紅谷田水庫(kù)大壩安全自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)與運(yùn)用

(1.保山學(xué)院信息學(xué)院，云南 保山 678000；2.云南省施甸縣水務(wù)局，云南 保山 678200)

1 引 言

紅谷田水庫(kù)位于云南省保山市施甸縣壩區(qū)東北部，施甸河右岸一級(jí)支流官市河中游，水庫(kù)總庫(kù)容1190.3萬(wàn)m3，最大壩高85.7m，工程等別為Ⅲ等，水庫(kù)規(guī)模為中型。死水位1631.34m對(duì)應(yīng)庫(kù)容77.9萬(wàn)m3, 正常蓄水位1676.5m對(duì)應(yīng)庫(kù)容1088.9萬(wàn)m3, 設(shè)計(jì)洪水位1677.5m對(duì)應(yīng)庫(kù)容1112.3萬(wàn)m3, 校核洪水位1679.0 m對(duì)應(yīng)庫(kù)容1190.3萬(wàn)m3。水庫(kù)樞紐工程由攔河壩、溢洪道和輸水隧洞組成，攔河壩為黏土心墻堆石壩。大壩為2級(jí)建筑物，溢洪道、輸水隧洞為3級(jí)建筑物。

紅谷田水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括：?壩體表面水平位移和垂直位移；?壩體和壩基的孔隙水壓力、滲透壓力；?內(nèi)部變形；?繞壩滲流、滲漏量、岸坡地下水位；?強(qiáng)震監(jiān)測(cè)等[1-2]。

2 安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

紅谷田水庫(kù)大壩自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由測(cè)站、監(jiān)測(cè)中心站、通信設(shè)施及配套電源組成。

測(cè)站：本項(xiàng)目設(shè)置4個(gè)測(cè)站，分別位于大壩后壩坡4間觀測(cè)房?jī)?nèi)。

中心站：由工作站、數(shù)據(jù)采集軟件及分析軟件組成。

電源：采用交流電中心運(yùn)程供電方式。

通信：采用光纜通信方式。

在大壩后壩坡觀測(cè)房?jī)?nèi)安裝一體化自動(dòng)變形觀測(cè)設(shè)備對(duì)大壩內(nèi)部水平及沉降變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并通過(guò)大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在大壩壩體及兩岸坡壩的測(cè)壓管內(nèi)安裝滲壓計(jì)對(duì)壩體內(nèi)部浸潤(rùn)線水位及兩岸水位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并通過(guò)大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件繪制大壩壩體各監(jiān)測(cè)斷面的浸潤(rùn)線，掌握大壩壩體內(nèi)部的浸潤(rùn)線變化情況。在大壩下游滲漏匯水點(diǎn)安裝監(jiān)測(cè)設(shè)備，對(duì)上述各滲流匯水點(diǎn)進(jìn)行滲流量監(jiān)測(cè)。壩體表面沉降位移觀測(cè)采用人工觀測(cè)、手工錄入系統(tǒng)方式進(jìn)行。

3 系統(tǒng)建設(shè)的主要內(nèi)容

3.1 壩體表面變形監(jiān)測(cè)

大壩表面變形包括垂直位移、水平位移，在大壩壩頂?shù)纳嫌巍⑾掠蝹?cè)分別布置一條視準(zhǔn)線，每條視準(zhǔn)線布設(shè)6個(gè)表面變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)、兩個(gè)工作基點(diǎn)、兩個(gè)校核基點(diǎn)。在大壩下游壩坡布設(shè)三條視準(zhǔn)線，埋設(shè)12個(gè)表面變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)、6個(gè)工作基點(diǎn)、6個(gè)校核基點(diǎn)。每個(gè)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)安裝強(qiáng)制對(duì)中裝置和水準(zhǔn)標(biāo)點(diǎn)，水準(zhǔn)標(biāo)點(diǎn)設(shè)置在表面位移觀測(cè)墩下部或旁邊。

3.2 內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)

大壩內(nèi)部變形包括水平位移(上下游方向)和垂直位移(沉降變形)。水平位移監(jiān)測(cè)設(shè)備采用SSC-2型引張線銦鋼絲水平位移計(jì)，垂直位移監(jiān)測(cè)設(shè)備則采用SYW-2型水管式沉降儀。內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)分別布置在壩軸0+125、壩軸0+175斷面。在壩軸0+125、壩軸0+175的1620.0m(3個(gè)沉降測(cè)點(diǎn)、3個(gè)水平位移測(cè)點(diǎn))、1645.0m(2個(gè)沉降測(cè)點(diǎn)、2個(gè)水平位移測(cè)點(diǎn))高程處分別安裝埋設(shè)10個(gè)沉降變形測(cè)點(diǎn)、10個(gè)水平位移測(cè)點(diǎn)。修建4座觀測(cè)房，安裝4套水管式沉降測(cè)量裝置、4套水平位移計(jì)測(cè)量裝置。

