大坝测压管水位监测系统设计

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摘要：对于监测水库大坝来说，测压管是否正常运行有着十分重要的意义。如果测压管水位出现异常，就应依据实际情况对其分析，并采取水库大坝除险加固措施进行处理。本文主要对大坝测压管水位监测系统设计进行了分析。

关键词：大坝；测压管；水位监测；设计

中图分类号：TV698文献标识码： A

引言

当前，国内外都是针对大型甚至超大型水库设计大坝测压管监测仪器的，这些水库周边的环境相对比较稳定，但是我国中小型水库比较多，而且环境呈现多样化形式，这些仪器在中小型水库的应用存在下列问题：一方面受环境因素的约束，监测仪器无法充分发挥自己的优势；另一方面仪器的日常维护成本高，必然会给水库运行带来一定的负担。

工程概况

好汉泊水库原为1996 年第三届亚冬会供水的水源工程，位于黑龙江省尚志市，2006 年9 月，为了满足2009 年第24 届“大冬会”的用水需求，对水库工程进行增容扩建及改建。

好汉泊水库增容扩建工程于2006 年9 月开工，2007 年11 月基本建成。由于当时大冬会会期临近，工期紧张，为赶进度，水库的施工质量较差，水库建成后即开始漏水。

2008 年6 月16 日当库水位蓄至383. 58 m时，发现坝后局部低洼处及消力池边墙有渗水流出，随着库水位升高，坝下渗流量逐渐加大，2009 年当库水位达390. 50 m时，发现溢洪道泄槽左侧山体高程约390. 0 m处出现集中渗漏点。

由于上述险情的存在，从2008 年开始研究对水库进行渗漏处理，对渗漏处理方案研究论证两年多，于2011 年6 月开始实施，目前已施工完毕。本次渗

漏处理的主要内容有：右坝肩及右岸山体帷幕灌浆；坝后加强排水措施; 隧洞周围岩体灌浆及衬砌堵漏；增设大坝渗流观测设施。

好汉泊水库渗漏处理后目前运行基本正常，目前库水位在386. 7 左右，坝下实测渗流量较小，但测压管观测的水位异常。

异常原因分析

我们认为测压管水位异常的原因主要是外水（雨水）进入了测压管，且测压管进水段透水很弱或实效造成的。各异常测压管分别分析如下：

5#测压管位于坝顶路面下游侧，该处有路缘石。孔顶和坝顶路面高程基本一致，如果路面排水不及时有积水，雨水可从测压管管口直接进入管内，同时由于测压管导管段孔壁也钻了孔，且周围没有黏土封孔，反滤料一直填到孔顶，雨水也可以从此通道渗入管内。这是5#测压管水位与降雨关联密切的根本原因。

5#测压管水位始终高于库水位，应该是进水管段反滤排水不畅所致，引起排水不畅的原因可能有以下5 个方面：

1) 测压管管壁钻孔少或孔口堵塞。

2) 回填的反滤料不合格，透水性差。

3) 钻孔跟进的套管没。

4) 钻孔时采用了泥浆固壁。

5) 局部坝壳料细密透水性弱。

3#测压管位于坝坡下游马道路面上，雨水进入测压管的方式和5#测压管相同，而4#位于坝坡上，雨水不汇集进入测压管较少，所以3# 测压管水位高于4#测压管，另外绕过坝基的渗流对3# 测压管水位较高也会有一定的影响。

7#测压管位于大坝左坝脚下，是坝坡和山体坡水汇集的地方，雨水也会很容易进入管内，6# 测压管虽然也位于坝顶，但该处属山体削平部分，地面稍高，雨水不易汇集，进入测压管的雨水较少，所以7#测压管水位比6#高。另外7#测压管还受左岸山体渗流的影响。

三、大坝测压管水位监测仪设计

（一）监测仪工作原理

监测探头系统是一根均匀地绕在滚筒上的高强度金属导线上，其另一端与监测电路连接。步进电机驱动滚筒正转或反转来带动探头上升和下降。探头平时处于测压管管口部位，对水位进行监测时，步进电机由单片机控制正转，滚筒由步进电机带动正转，探头下降。单片机每发1 个脉冲，步进电机转过1个步距角，探头下降1 个脉冲当量。如果探头下降与水面接触，监测电路输出的高电平就会变成低电平。单片机监测到监测电路的输出变为低电平，这个时候控制步进电机就不会再转动。依据所发的脉冲数量，单片机对探头下降的高度进行计算，从而对管口至水面的高度进行测量。之后单片机控制步进电机反转，重新上升探头到管口。

