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于家河水库大坝安全自动监测系统建设与实践

2024-09-02 144 上传者：管理员

摘要：文章论述了于家河水库大坝监测现状，通过对监测设施功能、性能等方面的分析，提出自动化监测系统构建框架及建设内容，以实现对大坝的渗流、沉降位移、应变，以及水位、雨量等重要参量的实时监测和预警。

关键词：
于家河水库
大坝安全监测
安丘市
安全监测
潍河水系
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于家河水库位于安丘市石埠子镇于家河村西，潍河水系渠河上游浯河口。控制面积100 km2，水库总库容5 402万m3，是一座集防洪、发电、供水等综合功能于一体的中型水库。在水库运行过程中，枢纽工程承受地震、水流压力、风浪冲击、雨水冲刷等各种外部因素的影响和破坏，大坝内部结构的隐蔽性导致常规的观测手段无法精确探视其内部是否发生破坏、破坏形式以及破坏程度，安全隐患较大。

1、大坝安全监测现状

1.1 监测设施运行状况及存在问题

于家河水库除险加固工程实施时已经建设了大坝渗流监测系统，但监测系统部署不完善；加上多年运行，自动监测系统运行不良，导致采集的数据异常或不上传，只能采用定期人工测量监测的方式。存在的问题主要包括：1）很多断面所测数据出现异常，与人工测量的数据值偏差较大；2)MCU数据采集主板出现故障导致不上传数据；3）计算机老旧，经常出现故障，无法对渗流数据进行正确的处理分析；4）监测软件简单，不能完成数据分析、资料整编等，达不到管理要求；5）现状测压管淤积堵塞严重，直接影响了监测数据的读取以及准确性；6）大坝表面沉降位移监测没有安装自动化观测设备，依靠人工观测，造成观测数据不具有实时性和连续性。

1.2 监测设施需求分析

一是在于家河水库管理运行过程中，管理人员需要及时掌握水库水位、库区及上下游河道降雨量、入库流量、坝体位移以及浸润线等情况，以便了解水库运行存续的安全状态。这些需求是建立在采集、传输、计算、分析各项水库运行的数据基础上。二是系统需要直观显示各项监测数据的历史变化的过程、实时存续状态。三是对预警信息及时发现的需要，当出现紧急异常情况时，包括但不限于监测大屏的显示、声光报警、语音报警、短信报警等手段。四是管理人员能对于家河水库安全监测系统进行远程登录，进行远程信息管理和系统访问及维护，实现管理的及时性、适用性和便捷性。

2、系统建设

2.1 总体构思

于家河水库大坝安全自动化监测系统建设紧跟信息化技术发展方向，要充分利用先进的计算机技术、网络通信和检测技术，通过全球定位系统（GNSS）观测大坝的变形和跟踪式智能渗压遥测仪感知渗流、压应力等数据，利用网络通讯采集感应的数据信号，预处理和存储传输到报送信息中心，在管理中心利用计算机技术对数据进行统计处理、整编分析、发现异常情况进行预警等。通过新设备的安装和先进技术的使用提高大坝安全监测情况的精确度、持续性、实时性，能实现实时查询掌握大坝承受能力和及时预报可能发生的事件。结合接入的水库综合管理平台和视频监控系统，实时观测水库及溢洪闸、放水洞等运行情况，上下游河道水位、库区天气等，直观的图像信息和实时的数据为领导决策提供依据。提供尽可能全面、准确的信息，使各级管理人员实时动态地掌握水库运行情况。

2.2 框架构建

为了避免因人为破坏和自然灾害（如断电、雷击）等造成系统瘫痪无法运转的事件发生，设置较强独立性的观测点。采用无线网络传输系统，各观测点相互不影响，运维方便。于家河水库大坝安全自动化监测系统由渗压遥测仪、信息管理中心、传输设备等组成。为了能准确地感知水位变化情况，跟踪式智能渗压遥测仪的监测量程按照测压管的设置及相关数据（比如变幅、管底和管口高程等）确定。系统对遥测仪感知的水位数据进行综合处理分析，无线传输将转换后的数据传至于家河水库运营维护中心的管理数据库。

2.3 建设内容

1）软硬件环境。在于家河水库运营维护中心管理中心，购置安装数据库和信息管理软件的工控机。

2）大坝渗流监测系统。大坝渗流相关数据的采集和存储、上传转换：对水库大坝3个监测断面的12处渗压监测点，新设跟踪式智能渗压遥测仪。

3）大坝表面沉降位移监测系统。在大坝上部署1处位移监测点，并将监测数据实现实时传输。

4）渗压观测井。对于现有渗压观测井的淤积进行清洗，保证监测设备能正常运行使用。

3、管理系统

3.1 大坝渗流监测系统

设有渗流观测断面3个，在观测断面的不同位置高程（坝体、坝基）共设测压管12根，监测点安装有跟踪式智能渗压遥测仪（测量误差：≤±1 cm；测量里程：0～20 m)12套，配备1套无线通信管理网关。跟踪式智能渗压遥测仪，具有监测数据准确、设备稳定可靠、不受雷击、水质泥沙、恶劣天气等因素影响等特点。具备实时遥测跟踪水面的位置和变化，将信号转换为水位数据并处理储存上传等功能。