3.3 大壩滲流監(jiān)測(cè)

3.3.1 壩體內(nèi)部滲流監(jiān)測(cè)

在壩軸0+105的基礎(chǔ)部位及壩體1650.0m高程布設(shè)滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)壩體滲流，基礎(chǔ)部位布設(shè)4支滲壓計(jì)，壩體部位布設(shè)5支滲壓計(jì)。

在壩軸0+175的基礎(chǔ)部位及壩體1630.0m高程布設(shè)滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)壩體滲流，基礎(chǔ)部位布設(shè)4支滲壓計(jì)，壩體部位布設(shè)5支滲壓計(jì)。

在壩軸0+245的基礎(chǔ)部位及壩體1650.0m高程布設(shè)滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)壩體滲流，基礎(chǔ)部位布設(shè)2支滲壓計(jì)，壩體部位布設(shè)3支滲壓計(jì)。

3.3.2 繞壩滲流監(jiān)測(cè)

在大壩的兩壩端防滲帷幕線后適宜位置各布設(shè)1個(gè)孔，下游壩坡結(jié)合水文地質(zhì)條件分別在兩岸山體可能產(chǎn)生滲流的流線和梯度方向各設(shè)3個(gè)滲流監(jiān)測(cè)孔，布設(shè)滲壓計(jì)8支。鉆孔、制作、安裝埋設(shè)測(cè)壓管，可采用電測(cè)水位計(jì)和滲壓計(jì)兩種方法監(jiān)測(cè)。

3.4 滲漏量監(jiān)測(cè)

大壩下游壩腳滲漏量主要包括壩基滲漏量、壩體滲漏量，以及由于降雨產(chǎn)生的部分山體滲流量。紅谷田水庫(kù)在下游壩腳的右側(cè)設(shè)置量水堰一座，2015—2017年施工期滲漏量監(jiān)測(cè)采用容積法量測(cè)。

2018年至今蓄水過(guò)程中，采用量水堰法觀測(cè)。人工觀測(cè)采用鋼尺量測(cè)，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)用量水堰微壓計(jì)觀測(cè)。

3.5 地震反應(yīng)監(jiān)測(cè)

在下游壩坡上壩踏步一側(cè)、大壩壩頂下游側(cè)分別布置4臺(tái)強(qiáng)震加速度計(jì)(含12個(gè)拾震器)，4臺(tái)傳感器通過(guò)屏蔽電纜引入監(jiān)控中心，全部接入設(shè)置于中心的強(qiáng)震記錄儀，構(gòu)成一個(gè)強(qiáng)震臺(tái)陣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

4 系統(tǒng)組網(wǎng)

4.1 安全監(jiān)測(cè)中心組網(wǎng)方式

大壩安全監(jiān)測(cè)中心位于大壩右岸的管理工作站內(nèi)，由服務(wù)器、大壩安全監(jiān)測(cè)工作站、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等組成。

4.2 測(cè)站組網(wǎng)方式

4個(gè)觀測(cè)房測(cè)站分別由各測(cè)點(diǎn)傳感器和測(cè)控終端(MCU)組成。各測(cè)站網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)測(cè)中心的通信由監(jiān)測(cè)中心到下游壩面埋設(shè)的光纖有線通信實(shí)現(xiàn)，傳輸介質(zhì)采用單模光纖，通信方式為RS485通信。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

5 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

a.通信接口：RS-485(兩線或四線制可選)。

b.通信方式：采用RS-485現(xiàn)場(chǎng)總線。

c.測(cè)量方式：選測(cè)、定時(shí)自動(dòng)測(cè)量。

d.測(cè)控終端的容量：內(nèi)置1～4個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊。

e.定時(shí)間隔：1min～30天采樣一次。

f.采樣時(shí)間：2～55s/點(diǎn)。

g.工作電源：采用中心UPS遠(yuǎn)程供電。

h.工作環(huán)境：溫度-20～50℃，相對(duì)濕度不大于95%。

i.系統(tǒng)平均無(wú)故障時(shí)間(MTBF)：20000h。

j.系統(tǒng)防雷電感應(yīng)：600～1500W。

6 系統(tǒng)設(shè)備及安裝調(diào)試

6.1 測(cè)控終端(MCU)

