浅谈水库土坝安全监测系统的创新

2019-08-23 版权声明 举报文章

摘要:随着我国经济的飞速发展,水库大坝工程逐步增多,同时原有的水库大坝设备老旧,使得人们对其安全运行提出了更高的要求。当前各种各样的安全监测系统应用于水库大坝中,现有监测自动化,克服了传统人工观测精度低、强度大的缺点,确保水库大坝的安全运作。本文以放牛东水库土坝的安全监测系统设计为例,全面系统地讨论了监测系统的应用,进行了探索和创新,可供类似工程借鉴,并可为大坝运行管理部门提供参考依据,望能对水库自动化监测领域的发展起到良好的推动和示范作用。

关键词:水库土坝;安全监测;自动化

Abstract: with the rapid development of economy in our country, gradually increase the reservoir dam, at the same time, the original reservoir dam, old equipment, make people puts forward higher requirements on its safe operation. The current all kinds of application in dam safety monitoring system, the existing monitoring automation, overcomes the traditional artificial observation the shortcomings of low accuracy, great strength, ensure the safety of dam operation. Cattle are based on the east reservoir earth dam safety monitoring system design as an example, systematically discusses the application of the monitoring system comprehensively, has carried on the exploration and innovation, to provide a reference for the similar project, and can provide the reference for the dam operation management department, in hopes of the automation monitoring developments in the field of driving and good demonstration effect.

Key words: reservoir earth dam; Safety monitoring; automation

中图分类号:X924.2文献标识码:A文章编号:2095-2104(2013)

一、大坝安全监测

(一)大坝安全监测内容、方法及仪器

监测内容:水库水位,水压,渗流,流量,电导率,风力,相对湿度,空气和水的温度以及大坝坝体地表位移监测。

项目组成:数据记录仪,水压计,水位计、钢筋计、测缝计、沉降仪、倾斜仪,水质探测器,GPS定位系统,数据库工具,数传系统,预警系统等。

(二)大坝安全监测系统自动化

大坝安全监测自动化系统是利用电子计算机和传感技术以及信息搜集处理技术,实现大坝观测数据自动采集处理和分析计算,对大坝性态正常与否作出初步判断和分级报警的观测系统。大坝安全监测是将数据采集、信息管理和分析评价融汇在一起的系统工程。

二、放牛洞水库安全监测自动化系统

大坝安全监测系统能实现全天候远程自动监测,本项目中使用的各种传感器使用监测站数据记录仪实现自动监测,并且进入相关数据库。同样,监测系统也具备人工观测条件,观测人员可携带读数仪或笔记本电脑到各监测站读取数据。大坝远程监测系统可以记录下监测对象完整的数据变化过程,并且借助于光纤网络数传系统实时得到数据,同时将数据传送到网络覆盖范围内的任何需要这些数据的部门,非网络覆盖范围内可通过无线基站、GSM(GPRS)、CDMA等实现远程数据无线传输。

(一)监测系统总体结构与功能

根据项目具体情况,大坝安全监测系统分外部变形监测(水平位移和沉降位移)、渗流监测、环境量监测等三大部分。安全监测自动化系统采用分布式的网络结构,包括测站层的现场网络和监测中心站层的计算机网络。安全监测化系统采用分层分布式的网络结构,即包括测站层的现场网络和监测中心站层的计算机网络。测站层由各测点传感器和数据测量控制装置(MCU)组成。监测中心站位于办公楼的中心机房内,监测中心站层由监测计算机,以及激光打印机、电源设备等组成。系统达到的功能(1)中心站功能.中心站具备完善的系统功能,如系统设置、系统诊断、数据采集和传感器设置等。(2)数据采集站功能。

(二)自动化安全监测项目

1、渗流监测

渗流监测项目包括大坝浸润线及渗流量监测。

(1)浸润线监测

浸润线监测利用现有测压管实现,在测压管内安装渗压计实现自动化监测。现有2个浸润线监测断面,每个断面从上游坝肩到下游堆石棱体前有4个测压管,共8个测压管,安装8支高精度渗压计来进行自动化监测。

(2)渗流量监测

在坝下游排水沟上设1个量水堰测点,用三角堰方式实现渗流量监测,安装1个高精度水位传感器测量,通过测量渗流水位来换算渗流量。

2、环境量监测

环境量监测主要包括上游水位监测。在大坝左岸上游面利用水位竖井布置水位计1支,并接入自动化系统进行自动监测。

在左坝头管理房附近设1个气温计、1个雨量计实现自动化测量。

3、自动化监测系统

放牛洞水库大坝安全监测系统以自动监测为主,变形监测采用人工监测实现,其观测数据可以输入自动化系统配套的信息管理软件进行管理。

所有自动化监测仪器均接入测控单元(MCU),由一台主控机进行控制。主控机上安装数据自动采集软件、信息管理软件,完成整个枢纽的自动监测和监测数据管理。监测主机安装在离大坝约250m的水库管理办公室内。水库处于南法多雷区,为确保系统长期可靠运行,大坝与机房之间用光缆通讯,避免雷电干扰。

4、自动化监测项目组成表

系统采用智能分布式结构,现场总线用RS-485实现数据通信。坝顶监测站设置2个智能测量控制装置(MCU),共装配16通道智能数据采集模块2块,连接各测点。在水库监控中心建立监测中心,进行大坝安全监测管理。具体配置见表2-1。

