小型水庫安全監測感知技術應用對比分析

付婷，吳浩，賀天強

（1.豐城市水利局，江西 宜春 331100；2.中國水利水電科學研究院，北京 100048）

0 引言

全國小型水庫近9.4 萬座，數量眾多，且小型水庫潰壩數量占到全國潰壩總數的96%，是水庫安全管理的高風險點。小型水庫安全感知能力不足，導致無有效的信息化手段對水庫大壩安全運行進行管理，在當前極端天氣頻發的情況下難以保障水庫安全運行[1]。為此，“十四五”期間，水利部明確了小型水庫管護目標任務，構建小型水庫運行管理信息化系統。各省根據地域特點、氣候條件、分布情況、經濟狀況等多種因素進行了小型水庫信息化方案設計，其中大壩安全監測是重要關鍵內容，資金投入占比較高。分析對比湖南、廣西、江西、云南、山東等多個省份小型水庫信息化建設方案發現，小型水庫安全監測技術手段大多仿照大中型水庫安全監測設計，對小水庫的特點針對性偏少。此外，《小型水庫雨水情測報和大壩安全監測設施建設與運行管理辦法》要求有條件的地區可結合實際探索新技術、新裝備，提高建設標準和監測信息化水平。

本文結合當前先進實用的感知技術，綜合論述小型水庫信息化建設中大壩安全監測-滲流壓力、滲流量和表面變形等3 個關鍵參數感知設備的應用現狀，分析每種儀器設備原理，明晰不同設備應用場景，以期為小型水庫安全監測建設提供參考。

1 滲透壓力

壩體滲流易引起壩體滲漏、管涌、滑坡甚至危及大壩安全，對小型水庫而言，一般在最大壩高處和滲流隱患壩段設置監測斷面，每個斷面宜設置2～3 個測點。在大中型水庫，當前應用最為廣泛的滲流監測方法是“測壓管+滲壓計”組合的方式，多個省份方案照搬了此類設計。而在山東、浙江等小型水庫信息化、標準化開展較早的省份，采用了一種“測壓管+智能遙測滲壓儀”的組合形式。

1.1 滲壓計

滲壓計種類眾多，國內廣泛使用的主要為振弦式滲壓計，振弦式滲壓計由透水體（板）、承壓膜、鋼弦、線圈、殼體和傳輸電纜等構成。當測壓管內靜水壓力荷載作用在滲壓計上，引起承壓膜的變形，其微小變形量可用振弦元件的張力和振動頻率來測量。振動頻率的平方正比于膜片上的壓力。傳感器共有兩個線圈，分別緊靠鋼弦對稱放置。使用時，一個變頻的脈沖信號（掃描頻率）加到線圈上，這就使鋼弦在它的固有頻率上振動。激勵結束時，鋼弦還繼續振動，但固有頻率的正弦信號在線圈上逐漸減弱，并傳輸到讀數儀上，并在此被解調和顯示。

振弦式滲壓計輸出的是頻率信號，抗干擾能力強，精度高，理想狀態下溫漂、零漂小，性能可靠穩定，適合遠距離傳輸。該儀器在大中型水庫廣泛應用，長期監測成果良好。但就小型水庫而言，存在兩方面弊端[2]：一是儀埋成本高。滲壓計經電纜接入數據采集儀（MCU）實現自動化，電纜敷設需挖溝、套管、回填等工序，各水庫情況、施工難度等各異，該項工作人、材、機成本控制難度大，易超出預算。二是維護成本高。①小型水庫本身避雷措施不完善，尤其是在山地丘陵區域，接入自動化的滲壓計可通過MCU 串通在一起，單點受到雷擊易導致整個系統損壞；②測壓管內泥沙多，若維護不周，造成透水石的淤積，長期來看數據不穩定；③由于各點都是用長距離電纜連接，某一點數據異常，排查原因困難。