（二）监测仪结构

监测仪运用二级分布式结构，也就是上位机和分机。上位机的构成包括电脑、RS－232 转RS－485 异步通信串行接口和通信主机；分机则是AT89S51 单片机、RS － 485 异步串行接口、监测电路、滚筒、监测探头、步进电机和驱动电路构成。上位机发送通信指令给主机开始测量，通信主机如果接收到让分机测量的命令，就会给分机发送测量命令，分机的水位探测装置开始测量。完成测量之后，自动将测量的水位数据向上位机返回，上位机把分机测量的水位数据存入数据库中。步进电机选择四相步进电机，步距角为1.8，步进电机与滚筒之间采用变速器连接，使步进电机转2 圈、滚筒转1 圈，故每发1 个脉冲滚筒转0.9°。滚筒转1 圈单片机需要发400 个脉冲，这一系统滚筒周长为200 mm，因此脉冲当量为0.5 mm，系统监测灵敏度为0.5 mm。系统监测误差主要是机械传动误差所导致的，提高机械传动部件的加工精度就能够使测压管水位监测的精度得到提高。

四、大坝测压管水位监测仪通信设计

（一）上位机和通信主机的通信

电脑使用8位1200 bit /s 无校验RS－232 方式与通信主机通信。如果上位机监测测压管水位则发送十六进制数据40H+ 分机号( 01H－3EH) 给通信主机，通信主机经过RS－232转RS－485异步通信电路把该命令传送给分机，分机开始测量。如果上位机要监测数据则发送十六进制数据80H + 分机号( 01H － 3EH) 给通信主机，通信主机经过RS－232 转RS－485 异步通信电路把该命令传送给分机，监测到的数据由分机发送给通信主机，通信主机再经过RS－232 转RS－485 异步通信电路传送给上位机。

（二）通信主机和分机的通信

分机串行接口采用8 位1 200 bit /s 无校验方式与RS－485总线通信。RS－485为半双工数据传输，采用1 对平衡差分信号线，由于其为平衡发送、差分接收而可以高速、远距离传送。RS－485 串行接口构成分布式系统较为方便。某一分机传送数据给主机时，此分机的发送器使能端（EN）有效，能发送数据，其他分机的使能端无效，只可以接收信息。分机向通信主机发送数据采用被动方式，通信主机以命令方式要求某分机回送数据，该分机才响应此命令，某分机发送数据的同时其他分机自动禁止接收信息，等到该分机数据发送完毕，各分机才恢复到接收通信主机命令的状态。

五、大坝测压管水位测试

运用连通器的原理设计出大坝水库测压管水位测试模型。大坝测压管水位测试中，在上位机上有测压管测量、测量进度、测量过程、测压管设置、测量结果等模块。首先在上位机测压管设置模块对分机参数进行设置，主要包含对每个分机的误差、备注、步距的设置。之后发送测量指令给分机，同时能够在测量进度模块查看正在进行测量的各分机的当前状态，便于用户随时掌握目前每一个分机发送与接收数据的状态。如果5 s 内分机没能够成功返回5 字节数据，就说明系统有故障发生。接着发送80H + 分机号( 01H－3EH) 给通信主机，通信主机经过RS－232 转RS－485 异步通信电路把该命令传送给分机，分机给通信主机发送监测到的数据，通信主机再经过RS－232 转RS－485 异步通信电路传送给水库管理中心。分机返回的数据通过系统处理显示每个分机正在进行测量的脉冲数，然而测量过程模块显示的是测量过程的数据，测量结果模块显示的是测量的最终数据。测量过程模块见图1。

与此同时，此测压管水位监测系统还能够对所有分机的信息进行查询。点击数据查询图标之后，数据查询窗口就会弹出，之后将要查询的分机号输入文本框中，要是没有进行输入而直接点击查找，则会查询出所有分机信息。

结语

坝体地下水位异常主要是因为坝体填土的不均匀性、坝头填土与基岩接触带具有强渗漏性、坝体导流洞渗水、坝背水坡进行过灌浆处理等。而大坝测压管水位监测系统采用单片机作为管口分机的主控元器件，提高了系统的自动化程度、可靠性，而且使其智能化的功能大大增加了，运用软件代替硬件的方法，能够简化线路，降低成本。而水位－数字脉冲转换器的采用。可以把测压管水位转换为数字脉冲信号，使系统的抗干扰能力大大增强，并使其监测精度有所提高。所以说，基于仪器的监测软件能够是水库的现代化管理水平提高，为操作人员减轻一定的劳动强度。

参考文献：

[1]王林生,曹建生,王风燕,毕新熙. 大坝测压管水位监测系统设计[J]. 人民黄河,2013,07:101-102.

[2]张雪芹. 某大坝右岸坝肩测压管水位监测资料分析[J]. 大坝与安全,2011,01:42-47.