本项目采用无线通信传输的通讯系统方案，能实现稳定、实时的数据传输服务。监测点与数据中心的跨网安全传输依靠无线通信管理网关。网关有强大的网络转换管理能力，能有效地进行信息的传输、备份及同步和网络传输跨网。

因为监测站距离管理中心较远，且各点跨越交叉，直电排线及埋设比较负责且费用较高，不易维护，选用太阳能供电，考虑连续阴天等特殊情况，安装后备锂电池系统，充分满足设备运行需要。太阳能电池板安装朝向正南，无遮挡，管理人员定期清洁太阳能板。蓄电池正负极连接注意不要出现短接现象。

3.2 大坝表面位移监测系统

1）监测方式选用。于家河水库安全监测以全球定位系统（GNSS）为主实施自动化观测。为满足水库达标建设要求，同时人工观测继续实施，把人工观测的数据与自动观测数据进行比对，相互印证。对人工观测和自动化观测两种监测方式收集到的数据，进行后处理，通过综合分析计算，从而提高于家河水库大坝表面位移的监测准确度和精度。

全球定位系统（GNSS）由天线、接收机、供电系统、数据传输通讯系统、坐标转换及分析处理软件等组成。能自动化采集和传输数据，在此基础上，实现观测整体的各个微小的变形量，构造出统计分析的大模型，从而进行预测评判大坝长期的变化趋势。具有主要优点：定位精度高（相对定位精度在50 km以内可达10-6）、观测时间短（20K以内相对静态定位，仅需15～20 min；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15 km以内时，流动站观测时间只需1～2 min，然后可随时定位，每站观测只需几秒钟）、全天候实时观测。

2）监测点。本监测区建立1个基准点，位于坝体右侧附近稳定基岩之上。在于家河水库大坝最大坝高断面上部署1个监测点。在监测点安装固定GNSS接收机，将接收机天线安装在观测墩上，利用强制对中器将其对中固定。GNSS监测接收到的信号利用无线终端传输到于家河水库控制中心。

4、运用效果

4.1 互联互通，实现数据的共享

各项检测数据实时的收集和统计分析，辅以水位、水雨情等各数据信息的共享，为领导的决策辅助、于家河水库的运行管理调度和安全度汛提供了支撑。

1）水雨情信息：于家河水库的水位、相应蓄水量，实时、准确的水情信息、各雨量站特别是于家河水库周边及上下游的降雨量信息。

2）大坝安全监测：基于于家河水库大坝安全自动化监测系统的渗流、变形等监测数据，通过数据管理和分析评价，提供大坝基础资料及业务资料整编，并对于家河水库大坝的安全运行状态进行实时的监控和预警，为于家河水库运营维护中心提供实时的大坝安全的各类信息，确保水库大坝管理安全运行。

3）工情：对工情监测信息进行查询等，包括溢洪闸闸门的运行情况、上游水位等信息，能全面了解溢洪闸实时和历史的工况。

通过互联互通，使各类业务系统的业务数据能够得以共享。能够根据不同工程的各种实际情况查询相应需要的实时监测数据（如位移、渗流、水雨情、蓄水量等），并对报警数据进行特殊标记。例如：根据检测的渗流、变形数据，进行分析评价，结合相应的水位等信息，综合判定大坝的安全性，从而编制于家河水库的运行管理方案，确定蓄水方案等；依据实时的水位、库容、水雨情综合分析于家河水库的水位、入库流量，预测水库水位上涨的趋势，决策溢洪道溢洪闸的启闭以及闸门开度、泄量的大小；根据天气、土地墒情，结合目前水库库容，在保证城市供水短长期需求量的前提下，决定放水洞是否放水、放水流量的大小、放水量，用以农田灌溉，解决现在的旱情。各系统平台的融合联通实现的数据共享，为于家河水库的调度运行提供了高效科学的决策和管理水平。

4.2“PC+APP”结合，提高监测效率

PC（计算机端）和APP（移动端）的结合，实现了管理人员能做到随时随地实现数据随查随用、工程状态可查可控、动态监管的功能，工作人员工作效率和管理水平得到很大程度的提高。

5、结语

于家河水库大坝安全自动化监测系统的建设，使得信息技术在水库运行管理得到深入运用。大坝安全自动监测信息管理系统实现了对坝体渗流、坝基渗流、绕坝渗流、水平位移、垂直位移的自动化监测、数据采集存储、转化、数据的查询和报表等功能；在此基础上进行扩展，具备水库已建其他监测设备及系统数据接入的能力和人工录入数据能力，可实现库水位、降雨量等与大坝安全相关的环境数据量的融合管理；系统具有功能再升级扩展能力，可对大坝安全所有关联数据进行综合管理，通过对数据的综合管理分析，实现资料整编、大坝安全智能分析、大坝安全预警预报，指挥调度管理等功能。先进技术和新设备的应用极大提高了大坝监测的工作效率和准确率，保证了水库大坝运行的基本数据监测的持续性、完整性、可靠性，高效发挥水库的调节储水能力，使其在防洪和供水等多方面发挥最大的效益。实现了信息平台的可扩展性和，推动于家河水库管理向“数字水库”甚至“智慧水库”的转变提升，更加提高了于家河水库的安全运行管理水平和效率。

文章来源:王立宣.于家河水库大坝安全自动监测系统建设与实践[J].山东水利,2024,(08):31-33.