山美水库大坝安全监测自动化系统的应用

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【摘要】 简要介绍山美水库大坝自动化系统的结构、监测项目、监测系统功能、数据采集系统、资料分析系统。采用合理的数学模型和评判准则，实现实时在线综合分析大坝安全运行性态，对大坝安全隐患进行预警。实现大坝安全数据采集的自动化、数据处理的模型化、分析评判的智能化。

【关键词】 土石坝 自动化监测

引言

山美水库位于福建省南安市晋江支流东溪中游，是一座以灌溉为主，结合防洪、供水、发电等综合利用的大(2)型水利枢纽工程, 水库总库容6.55亿m3,正常蓄水位96.48m,设计洪水位98.78m,校核洪水位100.70m。枢纽工程包括主坝、副坝、溢洪道、引水隧洞及地下厂房、坝后厂房等。

为了及时了解大坝的运行性态和发展趋势,及时发现隐患,提高水库大坝安全管理水平,南京水科院与管理单位对大坝安全监测自动化进行开发和建设,建立一套功能实用、技术先进、性能可靠、结构开放的大坝安全监测自动化系统，能在线或离线分析大坝安全运行性态，为管理单位和上级主管部门实时提供辅助决策信息，实现资源共享，提高水库大坝安全监测与管理的信息化水平。

水库大坝监测项目为主坝变形监测、主坝渗流监测、副坝渗流监测和环境量监测。

一 大坝监测系统结构如图1

系统包括各种类型传感器，测量控制单元和管理处中央控制室如图1所示。

1.传感器包括测缝计、孔隙水压力计、流量计、下游水位计和气压计。

2.测量控制单元（MCU）是系统中的主要部分，用于对各种传感器进行数据采集和存储，并与中央控制室计算机连接通讯，发送指令和数据传输，实现实时监测。该系统设2个测量控制单元，设在大坝左坝头端观测房。

3.中央控制室设在水库管理处办公楼，它与测量控制单元通过光纤通讯，实现双向通讯。系统配有数据采集和数据处理分析软件，可进行在线监控或离线监控。

二 监测系统功能

1．监测数据采集功能

系统可对输出为频率、电压、电流、脉冲及数字编码等信号的传感器进行常规巡测，定时巡测，常规选测和人工测量。

2．数据通信与资源共享功能

中央控制室可以向测量控制单元发出指令，并接受测量控制单元采集数据；中央控制室与外界可以通过多种通迅媒介实现双向通讯，实现资源分级共享。

3．资料维护与管理功能

系统对各监测项目的考证资料和监测资料具有维护与管理功能，包括资料录入、资料修改、资料删除、资料查询，以及对考证资料和监测资料按年份进行备份或恢复，保证资料的连续性和完整性。

4．资料整编与分析功能

系统按《土石坝安全监测资料整编规程》(SL169-96)的要求对监测资料进行整编，及时制成图表。并结合工程实际情况建立分析模型，实现在线处理或离线处理，对工程安全评价提供辅助信息。

5．系统自检功能

系统具有自检能力，系统发生故障时，有设备故障报警功能，显示故障信息，以便及时维修。

三 数据采集系统

数据采集软件实现计算机与测量控制单元（MCU）通讯，完成监测数据的采集。其结构框图如下：

1． MCU自检

MCU自检是通过计算机与MCU通讯，使MCU进行自检，并将自检结果返回至计算机，显示给操作人员，达到远程诊断MCU的目的。自检的内容包括：通信、MCU内部温度、MCU工作电压，MCU充电电压、MCU测量模块和通道。

2．参数设置

在MCU能够正常工作之前，要根据工程的具体情况，对MCU的参数和数据库中的各测点进行设置。设置的内容有：通信速率、系统时间等。

3．单点测量

单点测量用于测量某种仪器的某个测点的各种电测量（如孔隙水压力计的频率和温度）和相关仪器测量（如测量测压管内的孔隙水压力计，还要测量气压计），计算出工程物理量。具有打印和保存测量数据至数据库的功能。

4．巡回测量

巡回测量用于测量一个MCU或多个MCU上的测点，所测仪器类型可以是一种，也可以是多种。得到电测量后，计算出工程物理量，还可以直接取上一次巡回测量数据。巡回测量时，数据采集软件以列表的形式给出MCU、与各MCU相连的仪器类型，供操作人员选择。能够对测量数据进行检查，当测量数据超出量程范围或事先设置的安全警戒，将给出提示或告警。能够按仪器类型打印测量数据和保存测量数据至数据库。

5．定时测量

定时测量主要用来取定时测量数据，计算出工程物理量，测量所得的电测量和工程物理量在列表中显示。能够按仪器类型打印测量数据和保存测量数据至数据库。取定时测量数据可以是计算机自动取数也可以是人工取数。

四 资料整编系统

资料整编系统由资料维护、报表打印、图形绘制等模块组成，其中资料维护又包括考证资料查询添加修改删除、监测数据添加、监测数据查询修改、监测资料删除、数据备份、数据恢复。

五 资料分析系统

资料分析软件包括对垂直位移、水平位移、渗流压力水位、渗流量分析。

1．现场检查：现场检查提供把现场检查的情况录入到系统中以及查询和修改这些现场检查信息。

2．垂直位移分析：包括建立统计模型、沉降分析、裂缝分析。

（1）建立统计模型：利用连续监测资料，建立垂直位移与时间的单因子优化统计模型，如果统计模型相关系数好、剩余标准差小,则可利用统计模型对个别漏测资料进行插补推算。

（2）沉降分析：沉降分析主要包括沉降率计算、沉降速率计算，并根据沉降率与沉降速率判断沉降发展趋势及是否可能存在裂缝。

（3）裂缝分析：裂缝分析通过计算纵向倾度和纵向拉应变判断坝体是否存在剪切裂缝和横向不均匀沉降裂缝。

3．水平位移分析：水平位移分析利用连续监测资料，对水平位移与上游水深、时间等因子建立多因子统计模型，根据相关系数，就回归效果给出定性结论。

渗流压力分析：渗流压力分析包括滞后时间分析、建立统计模型、位势分析、坝体浸润线分析、坝基抗渗分析等。

渗流量分析：渗流量分析包括建立统计模型、化引流量分析等。

下表是对大坝渗流量采集的数据进行分析(供参考)。

六 结束

山美水库大坝安全监控系统的开发与应用，实现对山美水库大坝安全的实时监控与预警，在水库调度过程中发挥了重要的辅助决策作用，取得了显著的经济效益和社会效益。山美水库大坝安全监控系统是福建省第一座土石坝安全监控系统，该系统的应用将为山美水库大坝的安全运行、试行水库汛限水位动态控制、洪水资源化及水资源优化配置起到重要作用，也将对福建省乃至全国水库大坝安全运行管理提供一些经验。