1.2 智能遙測滲壓儀

智能遙測滲壓儀是一體化集成設備，主要包括超低功耗電路控制主板、電機驅動機構、水面跟蹤傳感器、線纜、采集模塊、傳輸模塊、電源模塊、防雷模塊等[3]。水面跟蹤傳感器采用電容感應液體原理，表面密布水位觸點，置于測壓管內水中，管內水面變化時傳感器采集的信息通過線纜傳遞至控制主板，控制主板進行一系列的邏輯分析對電機驅動機構發出指令，帶動傳感器垂直運動，實現傳感器與水面的同步變化，從而實時監測管內水頭。傳感器表面水位觸點的疏密確定儀器的精度，可設計為0.1～1cm 不等。

該設備直接安裝在測壓管管口，一體化的設計使得單套完成測壓管內水位數據的采集、處理、傳輸以及設備的供電和避雷，無需電纜或光纜敷設和自動化集成等工程。設備同時具備自診斷功能，可判斷出現故障的硬件模塊，各模塊可獨立進行更換。這樣的設計在一定程度上解決了滲壓計在小型水庫的應用痛點。從長期數據成果看，數據時序過程線穩定性好于滲壓計測值，可用性強。

2 滲流量

小型水庫滲流量監測主要是在有明顯滲漏的大壩設置，根據滲流量大小和匯集條件可采用容積法、量水堰法和流速法[4]，其中量水堰法因適用性強而廣泛應用，通過獲取量水堰堰上水頭，根據量水堰板的類型選擇相應的水頭-流量公式從而計算出滲流量。堰上水頭的測量方法有水尺、水位測針和監測儀器，水尺和水位測針均為人工測量方式，監測儀器可實現自動化測量，各省方案中也都采用了“量水堰+監測儀器”的形式。

堰上水頭測量儀器本質上是水位計，一類是利用水的浮力原理，浮球跟隨水面升降帶動振弦式力傳感器或磁致式液位計信號變化，從而換算出當前堰上水頭，如圖2 所示。此類量水堰計與水直接接觸，水質的變化、水中雜物和水量大小均對儀器產生影響，日常維護復雜。另一類是非接觸式的，類似小型的雷達水位計、超聲波水位計，因雷達脈沖波測距相比超聲波具有更好的精度和穩定性，因此“量水堰+雷達水位計”的測量方式也是種較好方案[5]。

圖1 滲壓計安裝埋設示意圖

圖2 振弦式量水堰計、磁致式量水堰計示意圖

3 變形監測

現存的小型水庫大多建成多年，但土石壩本身性質決定了變形將伴隨壩體的整個生命期，在穩定運行期間，自重引起的變形占比小，水位等外因變化造成壩體外荷載變化成為壩體變形的主要原因，對重點小型水庫進行變形監測是運行管護的重要環節，從便于實施和應用角度來說，小型水庫變形監測主要以表面變形為主。

表面變形監測方法主要有全站儀、水準儀、經緯儀等人工作業方法及一系列傳感器法，就實現自動化而言，GNSS 變形監測技術因其全天候、實時性、高精度的優勢成為當前變形監測應用最為廣泛的技術，各省方案中均選擇了該技術，同時，針對一些狹長大壩，機器視覺測量技術得到了嘗試應用。此外，測量機器人技術在大型水庫得到了成功應用，精度較高，在小型水庫鮮有嘗試。

3.1 GNSS 變形監測技術

全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System）[6]是覆蓋全球的、能在全球范圍內為用戶自主提供位置信息，并引導用戶到達該位置的衛星系統，包括GPS（美國）、GLONASS（俄羅斯）、BDS（中國）以及Galileo（歐盟），各系統之間可以進行組合使用，多系統多頻率多手段的GNSS 定位技術廣泛應用于大壩變形監測領域。

GNSS 變形監測系統由數據采集系統、數據傳輸系統、數據控制及分析系統、防雷系統、供電系統組成，其中核心硬件為GNSS 接收機。GNSS 接收機是用來接收、處理、測量衛星信號的專門設備，主要包括天線單元和接收單元兩大部分。天線的主要功能是將衛星信號非常微弱的電磁波轉化為電流并對這種信號電流進行放大和變頻處理。接收單元的主要功能則是對放大和變頻處理過的信號電流進行跟蹤、處理和測量。大壩變形監測采用的是高精度接收機，一般采用載波相位觀測量進行相對定位，通常定位精度可達厘米級甚至更高（靜態精度達到毫米級）[7]，同時，隨著開發出實時差分動態定位（RTD）技術和實時相位差分動態定位（RTK）技術，測量精度滿足規范要求[8]。

