丹河水庫大壩安全監測系統的建設與應用

馬千雙，吳學偉

（臨朐縣丹河水庫運行維護中心，山東 濰坊 262612）

1 工程概況

丹河水庫位于臨朐縣辛寨鎮大后河村東南，彌河支流—丹河中游，控制流域面積37km2。1959 年11 月，丹河水庫開工興建，于1960 年8 月建設完成并蓄水驗收。水庫樞紐工程建筑物組成主要有主壩、副壩、溢洪道（閘）、放水洞（南北兩座）以及灌區（東西兩個）、灌溉用泵站等，工程等別為Ⅲ等，主要建筑物級別3 級。丹河水庫經過2000 年至2010 年除險加固后，防洪標準達到50 年一遇設計洪水標準，1000 年一遇校核洪水標準。

水庫校核水位193.39m，相應庫容1243 萬m3；設計洪水位191.31m，相應庫容927 萬m3；警戒水位191.31m，相應庫容927 萬m3；汛中限制水位、汛中允許超蓄水位、汛末蓄水位均為189.00m，相應庫容629 萬m3。

2 安全監測概況

丹河水庫除險加固工程完工后，在大壩0+085、0+250、0+440 斷面及溢洪道左右岸共布設有27根測壓管，每根測壓管內設置有滲壓計，在大壩0+085、0+250、0+440 位置布設有數據采集器（MCU）27 臺，用以采集大壩滲流壓力數據，所有設備供電方式采用太陽能供電，通過數據卡進行數據實時傳輸，數據最終傳輸至水庫的中央控制室，通過現有安全監測的系統軟件對所獲數據進行整編分析處理，從而將相關圖表在計算機及會議室屏幕上進行顯示。在樁號0+030、0+135、0+250、0+360、0+440 處布設有6 個監測斷面的30 個大壩沉陷位移觀測點。

3 丹河水庫安全監測存在的主要問題

目前，丹河水庫的大壩安全監測設施仍不完備，缺少相應的自動化監測設施，現有監測設施由于運行時間較長，存在一定老化、數據失準等問題，整體技術較為落后，無法適應日后水庫工程運行管理工作的高標準、嚴要求，具體表現如下：

1）丹河水庫現有測壓管均存在一定程度的淤積堵塞問題，對于日常大壩滲流監測數據的準確性產生了較大影響。

2）丹河水庫大壩表面沉降位移監測主要采用人工觀測的方式進行記錄性監測，準確度存在一定偏差，在天氣、人員等制約性因素下，無法保障數據觀測的實時性及連續性，需進行自動化建設。

3）現有安全監測軟件的模塊化及智能化程度較低，無法適應日后大壩安全監測工作的高標準嚴要求，且自動化設備更新后需對系統進行重新整合優化。

4 以往安全監測工作開展情況

未維修改造前，丹河水庫主要采用人工觀測方式進行安全監測，工作開展要求如下：

1）庫水位在汛限水位189.00m 以下時，測壓管觀測均為每10 天一次。

2）庫水位超過汛限水位189.00m 時，測壓管觀測每10 天兩次。必要時，加密觀測次數。

3）庫水位超過50 年一遇設計洪水191.31m 或發生導致水庫出現重大險情因素時，測壓管觀測每天一次，重大險情由工程專業人員輪流24 小時不間斷監測。

5 丹河水庫安全監測系統主要建設內容

5.1 大壩滲流監測系統

在現有監測斷面部署新一代大壩滲壓智能監測設備，實現對大壩滲流數據的采集、存儲、上傳、分析以及管理功能。

5.2 大壩表面沉降位移監測系統

根據大壩的長度、分布等現狀，在2 個斷面，部署2 處位移監測點。并通過4G 無線通訊網絡，實現各測站數據能夠實時傳輸至系統后臺，實現對數據的整編分析。

5.3 運行管理單位軟硬件環境建設

利用丹河水庫目前的辦公條件和網絡通訊系統，新購置安裝一臺國產高性能工控機，搭建數據庫模塊，針對性開發、安裝大壩安全監測信息管理系統軟件，并預留巡視巡檢、表面變形監測、水壓（應力）監測、庫區環境量監測等接入功能，以全方位提高大壩的安全信息化水平。

6 丹河水庫安全監測系統建設方案

在丹河水庫現有大壩安全監測設施設備的基礎上，通過維修改造施工，逐步完成對丹河水庫大壩安全監測系統的全面優化升級，以實現智慧化控制的目的。通過完善水庫大壩滲流觀測設施和大壩表面沉降位移觀測設施，建設大壩安全自動監測管理系統，從而完成對大壩各項安全監測數據的整編分析，實現智能化監管。系統結構框架如表1 所示。

