大壩自動化監(jiān)測系統(tǒng)在某水庫的應用

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摘要：福建省福清市東張水庫，在保留人工觀測設施的基礎上，利用加拿大援助的儀器建成了大壩安全自動化監(jiān)測加方系統(tǒng)，并于后期增建了壩頂引張線自動化監(jiān)測中方系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了大壩安全的自動監(jiān)測。

關鍵詞：東張水庫、大壩自動化監(jiān)測 東張水庫位于福建省福清市龍江中游，壩址在福清市宏路鎮(zhèn)真豐村，壩址以上控制流域面積200Km2，總庫容2.06億m3，是一座以農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)及生活供水為主，兼有防洪、發(fā)電、旅游、養(yǎng)殖等綜合利用的大（二）型水利工程。樞紐工程由攔河壩、溢洪道、輸水洞和壩后電站組成。攔河壩為混凝土寬縫重力壩，壩頂長度210m，最大壩高38.5m。 工程建成以來，堅持按有關規(guī)定進行觀測，積累了大量的觀測資料，但經(jīng)過了四十年的運行，亦出現(xiàn)了一些問題，即：監(jiān)測手段落后、監(jiān)測儀器設備陳舊老化、監(jiān)測誤差較大以及無監(jiān)測資料整編等，不能準確及時的保障大壩安全運行。從而實現(xiàn)了大壩安全的自動化監(jiān)測。 一、大壩自動化監(jiān)測設備 大壩自動化監(jiān)測系統(tǒng)由中方、加拿大兩套設備組成。 1）加方監(jiān)測系統(tǒng)：傳感器共有58個，包括鋼弦式滲壓計28個，三向測縫計10個，垂線坐標儀7個，上游水位計1個，下游水位計2個，超聲波水位計2個，雨量計1個，壩溫計3個，水溫計3個，氣溫計1個。首先，系統(tǒng)通過MCU采集各種儀器測量到的數(shù)據(jù)，并將測量數(shù)據(jù)儲存到硬盤上名為SQLDATA1.DB的數(shù)據(jù)庫文件中。其次，采用DSM_UPDATE軟件將GEONET采集的數(shù)據(jù)從SYBASE數(shù)據(jù)庫格式轉(zhuǎn)化為ACCESS數(shù)據(jù)庫格式，從而使測量數(shù)據(jù)可以直接被DSM數(shù)據(jù)管理軟件所使用。最后，由DSM軟件具體完成過程線繪制、報表生成及打印等功能。 2）中方監(jiān)測系統(tǒng)：采用南京水利水文自動化研究所生產(chǎn)的DG-2000型分布式大壩監(jiān)測系統(tǒng)。分布在壩頂各監(jiān)測部位的16臺監(jiān)測儀器用電纜接入4臺MCU-1M型測控裝置，測控裝置通過通訊電纜連接，電源電纜從中央控制裝置引到各測控裝置，按總線拓撲結(jié)構(gòu)組成監(jiān)測網(wǎng)絡。 二、大壩自動化監(jiān)測工作原理 1、加方監(jiān)測系統(tǒng)布置位置及其儀器工作原理 ⑴．監(jiān)測數(shù)據(jù)自動采集：可對垂線坐標儀、滲壓計、三向測縫計、雨量計、水溫計、氣溫計、上下游水位計、超聲波水位計等各種傳感器采取自動監(jiān)測（自報式）和強制監(jiān)測（應答式）的方式進行巡測、選測和人工測量。 ⑵．數(shù)據(jù)通訊：測控單元與工作站之間具有雙向通訊功能。 ⑶．數(shù)據(jù)分析和管理：對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行顯示、存貯和打印，建立工程檔案，并實現(xiàn)在線處理和離線處理，及時制成圖表，對工程性態(tài)進行分析和安全評估。 ⑷．壩基揚壓力的監(jiān)測：壩基揚壓力監(jiān)測，主要監(jiān)測壩基揚壓力變化，橫向揚壓力孔11個，布置在3號、7號、9號和12號壩段。揚壓力觀測采用振弦式滲壓計觀測，滲壓計的傳感元件是一根附在膜上的鋼琴弦，它由繞組磁鐵激勵作用在膜上的壓力來改變弦的壓力，張力與鋼弦共振或自然頻率成比例，通過頻率信號測量再轉(zhuǎn)換成水壓力數(shù)據(jù)量。 ⑸．