自动化安全监测项目组成表2-1

(三)安全监测设备选型

1.仪器设备的选择及布置目的明确能全面反映大坝的工作状况。

2.根据大坝结构特点及坝线长等因素合理选择各观测断面及变形监网,做到主次相结合,在能够全面反映大坝工作性态的条件下尽量减少观测断面以及仪器或测点的数量。

3.选择精度可靠稳定耐久的仪器设备尽量布置在有良好的照明防潮和交通条件的位置适当选用自动化观测设备以人工观测为主确保观测数据不致中断。

4.适当考虑和协调观测仪器埋设与大坝土建施工之问的相互干扰问题做好施工期仪器和电缆的保护工作确保仪器埋设质量和大坝施工质量。

5.观测设备选型对,还要考虑能否便于实现观测数据自动采集。数据自动采集装置在可靠、先进的前提下,还要考虑留有人工观测接口。

(四)观测数据的采集系统

1.数据采集软件

DG型数据采集软件是在Windows XP环境下一套图视化的窗口软件,所有监测点均可显示在布置图上,每个测点都与数据库相连接,同时布置图上的每一个测点又与现场测控装置的对应仪器相通,操作和选择屏幕布置图上的测点或采集模块就可以完成对该测点或模块的数据采集、换算、处理、入库等全部过程。对自动采集的数据自动入库;对人工测量的数据,提供一个人机界面窗口,可键盘输入进库。数据采集软件用于单机采集和网络采集,如果计算机被设计为Windows NT局域网的一个节点,则局域网(甚至广域网)上的任意一台计算机应可以控制计算机进行数据采集,并把采集的数据传送到本地计算机上。DG型大坝安全监测自动化系统数据采集软件功能框图如图所示。采集软件功能模块主要包括:系统工具、数据采集、数据管理和数据通讯。

DG型数据采集软件功能框图

2.信息管理软件

DSIM型大坝安全信息管理系统具有对大坝安全监测自动化系统采集的监测数据及其它有关大坝安全的信息进行自动获取、存储、加工处理和输入输出的功能,并且为数据分析软件提供完备的数据接口,以便利用大坝安全监测数据和各种大坝安全信息对大坝性态作出分析判断,按《土石坝安全监测技术规范》和《土石坝监测资料整编办法》对水库大坝监测资料进行整编分析,生成有关报表和图形,做好大坝安全运行和管理工作的功能。大坝安全信息管理系统具备满足设计要求的测点管理、远程控制、数据输入(包括自动输入、人工输入和全自动物理量转换和数据过滤)、数据输出、通过输出模板输出数据、备份管理、系统安全管理、软件自动升级等功能。

三、放牛洞水库安全监测自动化系统拟解决问题

放牛洞水库是一座以供水调蓄为主要目的的平原水库,水库大坝为均质土坝,为解决这种类型大坝的安全监测自动化系统问题,需解决下列问题:

(1)确定大坝安全监测的主要观测项目为大坝渗流和大坝沉降变形;

(2)根据水库所在地的地质、水文、气象等条件,合理布置监测点,以便真实、全面的反映水库大坝实际的工作情况;

(3)布置环境测点。观测上下游水位、降雨量、温度、气压等,充分考虑环境变量对水库大坝安全稳定的影响;

(4)建立有平原水库特色的监测模型;

(5)建立水库预警预测模型。对一些特殊的演变现象和迅速变化的现象进行及时的跟踪分析,实现从静态到动态的仿真模拟和预测报警;

(6)选择精度高、稳定性好、耐久性满足要求的仪器进行数据采集;

(7)选择高效、保密、稳定的数据传输方式;

(8)建立自动化程度高的强大网络系统;

(9)提供友好的人机对话界面,便于用户从不同的侧面观察和分析监测信息,从不同的角度控制监测系统,以便及时处理险情。

总结

经过多方的努力、协同工作,共同完成了放牛洞水库安全监测自动化系统研究项目。总结该系统技术关键点与创新点如下:

(1)采用自动监测技术测量堤坝渗流,测量数据稳定性高、可靠性强、误差小。

(2)采用光纤通信方式,使安全监测中心的监测设备和监测点之间能够保持高速稳定的连接。

(3)系统布置多个沉降观测点,以便及时了解情况,为分析堤坝的沉降、变形提供依据。

(4)数据采集点布局合理,每个断面多点布置,能全面反映堤坝的渗流浸润。多断面全方位布置,形成全方位分布的渗流观测网,反映了整个堤坝的渗流情况,可以及时采取有效措施,防止渗流破坏的发生。

(5)合理布置上下游水位、降雨量、温度、气压等环境观测点。观测,配合渗流观测,使分析考虑的因素更全面。

(6)建立的具有平原水库特色的渗流监测模型,充分考虑了水位频繁涨落、环境条件变化(如气温、降雨等)等因素,使之与监测数据充分拟合。

(7)建立了预警预测模型。该模型可根据水位预测渗流情况,反应值精度高,发现异常及时报警以便处理。对一些特殊的演变现象和迅速变化的现象进行及时的跟踪分析,实现从静态到动态的仿真模拟和预测报警。

(8)本系统充分利用先进平台在数据访问、通信、分层等方面的技术优势,使其成为可伸缩、可扩展、功能齐全、界面简洁美观、升级维护方便、自动化程度高的强大网络系统。

(9)本系统提供多窗口应用界面,窗口间互通,便于用户从不同的侧面观察和分析监测信息,从不同的角度控制监测系统,以便及时处理险情。

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