表1 大壩安全自動監測管理系統結構框架表

6.1 大壩滲流監測系統

對原有測壓管進行清洗，更換設備進行測壓，設備采用跟蹤式智能滲壓遙測儀，監測數據通過4G無線通信網絡傳輸至系統軟件平臺，從而實現對測壓管滲壓水位數據的自動測報。

6.1.1 跟蹤式智能滲壓遙測儀

1）設備工作原理及優點：采用跟蹤式監測控制技術，對水面的位置及水面變化進行實時感知及追蹤，將水面的位置信息轉換為相應的水位數據完成上傳。設備集水位智能感知、變化跟蹤、數據采集處理、無線自組網數據傳輸、自供電等一體化設計，具有功耗低、抗雷擊性強、抗干擾性強、數據準確、穩定可靠、不受水質泥沙等因素影響等特點。

2）設備精度要求：測量精度不大于1cm，變幅0～20m。

3）設備通訊系統：監測站與數據中心采用4G通訊方式。

4）設備供電系統：采用太陽能供電系統，根據實際需求，確保在連續5 個陰雨天的情況下，設備依然能夠正常運行。

6.1.2 測壓管清洗及井口處理

1）測壓管清洗。目前測壓管清洗主要有高壓水沖洗法、充氣沉積法、電動渦流清淤法以及組合釬掏泥法，根據各方法處理范圍及優缺點（表2），選擇合適的方法。在具體清洗過程中，需嚴格控制施工工藝，確保清淤（清洗）過程中不對測壓管管壁及內部反濾層造成破壞。

表2 測壓管清淤（清洗）方法比較表

2）井口處理。井口加裝帶鎖防護箱，防護箱采用304 不銹鋼材質，鎖具宜采用密碼鎖。

6.2 大壩表面沉降位移監測系統

在丹河水庫監測區附近，選擇地質條件好的位置（壩體附近穩定性好的基巖上）建立1 個基準點。在大壩特殊情況的斷面（出現裂縫、沖溝、滲水、最大壩高斷面等）上部署2 個監測點，并將監測數據通過無線通信管理網關接入安全監測自動化平臺，實現對位移沉降相關數據的自動測報。

6.2.1 沉降位移監測設備

結合現有成功案例，綜合考慮建設成本及丹河水庫安裝環境，監測方法選擇GNSS 監測。

1）設備工作原理及優點。通過對一定范圍內具有代表性的區域建立變形觀測點，在遠方距離監測點合適的位置建立基準點。在基準點架設GNSS 接收機，根據其高精度的已知三維坐標，經過幾期觀測從而得到變形點坐標（或者基線）的變化量。根據觀測點的形變量，建立安全監測模型，從而分析滑坡、大壩等的變形規律并實現及時的反饋。具有定位精度高、觀測時間短，以及全天候實時觀測等優點。

2）設備精度要求。GNSS 監測型接收機防水防塵等級IP67。標準雙頻：H ≤1.5m，V＜3m（10，PDOPS4）。水平：士2.5mm+lppm（RMS）。垂直：5.0mm+lppm（RMS）。可靠性＞99.9%。

3）設備通訊系統。基準站、監測點與管理中心之間采用4G 通訊方式。

4）設備供電系統。采用太陽能供電系統，根據實際需求，確保在連續5 個陰雨天的情況下，設備依然能夠正常運行。

5）設備防雷設計。系統充分利用庫區內現有的防雷和接地設施，配置避雷針，并做好相關導線接地工作。

6.2.2 GNSS 監測技術要求

監測技術要求結合《巖土工程監測規范》（YS/T5229—2019），4.3 水平位移監測與4.4 垂直位移監測章節內容進行確定。

6.3 軟硬件環境建設

6.3.1 大壩安全監測管理軟件系統

系統應具備以下功能：

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

2）對丹河水庫其他已建系統的數據的融合接入。

3）數據庫建設：根據丹河水庫安全監測需求，整合數據資源，優化現有數據庫。

4）數據統計分析：實現丹河水庫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：通過捕捉到的數據自動形成相關圖表。

6）資料整編分析：實現綜合整編考證數據、監測記錄數據、監測成果統計數據、監測成果圖等數據及資料的功能。

7）移動端建設：為方便工程科管理人員的日常運維管理，針對性開發手機APP 移動端軟件平臺，實現隨時查看大壩相關數據、及時推送重要信息等管理功能。

6.3.2 硬件系統

工控機作為控制安全監測自動化設備和系統的計算機，對于實現系統的整體監測和控制起著至關重要的作用。水庫管理單位作為政府的職能部門，對于設備采購宜采用國產設備，確保數據的保密性，經比選后選用研華工控機。

工控機設備型號及相關配置：型號IPC610；主板E19AIMB-705G2；IntelI7-67003.4GHZ 四核八線程CPU；8GBDDR42133 內存；1T 硬盤；2G 顯卡；300W 工業級電源；K+M；6COM；2×RJ45；4 個USB3.0，6 個USB2.0；5 個PCI 插槽，含24 寸顯示器以及win7 及以上正版操作系統。

7 結語

丹河水庫大壩安全自動化監測系統維修改造項目實施完成后，監測系統運行正常，能夠實時監測大壩的滲流、表面變形等重要參數，為丹河水庫的日常運行管理提供了有力支撐，為水庫管理單位的防汛抗旱、興利調度提供了重要保障