接縫測量：三向測縫計共有10個，其中7個安裝在擋水壩段壩面上，3個安裝在溢流壩段寬縫上游側(cè)。測縫計測量壩的上下游，左右岸和沉陷的相對變化。測縫計的工作原理與滲壓計相同。 ⑹．壩基的水平位移和擾度監(jiān)測：在8-9號橫縫、12號壩段中間各鉆一個倒垂孔，倒垂孔底部鉆至壩基面以下三分之一壩高不小于10米。其工作原理是利用液箱中液體對浮子的浮力，將錨固在基巖深處的不銹鋼拉緊成為一條鉛直線可用此垂線測定建筑物的變位。   ⑺．滲漏量的觀測：滲漏量反映壩身整體性，壩縫止水結(jié)構(gòu)及防滲帷幕的工作狀態(tài)，對了解大壩的運行狀態(tài)有重要的意義，結(jié)合水庫的實際滲流情況布設兩個測點，采用量水堰對壩基廊道及壩后集水井進行測量，即在12號壩基基礎廊道和3號壩后集水井各設一量水堰，采用超聲波水位計測量堰上水頭，從而得出滲漏量。 ⑻．繞壩滲流的監(jiān)測：根據(jù)地質(zhì)資料，左岸地質(zhì)條件較差，故在左岸增設繞壩滲流觀測，它也是采用振弦式儀器測量，工作原理與滲壓計相同。 ⑼．雨量計：設置在2號壩段觀測房壩頂設置一個翻斗式雨量計，工作原理是：當下雨時就翻斗轉(zhuǎn)一次，關閉磁性開關給MCU一個脈沖的信號，分辨率為每翻一次0.254mm。那么MCU計下每次脈沖的信號變成雨量。 ⑽．壩溫計埋設于7號壩段下游坡40m和50m高程上，先在壩坡上鉆一個深50cm的孔，將壩溫計輕輕放入后，用水泥砂漿封堵；上游水位計（庫水位計）雨量計、氣溫計安裝在2號壩段水位觀測房內(nèi)，下游水位計為壓力式水位計，安裝在溢洪道挑流鼻坎下，外用鋼管保護。 2、中方監(jiān)測系統(tǒng)布置位置及其儀器工作原理 （1）、系統(tǒng)的監(jiān)測功能 1）中央控制方式：由中央控制裝置發(fā)出命令，測控裝置接收命令、完成規(guī)定的測量，測量完畢將數(shù)據(jù)暫存，并將測量數(shù)據(jù)傳送至中央控制裝置內(nèi)存儲。 2）自動控制方式：由測控裝置自動按設定的時間和方式（可設定）進行數(shù)據(jù)采集，將所測數(shù)據(jù)暫存，并能將所測數(shù)據(jù)自動傳送至中央控制裝置內(nèi)存儲。 3）特殊條件下自動控制方式：在汛期或其它特殊情況下，電源和通訊完全中斷，各測控裝置應能依靠自備電源繼續(xù)進行自動巡測，維持運行時間不小于一周，能將所有測值自動存儲，等待提取。 （2）、顯示、報警功能：能顯示大壩及監(jiān)測系統(tǒng)的全貌、測點布置平面和剖面圖，各種監(jiān)測數(shù)據(jù)過程線、分布線、多種監(jiān)測數(shù)據(jù)的相關線及其它圖形，顯示報警狀態(tài)，顯示所有監(jiān)測數(shù)據(jù)、監(jiān)測成果、各種報表及分析計算成果，顯示有關工程安全的技術資料和巡視檢查信息。信管主機接投影儀，實現(xiàn)大屏幕顯示。對超差數(shù)據(jù)自動報警。 （3）、存儲功能：數(shù)據(jù)分三級存儲，測控裝置能暫存所測數(shù)據(jù)，存儲容量不小于128KB，并在斷電的情況下不丟失數(shù)據(jù)；所有監(jiān)測數(shù)據(jù)包括人工監(jiān)測數(shù)據(jù)和巡視檢查信息應能全部存入信息管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，可存檔或進一步處理。 （4）、數(shù)據(jù)通訊功能：數(shù)據(jù)通訊包括現(xiàn)場和管理級的數(shù)據(jù)通訊。 （5）、數(shù)據(jù)管理功能：中央控制裝置具有監(jiān)測數(shù)據(jù)的一般管理能力，信息管理主機具有在線監(jiān)測、大壩性態(tài)的離線分析、預測預報、報表制作、圖文資料瀏覽、監(jiān)測數(shù)據(jù)管理、測點信息管理、監(jiān)測成果管理，可供大壩安全評估和運行管理。 （6）、系統(tǒng)自檢功能：系統(tǒng)具有自檢能力，對現(xiàn)場設備進行自動檢驗，能在計算機上顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)和故障信息，以便及時對系統(tǒng)進行維護。 （7）、系統(tǒng)供電：系統(tǒng)所有設備應能采用220V交流電源，測控裝置應具有備用蓄電池，在系統(tǒng)供電中斷的情況下，保證現(xiàn)場測控裝置至少能連續(xù)工作一周。 （8）、防雷、抗干擾功能：系統(tǒng)應具有防雷、抗電磁干擾技術措施，保證了系統(tǒng)不受雷電流和電磁破壞，在電壓波動或電源中斷情況下也能安全穩(wěn)定運行。 （9）、防震、防塵功能：由于本所所有傳感器和測控裝置均安裝在壩頂，因此所有支座、箱體具備防震、防塵功能。 （10）、大壩的引張線系統(tǒng)：系統(tǒng)垂線測點2個，引張線測點14個。引張線的探頭從上游往下游走，右岸的探頭從上游往下游走，左岸的探頭從下游往上游走。 三、大壩自動化監(jiān)測信息管理軟件 大壩安全信息管理系統(tǒng)集中管理和保存大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)和大壩安全信息，提供大壩性態(tài)的分析評判成果，用于大壩運行管理。大壩安全信息管理系統(tǒng)配置的專用軟件有DSIM大壩安全信息管理軟件和MDAP監(jiān)測數(shù)據(jù)分析軟件。 1、DSIM大壩安全信息管理軟件 該軟件具有對監(jiān)測數(shù)據(jù)及有關大壩安全信息自動獲取、存儲、加工處理和輸入輸出功能，并為數(shù)據(jù)分析軟件提供完備的數(shù)據(jù)接口，生成有關報表和圖形，分析評判大壩運行性態(tài)，做好運行管理工作，其主要功能如下： （1）測點管理：大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)中所有測點的屬性均為管理對象。使得測量數(shù)據(jù)、算法（將監(jiān)測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成監(jiān)測物理量）、入庫控制及報表將自動地跟蹤修改，使系統(tǒng)具有高度的靈活性和穩(wěn)定性。 （2）數(shù)據(jù)輸入：可通過自動輸入、人工輸入、全自動物理量轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)過濾等執(zhí)行。 （3）數(shù)據(jù)輸出： 通過輸出向?qū)Э梢暂敵鰷y點數(shù)據(jù)圖表，數(shù)據(jù)模板和報表。 （4）通過輸出模板輸出數(shù)據(jù)：通過數(shù)據(jù)管理的輸出向?qū)л敵鰣蟊?，即：月報、年報、系統(tǒng)信息的報表。報表數(shù)據(jù)還可以轉(zhuǎn)換為WORD或EXCEL數(shù)據(jù)，為二次處理數(shù)據(jù)提供了方便，還可自動創(chuàng)建多點數(shù)據(jù)輸出模板并輸出。 （5）巡查信息管理：人工巡視檢查信息用以彌補儀器監(jiān)測的不足，每次巡視檢查獲得的信息可用人工輸入，以便資料分析和大壩安全評定時查詢和輸出歷史巡查記錄。 （6）大壩安全文檔管理：有關大壩安全的文檔包括文字資料和工程圖按大壩安全檢查（鑒定）要求建立，除作為檔案保存外也便于進行資料分析和大壩安全評判時調(diào)閱。 （7）備份管理：備份管理提供數(shù)據(jù)和系統(tǒng)信息的備份與還原功能。 （8）系統(tǒng)安全管理：具有系統(tǒng)設置權(quán)限的用戶可添加和刪除系統(tǒng)用戶，給不同用戶設置不同的權(quán)限，不同的用戶以自己的口令和密碼在系統(tǒng)登錄后有不同安全級別的操作權(quán)限。 2、 MDAP監(jiān)測數(shù)據(jù)分析軟件 MDAP大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可用于變形、滲流、滲壓、應力應變和溫度等各類監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理和計算分析：能自動對各測點的不同監(jiān)測值或物理量轉(zhuǎn)換成果進行粗差檢驗和剔除；提供豐富的圖形和報表功能，使整個分析過程窗口化、分析結(jié)果圖形化。