從儀器選型角度看，GNSS 接收機分為進口和國產兩大陣營，進口產品在衛星軌道、并行通道、重新捕獲時間、靈敏度、精度、作業適用性等多個性能指標均優于國產產品[9]，但綜合考慮系統造價、測量精度和作業環境等因素，國產產品均可滿足小型水庫需要。

3.2 機器視覺測量儀

當面對狹長的大壩時，采用GNSS 可能需布置多個斷面，這就導致變形監測成本陡增，機器視覺測量技術可以考慮作為代替方案。機器視覺測量技術已在機械加工領域成功應用，是一項較為成熟的尺寸或變形測量技術[10]。機器視覺測量儀的視場中可構建一個虛擬的平面坐標系，分辨率以像素坐標為基礎，通過亞像素分辨的算法，可以將分辨率提升至0.01 像素甚至更高。當剛性靶標在測量儀視場范圍內發生位移時，可以解算靶標位移前后的坐標變化，從而算出靶標的位移量[11]。

3.3 測量機器人

測量機器人[12]本質就是自動全站儀，是一種代替人進行自行搜索、跟蹤、識別和精確找準目標并獲取角度、距離、三維坐標等信息的智能全站儀，可以對大壩、邊坡、地鐵、隧道、橋梁、超高層建筑進行大范圍無人全天候值守、全方位自動監測。

在壩上游或下游選擇合適的基準控制點建設觀測站，測量機器人的觀測墩必須穩定可靠，觀測站周圍無遮擋或干擾，壩上各測點布置觀測墩（安放棱鏡），增加斷面時在此基礎上僅增加觀測墩即可。測量機器人能夠自動整平、自動正倒鏡觀測、自動記錄觀測數據，機器的ATR 模型能夠自動識別目標，當發出的紅外光被反射棱鏡返回并經儀器內置的CCD 相機判別接受后，馬達可驅動機器自動轉向棱鏡，并自動精確確定棱鏡中心位置，通過內置軟件預設控制測量，獲取目標點相對于測站的角度、距離，進行差分改正后，計算得到目標點的三維坐標信息[13]。系統由基準點、變形點、測量機器人觀測站、電源和通訊等構成，理論精度與人工測量一致，可選設備以進口品牌為主。

4 結論

通過從測量原理、應用場景、設備造價及監測效果等方面綜合論述了小型水庫安全監測中的滲流壓力、滲流量和變形監測感知技術，得出如下結論：

（1）小型水庫點多面廣，單座水庫測量點位少，加之小型水庫缺少監測技術人員，若照搬大中型水庫安全監測設計是不合適的，需從設備造價低、運維簡便、監測自動程度高等角度進行專項設計。

（2）壩體滲壓監測大多采用“測壓管+滲壓計”的形式，鑒于該方式長期運行存在的弊端，在小型水庫滲壓監測可探索使用智能遙測滲壓儀。

（3）小型水庫滲流量采用量水堰法的形式，振弦式量水堰計、磁致式量水堰計和雷達式量水堰計均有廣泛應用，應根據水庫實際靈活選擇，且在堰板旁增加人工水尺實現校測。

（4）小型水庫自動變形監測廣泛采用GNSS 變形監測技術，選點靈活，安裝方便。若壩體為直線型且壩體較長，可采用機器視覺測量技術，加密靶標的設置，測量多個斷面的表面變形。測量機器人變形監測精度最高，但囿于設備造價、維護成本和人員技術素養等，不適宜在小型水庫應用。

此外，隨著人工智能、邊緣計算及通信的發展，圖像識別技術的應用越來越廣泛，可采用視頻圖像智能識別實現量水堰堰上水頭測量、大壩裂縫分析、壩體變形分析等，從而代替上述部分硬件■