MCU-M測(cè)控終端是大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，由數(shù)據(jù)采集模塊、電源模塊、人工比測(cè)模塊、防雷模塊等部件組成。大壩的內(nèi)部變形、滲流、滲漏量等項(xiàng)目可通過(guò)傳感器自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和存貯，定期用筆記本電腦從MCU中讀取數(shù)據(jù)。

6.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊分為系統(tǒng)主電路和測(cè)量電路兩部分，本工程模塊采用單板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、隔離技術(shù)、CMOS集成芯片，具有智能化程度高、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量精度高、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于不同類型的傳感器可選擇相對(duì)應(yīng)的測(cè)量電路。

6.3 測(cè)控終端安裝及調(diào)試

6.3.1 安裝

a.確定安裝位置，并考慮儀器接入及電纜布置。

b.為便于測(cè)控終端維護(hù)方便，安裝高度低于1.6m。結(jié)合本工程結(jié)構(gòu)，安裝測(cè)控終端采用懸掛安裝的測(cè)控終端。

c.將引入監(jiān)測(cè)房的儀器電纜按順序接入測(cè)控終端的接線端子上，進(jìn)線需整齊，標(biāo)記需明確。

6.3.2 調(diào)試

測(cè)控終端完成所有的接線后就可以開(kāi)始調(diào)試。調(diào)試過(guò)程主要包括設(shè)置、通信檢查、自檢、測(cè)量、聯(lián)調(diào)、整理。

6.4 中央控制單元(CCU)

中央控制單元(CCU型)是攔河大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的通信、管理和控制設(shè)備，接受信管主機(jī)命令，控制系統(tǒng)中的測(cè)控終端運(yùn)行，接受測(cè)控終端的測(cè)值和故障信息，將測(cè)控終端的測(cè)值和故障信息傳輸給信管主機(jī)。

6.4.1 組成

以監(jiān)控主機(jī)為主體，配置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件、通信轉(zhuǎn)換接口和通信防雷器、MCU工作電源開(kāi)關(guān)和指示燈，以及系統(tǒng)加熱電源開(kāi)關(guān)、機(jī)柜等部件。監(jiān)控主機(jī)通過(guò)串行口與安全監(jiān)測(cè)局域網(wǎng)相連，串行口經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換與各測(cè)控終端相連，組成大壩監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集系統(tǒng)。

中央控制單元的數(shù)據(jù)采集軟件在Windows98系統(tǒng)中用高級(jí)語(yǔ)言編寫，獨(dú)立運(yùn)行。

6.4.2 技術(shù)參數(shù)

a. COM1和COM2為兩個(gè)用于通信的串行口，通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換器，采用半雙工方式工作。

b.連接模塊的數(shù)量：128臺(tái)。

c.連接測(cè)控終端的距離：1.2km。

d.測(cè)量方式：定時(shí)自動(dòng)測(cè)量。

e.系統(tǒng)平均無(wú)故障時(shí)間(MTBF)：20000h。

f.工作環(huán)境：溫度10～30℃，相對(duì)濕度不大于75%。

g.工作電源：交流電220V±10%、50Hz。

6.4.3 安裝

中央控制單元安裝位置在管理中心，室內(nèi)接地線電阻小于5Ω，管理中心周圍避免劇烈震動(dòng)和強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾，室內(nèi)保持通風(fēng)、干燥，溫度需保持在10～30℃，相對(duì)濕度不大于75%。

7 監(jiān)測(cè)與資料分析

紅谷田水庫(kù)工程施工期為2014年12月—2018年12月,運(yùn)行期為2019年1月至今。目前所埋儀器運(yùn)行正常，測(cè)值穩(wěn)定。

7.1 滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)資料整編分析

滲壓計(jì)2014年12月16日開(kāi)始埋設(shè),2016年12月20日安裝埋設(shè)完成,截至2020年11月30日,對(duì)已埋設(shè)近6年的滲壓計(jì)進(jìn)行周期觀測(cè)分析,各斷面滲壓計(jì)壓力測(cè)值隨庫(kù)水位的變化成相關(guān)關(guān)系，總體壓力測(cè)值變化較小，沒(méi)有異常。壩體、壩基主要斷面監(jiān)測(cè)的滲水壓力過(guò)程線及滲水壓力換算水位過(guò)程線見(jiàn)圖2～圖7。

