水庫工程自動化安全監測系統的開發應用

王夢如

(塔里木河流域干流管理局，新疆 庫爾勒 841000)

0 引 言

結合國內外水庫工程運行實際不難發現，水庫工程大壩壩體壩基等基礎結構及配套性水工建筑物均具有較強的隱蔽性，故展開運行狀態實時安全監測必需作為水庫綜合運行管理的重要方面，從而為確保水庫安全、正常運行以及蓄水調洪功能的順利發揮提供保障。當前國內有關水庫工程自動化安全監測的研究成果較少，平原水庫壩體較長，管理人員較難集中精力對壩體運行安全方面展開全面、細致、準確的監測，導致此類水庫在長期運行過程中安全隱患突出。

1 系統開發背景

某水庫屬于中型平原水庫，于1980年興建，當年年底竣工后便開始蓄水運行，該水庫設計集水面積12.41km2，總庫容和興利庫容分別為4685×104m3和4086×104m3，死庫容1039×104m3。原正常蓄水位設計水平為5.4m，死水位設計水平為2.3m，庫底高程平均達到1.4m，庫圍堤長15.79km，堤頂高程原來按照7.02m進行設計，堤頂寬7.0m，同時在此基礎上還增設了頂部高程為8.25m的防浪墻建筑物。水庫大壩堤身則完全根據碾壓式均質土堤的相關要求進行設計，并將上下游堤坡比均按照1∶3的要求進行控制。

該水庫主要發揮調蓄作用，即通過水量調節以提升相應城市供水保證率，同時，該水庫還在引灤明渠護砌、上游停水、泵站及水閘維修、渠道淤積等期間發揮著向下游供水的作用。該水庫長期運行于高水位狀態，如若失事，既會影響到正常供水，又會造成嚴重的安全事故及重大經濟損失。

由于水庫圍堤長度大，通過常規的人工觀測很難及時發現水庫運行過程中存在的安全隱患，無法達到對壩體安全監測的要求。結合水庫工程運行實際，必須對水庫滲流過程以及滲流情況有關系的地下水位、孔隙水壓力、浸潤線、滲流量、有效庫容等參數取值及可能變動的趨勢范圍等進行全面監測，將監測結果和現有觀測技術水平下水庫圍堤沉降結果以及進出水閘周圍量水堰觀測結果等進行對比與整合應用，構建起針對水庫堤壩運行狀態的自動化安全監測系統，以便為水庫防滲漏工作提供指導，起到輔助水庫綜合管理的作用。為保證所建設的該小型平原水庫自動化安全監測系統的高效運行，必需保證系統所使用的儀器設備先進可靠、所對應采用的觀測技術匹配高效，方可取得實時的、有效的水庫結構運行情況監測數據，相關基礎數據經由系統自動分析處理后，向水庫管理人員提出水庫大壩圍堤安全運行方面的的管理對策以及應當重點管理和維護的要點，確保水庫大壩圍堤結構能夠安全可控、高質量、高效率運行。

2 系統組成與布置

2.1 硬件系統組成

硬件方面，為保證該小型平原水庫工程自動化安全監測系統正常運轉及功能作用的順利發揮，必需建設和設置監測分站、電纜走線、傳感器、光纖、監測總站等。其中，為與自動化檢測系統屬性及軟件相配套，傳感器應選用VWP-1D型高精度壓阻式揚壓力計，該型號傳感器必需借助信號電纜與監測分站相接，從而使監測分站真正發揮揚壓力數據采集單元的功能作用；監測分站將從VWP-1D型高精度壓阻式揚壓力計所收集到的數據信號進一步實時傳輸至監測總站對應的數據單元，并由總站進行數據分析和處理。

在所構建起的該小型平原式水庫自動化監測系統中，分站設置著的數據采集單元的布置模式完全根據監測滲流測點數量以及監測距離，為滿足相關規范中所規定的測壓管布設要求以及系統建設成本控制、經濟實用性等方面的要求，該小型平原水庫圍堤處總共設置有22個監測斷面、93個具體的數據采集監測點，為與監測目的和監測總站設置要求相配合，同時還設置有12個監測分站。在系統建設完畢、投入監測的過程中，各數據采集單元便會結合工控機所下達的監測命令，根據所要求的具體監測時間(段和點)對各個監測單元所對應的監測儀器展開操作以便實施自動監測，采集到的監測數據全部由系統自動轉化為數字量的存儲格式，嚴格按要求存儲在不同數據庫中所對應的數據采集單元；數據量最終由光端機根據工控機命令通過光纖傳送至主機。

2.2 軟件系統組成與功能

軟件方面，該小型平原水庫自動化監測系統由實時監測模塊、圖形分析處理、各種形式報表的制作、沉降位移觀測及數據分析、數據管理等模塊組成，具體見圖1。

圖1 軟件系統組成

通過以上軟件模塊處理后的信息數據存儲在關系型數據庫中，并分析處理，并最終以數據和報表形式呈現對圍堤實際運行狀態的評價結果。

2.2.1 實時監測子系統

該子系統進行該小型平原水庫大壩壩體壩基圍堤等結構運行實際狀況的監測，如遇測量結果異常，系統便會自動展開異常原因判別。

2.2.2 離線分析子系統

2.2.2.1 測壓管水位統計模型

根據大壩浸潤線測壓管水位實測資料，上下游水位、降雨、壩體填筑材料滲透時變特性等是影響其測壓管水位的主要因素，為此可以寫出測壓管水位統計模型，表示如下：

h=hu+hd+hp+hθ

(1)

