費縣許家崖水庫大壩安全監測設施改造提升研究

劉國良

(費縣許家崖水庫管理中心，山東 臨沂 273400)

1 引言

水庫工程建設具有較為顯著的防洪、經濟、社會效益，在我國早期發展過程中，修建了數量較多的水庫工程[1-2]。受限于水庫工程修建時期的經濟、科技發展水平，諸多水庫工程建設質量較為低下，配套設施不齊全，對后期的正常使用造成了許多不利影響，為了改善這一現狀，對這一類水庫進行提升改造是十分必要的[3-5]。大壩是水庫工程的重要組成部分，其安全對下游居民的安全影響較大，同時，大壩的情況對水庫效益的發揮也有較大的影響，加強監測對于分析大壩安全、及時發出預警信息有重要作用[6-8]。因此，針對早期修建的監測設施配置不全的水庫進行監測提升工程改造具有良好的效益。

2 水庫工程基本概況

許家崖水庫是一座大(2)型水庫。水庫加固前總庫容2.7957 億m3，興利庫容1.67 億m3。控制流域面積580 km2，干流河道長度54 km，干流比降0.00157。許家崖水庫采用心墻壩，最大壩高31.60 m。

目前，許家崖水庫安全監測設施不完備，除險加固工程設計采用人工觀測，監測頻次得不到保障，無法及時掌握水庫運行狀況，實施及時有效的指揮調度。因此，提高水庫監測水平，是十分必要的，對水庫效益發揮、安全保障有重要作用。

3 監測設施現狀布設情況及目標

3.1 監測設施現狀

2013 年水庫除險加固工程后，建設了大壩位移監測系統。許家崖水庫已建位移觀測采用視準線法。下游壩坡兩排工作基點、校核基點設在左岸巖石上。因受地形條件制約，壩肩兩排工作基點、校核基點布設在壩左端巖石上，水平位移工作基點共計6 個，水平位移校核基點共計6 個。配合1 套蔡司Ni010(J2 級)型精密經緯儀用于水平位移測量。

大壩的水平位移通過綜合標進行觀測，分設在大壩樁號0+050、0+150、0+250、0+350、0+450、0+550、0+650、0+750、0+900 對應斷面上，共設27 個測點。

溢洪閘以含云母砂質頁巖為基礎持力層，砂質頁巖承載力較高，穩定性良好，一般不會產生較大的沉降變形，對溢洪閘工程安全施工和運用具有重要的保障作用。為了提高監測點的利用效率，將水閘的水平位移觀測與沉降觀測結合起來，在閘墩各設測點，共計6 個測點。

目前，大壩表面位移監測主要由人工觀測，自動化程度低，導致觀測連續性、實時性較差。水庫監測主要的編輯、分析也由人工進行，資料分析深度不夠，且工作量較大、容易出現錯誤，導致分析結果與實際情況不符，同時具有一定的滯后性，數據分析效率較為低下。

3.2 系統預期目標

許家崖水庫自動化監測系統建設主要是為了實現以下目標:

(1)通過部署新一代的大壩變形觀測設備，全面提高大壩變形測量精度、穩定性，從而為管理人員即時提供可靠的觀測結果，

(2)通過建立變形觀測系統，可實現24 h 不間斷變形監測，即時外界環境較為惡劣，亦可實現觀測。提高監測頻次，有利于即時發現異常情況，通過設置的閾值，及時發出預警信息，告知管理人員立刻采取相關措施，預防事故發生，提高工程的安全效益。

(3)通過自動化監測系統建設，建立統一標準實現信息的互聯互通，系統建設過程中需提供多種數據接口，在保證數據接入的同時，預留水庫已建系統的數據接口。數據格式采用標準格式，實現和水庫管理平臺的無縫接入。

4 項目總體設計

4.1 總體框架

采用無線網絡傳輸系統，各觀測點具備較強的獨立性，可有效避免因雷擊、斷電等造成整體癱瘓事件發生，易于維護。主要設備包括GNSS 監測型接收機、GNSS 天線、太陽能供電系統等。數據轉換成國家和行業規定的格式，傳輸至管理控制中心的大壩安全監測運營維護中心的數據庫。

圖1 大壩監測系統框架

4.2 功能框架

系統結合水庫大壩安全自動監測現狀和國家對水庫規范化標準化要求，充分利用傳感器物理感知、信息智能測控、物聯網、GIS 地理信息、移動互聯網、云平臺、大數據及計算機編程等技術，實現對大壩的變形監測、滲流監測、環境量監測、數據管理和在線分析、大壩安全評判預警和輔助決策功能;同時，提供大壩基礎資料及業務資料整編、巡視檢查痕跡式管理等業務管理功能。系統提供本地及云端、計算機端(PC)和移動端(APP)相結合的大壩安全監測信息管理系統，全面提升大壩安全運行的數字化、精細化、智能化、規范化管理水平。系統功能框架見圖2。

4.3 主要建設內容

(1)管理處軟硬件環境建設

系統利用現有的辦公環境及網絡，新建一臺工控機，同時增加監控終端以及移動終端，部署數據庫軟件，部署大壩安全自動監測信息管理系統軟件，預留巡視檢查、變形監測、壓力(應力)監測、環境量監測等接入功能，全面提升大壩安全信息化規范化管理水平。

(2)大壩表面位移監測系統建設

根據大壩的長度、分布等現狀，部署4 處基準點，15處監測點(其中溢洪閘6 處，大壩9 處分別位于0+250、0+350、0+900 斷面)。建設可靠、高速的數據傳輸網絡，實現各測站數據與中心的實時傳輸。

4.4 大壩表面位移監測系統設計

4.4.1監測點布置原則

大壩變形監測網主要由基準點、工作基點、變形觀測點等組成。其中基準點應選取在變形影響區范圍外的位置，每個工程基準點數量不應少于1 個。工作基點需選取在穩定、使用方便的區域。變形觀測點需設置在可以反映大壩變形特征的位置。變形監測基準網由基準點、工作基點組成，基準網需半年復測一次。

4.4.2站點設計

許家崖水庫大壩周圍地質環境較為良好，為穩定性較好的基巖，因此，在基巖區域設置4 個監測基準點。許家崖水庫溢洪閘局部存在裂縫、沖溝等情況，在這類較為特殊的區域，布置15 個變形監測點(其中溢洪閘6 處，大壩9 處分別位于0+250、0+350、0+900 斷面)。許家崖水庫大壩自動監測系統主要由空-地-用戶系統組成。其中空為空間部分，即衛星;地為地面監測系統;用戶則為信號接收設備。為了保證監測效果，在監測點部位設置牢靠的觀測墩安裝GNSS接收機，并設置強制對中器。接收器信號通過無線傳輸系統，傳輸至控制中心。

4.4.3基準站設計

基準站的設置是為了保證長期、連續觀測衛星信號，并為各觀測點提供高精載波相位差分數據和起算坐標信息。為了保證監測精度，需要定期對基準站進行復核。

基準站位置需要選取在大壩變形影響范圍以外，穩定性良好的區域。同時，需要避開大功率的無線電發射源、高壓輸電線通道，以減少其對接收數據的干擾。

5 結語

許家崖水庫大壩自動化監測系統的建設，可以實現任意間隔、連續監測，與人工測量相比具有精度高等優勢。通過建立自動化監測系統，實現不間斷數據采集、惡劣天氣下信息采集，同時，可完成數據的實時傳輸和分析處理，根據設置的報警閾值，也可實現自動報警。自動化監測系統建設后與現狀的監測條件相比，在精度、連續測量等方面具有明顯優勢。