圖2 壩橫0+105斷面滲水壓力過(guò)程線

圖3 壩橫0+105斷面滲水壓力換算水位過(guò)程線

圖4 壩橫0+175斷面壩基滲水壓力過(guò)程線

圖5 壩橫0+175斷面壩基滲水壓力換算水位過(guò)程線

圖6 壩橫0+245斷面滲水壓力過(guò)程線

圖7 壩橫0+245斷面滲水壓力換算水位過(guò)程線

7.2 繞壩滲流監(jiān)測(cè)資料整編分析

下游壩面安裝7個(gè)測(cè)壓管觀測(cè)孔，左右兩岸各鉆孔安裝了4個(gè)繞壩滲流測(cè)孔。下游壩面7個(gè)測(cè)壓管孔內(nèi)水位低于設(shè)計(jì)浸潤(rùn)線。

左右兩岸各鉆孔安裝了4個(gè)繞壩滲流測(cè)孔,自2018年蓄水后，各孔內(nèi)水位均有所增長(zhǎng)，與壩前水位表現(xiàn)具有相關(guān)性,繞壩滲流控制較好。

7.3 量水堰監(jiān)測(cè)資料整編分析

量水堰部位匯水包括壩基滲漏、壩體滲流、兩岸山體滲水、地表降水徑流等,2016年5月開(kāi)始觀測(cè),壩后量水堰無(wú)滲水。2019年5月汛期開(kāi)始后有少許滲水，滲漏量與庫(kù)水位無(wú)相關(guān)性，受降雨影響相對(duì)明顯。水庫(kù)蓄水至正常水位后，最大滲漏量出現(xiàn)在2020年7月21日，為3.89L/s(14.004m3/h)。量水堰流量與庫(kù)水位相關(guān)過(guò)程線見(jiàn)圖8。

圖8 水堰流量與庫(kù)水位相關(guān)過(guò)程線

7.4 內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)資料分析

在壩橫0+125斷面和0+175斷面(主河槽段)的1620.00m高程分別布設(shè)有3個(gè)水管沉降儀測(cè)點(diǎn)，1645.00m高程分別布設(shè)有2個(gè)水管沉降儀測(cè)點(diǎn)；在每個(gè)水管沉降儀的旁邊，相應(yīng)地布置有測(cè)量水平位移的引張線式水平位移計(jì)測(cè)點(diǎn)。

a. 4組同高程沉降量分布曲線規(guī)律基本一致，呈“斜線”形分布，大致為離壩軸線較近的測(cè)點(diǎn)沉降量明顯大于離壩軸線較遠(yuǎn)的測(cè)點(diǎn)沉降量，壩體不均勻沉降與測(cè)點(diǎn)上覆層厚度相關(guān)。埋設(shè)初期，壩體沉降變形較快，隨著孔隙水壓消散及土顆粒調(diào)整，沉降變形減小，當(dāng)前沉降量趨于收斂。壩橫0+125斷面1620.00m高程沉降量近期測(cè)值變化規(guī)律與整體規(guī)律略有差異，自2018年以來(lái)，該斷面離壩軸線最遠(yuǎn)測(cè)點(diǎn)AV5變形量大幅增長(zhǎng)，近兩年增幅達(dá)27.5cm，目前該處沉降量為59.3cm，超過(guò)上游各測(cè)點(diǎn)沉降量。

b.在大壩1620.0m高程，最大沉降量為80.5cm，位于壩橫0+175的測(cè)點(diǎn)(壩縱0+022.0)；在大壩1645.0m高程，最大沉降量為83.6cm，位于壩橫0+175的AV6測(cè)點(diǎn)(壩縱0+022.0)，最大沉降量在2/3壩高處。

c.在大壩1620.0m和1645.0m高程，壩橫0+175斷面的各測(cè)點(diǎn)沉降量都大于壩橫0+125斷面相應(yīng)部位測(cè)點(diǎn)沉降量，說(shuō)明沉降量與觀測(cè)斷面的壩體高度(測(cè)點(diǎn)上覆層厚)相關(guān)，符合壩體沉降一般規(guī)律。

d.自取得沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)以來(lái)，大壩沉降量均未超過(guò)最大壩高的1%，滿足規(guī)范要求，沉降變化趨勢(shì)符合大壩沉降的一般規(guī)律。

壩橫0+125斷面1620.0m、1645.0m高程沉降量分布見(jiàn)圖9～圖10，壩橫0+175斷面1620.0m、1645.0m高程沉降量分布見(jiàn)圖11～圖12。