式中：h該小型平原水庫大壩壩體圍堤浸潤線測壓管實際水位，m；hu為水庫上游水位，m；hd為水庫下游水位，m；hp為降雨影響水位，m；hθ為時效影響水位，m。

2.2.2.2 測壓管水位影響因子

1)上游水位。根據以上對該小型平原水庫大壩壩體圍堤滲流情況的分析可以看出，其中明顯存在不滲水地基，且主要呈矩形土體狀態，其浸潤線公式可表示如下：

hi=(hu2-2q/kxi)1/2

(2)

式中：hi為與水庫上游面直線距離為xi地方所對應的浸潤線高程，也就是此處的測壓管水位，m；q為單寬流量；k為小型平原水庫大壩壩體圍堤滲流系數；xi為測點與上游面的距離，m；其余參數含義同前。

對于該平原水庫大壩壩體圍堤監測所具體設置的測壓管而言，xi和k取值既定，也就是說，所設置的測壓管對應的水位值與庫水位值之間存在正比例的數據關系，但上游庫水位始終處于變動狀態，存在滲流問題，這也是引發該測壓管水位變動趨勢明顯滯后于庫水位變動趨勢的主要原因[1-2]。為此，必需通過前期庫水位值進行水庫上游水位的表示與確定，公式如下：

(3)

2)下游水位。根據觀測資料，該水庫下游水位變動較小，故可以觀測日當天下游水位為影響因子，也即：

(4)

3)降雨。發生大規模降雨后水庫大壩壩體可能入滲的水量規模主要取決于降雨歷時及時強、降雨類型、大壩原使用填筑材料、填筑碾壓施工工藝及填筑質量等，考慮到降雨入滲結構內部需要時間，且自動化監測系統各項設備采集及處理數據也需要一定時間，所以，降雨發生后因雨水入滲所引發的測壓管實際水位的變動當然也表現出時間上的滯后性。在計算過程中，必需應選擇前期降雨量因子，表示如下：

(5)

4)時效。結合類似工程運行實際及相關工程實踐，該小型平原水庫大壩工程在竣工蓄水后，壩體結構土體顆粒在自然條件、水文地質條件、運行環境、重力作用等的影響下，必定會發生一定程度改變，因自熱原因而形成的壩前淤積自然會對大壩壩體起到一定的自然鋪蓋和防護作用。綜合考慮上述因素對壩體埋設測壓管水位的可能影響，可表示如下：

hθ=ciθ+c2Inθ

(6)

式中：c1、c2為壩體結構土體顆粒受諸多因素影響的時效分量回歸系數；θ為壩體結構土體顆粒受諸多因素影響的監測數據修正系數，應當按照蓄水初期開始天數與100的商進行確定。

通過以上分析，可以將該水庫大壩浸潤線測壓管水位統計模型表示如下：

(7)

式中：a0為常數項。結合對該小型平原水庫水位變動過程以及大壩浸潤線所埋設測壓管水位觀測結果的分析表明，庫水位是影響測壓管水位的主要因素，一般情況下，隨著庫水位上升，測壓管水位隨之升高，反之則反是，但這種影響通常存在7d左右的滯后期。

2.2.2.3 滲流統計模型回歸分析

結合以上對影響因素的分析，以所設定的觀測日之前的第i天對應的該小型平原水庫實際庫水位為自變量，同時以所設定的觀測日當天水庫大壩浸潤線所埋設測壓管實測水位值為應變量，進行水庫大壩壩體圍堤自動監測回歸模型構建：

(8)

上式中上游庫水位分量的回歸系數aui和常數項a0均通過統計學中的最小二乘法加以確定，為提高分析結果的精確度，并將誤差控制在最小范圍，還應保證觀測結果與回歸模型計算結果之差的平方和達到最小水平[3]。對于以上所得到的回歸系數，分別采用F檢驗法和R檢驗法進行檢驗，若所得到的F值和R值>臨界值，則應當拒絕原假設，重新分析計算。

2.2.3 其他子系統

圖形制作子系統主要根據時間上的測點過程曲線圖以及斷面上的測點分布過程曲線圖進行水庫圍堤運行情況監測和評價，計算沉降量最大最小及均值。

3 運行效果

用戶登錄主界面后可以選擇實時監測、圖形及報表制作、沉降位移、數據管理、系統維護、離線分析等各個子系統；進入實時監測及圖形制作子系統后，系統會自動生成時間為橫軸、所對應物理量為縱軸的測點曲線，并通過時間過程曲線體現測點測值變動趨勢。系統還包括預警功能，根據水位進行滲流情況預測，如遇異常便會觸發預警。該水庫A01000測點大壩圍堤滲水位高程曲線具體如圖2所示。

圖2 A01000測點大壩圍堤滲水位高程曲線

4 結 論

綜上所屬，該水庫運行自動化安全監測系統在保證水庫安全運行方面具有重要作用，并能實現安監設備自動化運行，為水庫圍堤及水工建筑物實時運行狀態監測提供可能，便于監測數據資料及時分析，系統運行的自動化監測，使平原水庫安全管理水平顯著提升，其所帶來的經濟效益十分顯著，而社會效益不可估量。