觀的圖像信息。

2.3 監測原理

采用跟蹤式監測控制技術，實時感知水面的位置并能跟蹤水面變化，將水面的位置信息轉換為水位數據顯示上傳。主要設備包括跟蹤式智能滲壓遙測儀、無線通信管理網關、保護裝置等。按照每個測壓管的管口高程、管底高程、變幅等數據確定監測設備量程，通過跟蹤式智能滲壓遙測儀監測測壓管內的水位變化情況，并對水位數據進行分析、處理、轉換，將數據轉換成國家和行業規定的格式，通過通信網關傳輸至控制中心的數據庫。

2.4 監測點布置

在高崖水庫大壩壩體布置5個監測縱斷面，在每個斷面不同高程布置32個孔位，每個測壓孔安裝一套監測設備。監測點設備由跟蹤式智能滲壓遙測儀及無線中繼管理網關組成，共配置32套跟蹤式智能滲壓遙測儀和6套無線中繼網關。根據《土石壩安全監測技術規范》的要求實現對測壓管滲壓水位數據的自動測報。

2.5 主要設備選型原則

1）跟蹤式智能滲壓遙測儀。設備要具備性價比高、監測數據準確、穩定、無漂移；抗雷擊、維護方便、數據采集傳輸組網靈活可靠、環境適應性強、安裝維護方便等特點。

2）無線通信管理網關。網關要有強大的網絡轉換管理能力，支持無線自組網與移動公網跨網安全傳輸，可同時支持ZigBee物聯網、全網通、4G、3G等全線網絡，為客戶的項目建設提供更多選擇。支持多數據中心備份傳輸及多數據中心同步傳輸，可適用較大規模的信息傳輸。

2.6 通訊與供電設計

1）通訊系統。為滿足實時傳輸穩定地提供數據服務，本項目采用無線傳輸方案，測壓管監測點與控制中心通過無線通信管理網關實現跨網安全傳輸，最大程度降低施工難度，方便后期維護管理。

2）供電系統。測壓管監測點及通信網關設備均采用太陽能及后備鋰電池供電系統，滿足設備自身運行需要。太陽能供電系統包括太陽能電池板、電池、太陽能控制器，以及其他配件。太陽能供電時，需根據日照時間、陰雨天氣多少來配置電池板大小以及電池容量，確保電池能夠持續給設備供電。電池板制作安裝支架，朝向正南，傾角在20°~5°之間，根據當地太陽高度角來確定。注意不要有任何遮擋，否則無法充電。電線走線選用國標；太陽能板接線要牢固，裸露在外面的線要穿管，美觀而且耐用。

2.7 自動監測信息管理系統設計

水庫經過多年信息化建設，信息化基礎保障環境基本健全，此次部署利用現有的辦公環境及網絡，安裝數據庫軟件，升級大壩安全監測系統軟件，實現對壩體滲壓、壩基滲壓等監測點自動監測、數據采集、數據存儲、數據查詢、數據報表功能。

1）監測數據采集管理。實現對水庫大壩沉降、位移、滲流（壓）信息的自動監測數據的采集入庫管理。

2）水庫水位、降雨量、溫度等其他已建系統數據的融合接入。

3）數據庫建設。

4）數據統計分析：實現大壩安全各相關數據的查詢、統計、報表、數據分析、異常情況預警預報功能。

5）圖表繪制展示。過程線、浸潤線、趨勢曲線繪制展示等功能。

6）資料整編分析。實現對考證資料、監測記錄資料、監測成果統計資料、監測成果圖等資料的匯總、整編功能。

7）手機APP移動客戶端數據查詢、信息推送等管理功能。

3 大壩滲壓監測系統建設

3.1 項目建設內容

安裝監測管理軟件系統1套、自動滲壓監測設備（跟蹤式智能滲壓遙測儀）32套、無線通信網關4套、32處井口保護裝置改造及測壓管清洗等。

1）大壩安全監測系統軟件部署。升級大壩安全監測系統軟件，在保證信息安全的前提下，增加系統遠程管理、增強大壩安全智能分析、預警預報功能；同時，預留巡視檢查、變形監測、壓力（應力）監測等接入功能，全面提升大壩安全信息化、規范化管理水平。

2）大壩安全監測系統前端設備升級改造。對水庫大壩5個監測斷面的32處滲壓監測點進行梳理排查，對管口保護設施進行改造，更換新一代大壩滲壓智能監測設備，改造原有數據傳輸網絡，建設高可靠性高速度的自組網絡系統，實現對32處滲壓數據的采集及無線傳輸。

3.2 監測系統運行情況

高崖水庫大壩滲壓監測系統于2018年建成投入使用，至今整體運行情況良好。通過系統更新改造前后幾次自動觀測數據同人工觀測校核的數據對比分析，更新后系統監測數據的準確性更高，能更好地反應測壓管水位變化情況，數據傳輸穩定性好，監測成果達到了設計要求，滿足實際使用需要。

4 結語

大壩安全監測是利用現場檢查、儀器檢測與分析手段對大壩安全信息進行采集和分析的過程，是了解大壩運行形態和安全狀況的有效手段。高崖水庫大壩滲壓監測系統的實施，一是解決了原有檢測設施陳舊、功能不全、數據不準等問題，提高了大壩滲流監測準確度；二是提高了數據分析能力，為及時發現和解決大壩安全問題提供了有力支持和可靠依據，提高大壩的安全程度；三是滿足工程安全運行管理的需要，推動大壩管理工作逐步規范化、高效化和智能化；四是取得了較好的應用成果，為同類工程實施大壩滲壓檢測積累了很好的經驗。