圖9 壩橫0+125斷面1620.0m高程沉降量分布

圖10 壩橫0+125斷面1645.0m高程沉降量分布

圖11 壩橫0+175斷面1620.0m高程沉降量分布

圖12 壩橫0+175斷面1645.0m高程沉降量分布

7.5 水平位移資料整編分析

大壩0+125斷面和0+175斷面水平位移量為-26.04～109.34mm，其中除AH3測(cè)點(diǎn)以外，均表現(xiàn)為向下游位移，符合變形規(guī)律。水平位移主要受壩體填筑和蓄水、溫度等環(huán)境變化的影響，1645.0m高程水平位移整體小于1620.0m高程，最大水平位移測(cè)值為109.34mm(向下游側(cè)位移)，發(fā)生在2020年5月28日1620.0m高程的AH8測(cè)點(diǎn)(壩橫0+175.0、壩縱0+022.0)。1645.0m高程的4個(gè)測(cè)點(diǎn)，其水平位移測(cè)值較小，在20mm以內(nèi)，安全裕度較高。

自2018年5月起，大壩開(kāi)始蓄水，隨著庫(kù)水位上升的影響，水平位移均有所增長(zhǎng)，但增幅不大，目前10個(gè)引張線式水平位移計(jì)測(cè)點(diǎn)的水平位移整體趨于收斂，未見(jiàn)異常。

壩橫0+125斷面1620.0m、1645.0m高程水平位移分布見(jiàn)圖13～圖14，壩橫0+175斷面1620.0m、1645.0m高程水平位移分布見(jiàn)圖15～圖16。

圖13 壩橫0+125斷面1620.0m高程水平位移分布

圖14 壩橫0+125斷面1645.0m高程水平位移分布

圖15 壩橫0+175斷面1620.0m高程水平位移分布

圖16 壩橫0+175斷面1645.0m高程水平位移分布

7.6 黏土心墻沉降環(huán)資料整編分析

壩橫0+175.0斷面累計(jì)沉降量在-1.8～-5.2cm之間，最大累計(jì)沉降量在高程1670.685m的26號(hào)環(huán)；壩橫0+125斷面沉降量小于主斷面，累計(jì)沉降量?jī)H在-1.150～-4.100cm之間，最大累計(jì)沉降量在高程1678.817m的19號(hào)環(huán)，其他各沉降環(huán)累計(jì)沉降量都比較小，目前測(cè)值穩(wěn)定變化不大。黏土心墻沉降變形量小主要說(shuō)明心墻填筑質(zhì)量較好，施工過(guò)程控制質(zhì)量高。因取得初始測(cè)值較晚，當(dāng)前變形值未包含黏土心墻填筑初期沉降變形量，這也是當(dāng)前累計(jì)沉降量較小的原因之一。

8 水庫(kù)數(shù)字化發(fā)展展望

當(dāng)前，隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)的不斷發(fā)展和日趨成熟，水庫(kù)數(shù)字化和一體化發(fā)展是大勢(shì)所趨。通過(guò)建設(shè)數(shù)字化水庫(kù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)水庫(kù)水雨情預(yù)測(cè)、智能視頻識(shí)別分析、閘門電站自動(dòng)運(yùn)行、大壩安全監(jiān)控自動(dòng)化等功能，可為水庫(kù)的運(yùn)維提供更加科學(xué)的管理方案，并使得水庫(kù)的綜合管理水平和保障體系更加完善。

9 結(jié)論及建議

紅谷田水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用可靠、耐久、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了全天候自動(dòng)監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)設(shè)備的安裝埋設(shè)過(guò)程中成活率、完好率較高。通過(guò)4年施工期及2年運(yùn)行期的壩體表面變形、內(nèi)部變形、大壩滲流、滲漏量等自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，大壩變形符合一般規(guī)律，滲流滲壓變化在合理范圍，沉降滿足規(guī)范要求，大壩運(yùn)行狀態(tài)良好，各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)均有安全裕度。大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)與運(yùn)用，基本實(shí)現(xiàn)了組網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)、趨勢(shì)對(duì)比分析、及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，使運(yùn)行管理單位能夠及時(shí)了解大壩運(yùn)行性狀，科學(xué)判斷和采取有效的調(diào)度措施，并有針對(duì)性地實(shí)施除險(xiǎn)，保障了水庫(kù)大壩的安全運(yùn)行，提高了水庫(kù)的現(xiàn)代化管理水平。