李 炳，商 超，王 新

（1.濟(jì)南市水利建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，山東 濟(jì)南 250100；2.濟(jì)南市水利工程服務(wù)中心，山東 濟(jì)南 250010）

水庫(kù)作為保障地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施，承擔(dān)著防洪、灌溉、供水和生態(tài)等多重功能，水庫(kù)大壩的安全是其發(fā)揮社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的基礎(chǔ)，大壩安全監(jiān)測(cè)是水利工程管理的一項(xiàng)重要工作[1]。臥虎山水庫(kù)位于濟(jì)南市南部山區(qū)仲宮鎮(zhèn)境內(nèi)，錦繡川、錦陽(yáng)川、錦云川三川匯流處的玉符河上游，屬黃河水系，是一座以防洪、城市供水為主，兼有灌溉、生態(tài)補(bǔ)源等綜合利用的大（2）型水庫(kù)。水庫(kù)始建于1958 年，先后經(jīng)續(xù)建、擴(kuò)建、除險(xiǎn)加固、擴(kuò)庫(kù)增容等達(dá)到現(xiàn)狀規(guī)模。水庫(kù)流域面積557 km2，流域內(nèi)有104 國(guó)道、高速公路、京滬鐵路等重要交通樞紐，距濟(jì)南市區(qū)25 km，位置非常重要。

1 原有監(jiān)測(cè)設(shè)施運(yùn)行狀況及存在問(wèn)題

1.1 大壩表面變形監(jiān)測(cè)設(shè)施運(yùn)行情況

2011 年除險(xiǎn)加固工程結(jié)合壩北側(cè)山體滑坡監(jiān)測(cè)，建設(shè)了壩后坡變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用TCA2003 全站儀加棱鏡的自動(dòng)化觀測(cè)模式，因場(chǎng)地限制及設(shè)備年久失修的原因，現(xiàn)狀觀測(cè)系統(tǒng)無(wú)法正常工作。

1.2 大壩滲壓監(jiān)測(cè)設(shè)施運(yùn)行情況

2004 年10 月完成大壩滲壓自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，并與2005 年7 月完工并交付使用，完成大壩滲壓原有大壩和溢洪道現(xiàn)場(chǎng)共設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)28 處。

2012 年恢復(fù)運(yùn)行的滲流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)從技術(shù)和防雷防干擾措施上進(jìn)行了改進(jìn)和加強(qiáng)，運(yùn)行多年，由于滲壓計(jì)安裝時(shí)絕緣防水做法質(zhì)量控制不嚴(yán)格等原因，造成斷面測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)缺失，且部分測(cè)壓管存在淤積堵塞問(wèn)題。

1.3 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行情況

臥虎山水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于2005 年8月建成，系統(tǒng)采用三層“分層分布式”結(jié)構(gòu)。第一層由分布在大壩各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的傳感器（GK4500AL）組成；第二層由分布在大壩兩端的兩套數(shù)據(jù)采集儀（MCU2380/20）組成；第三層由PC 微機(jī)和服務(wù)器構(gòu)成的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)組成，2007 年8 月，遭遇了一次強(qiáng)雷擊，造成采集裝置的永久性損壞。

2 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)

大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)以實(shí)現(xiàn)壩體安全和充分發(fā)揮工程效益為改造設(shè)計(jì)的總目標(biāo)。

1）大壩重點(diǎn)監(jiān)測(cè)斷面實(shí)現(xiàn)全天候監(jiān)測(cè)和預(yù)警，其他部位周期性監(jiān)測(cè)，在發(fā)現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象時(shí)及時(shí)分析，及時(shí)報(bào)警，提醒水庫(kù)管理人員和上級(jí)水管部門(mén)采取應(yīng)急措施，以預(yù)防事故發(fā)生，保障下游人民群眾生命和財(cái)產(chǎn)安全。

2）對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行定期整理、分析，組織專(zhuān)業(yè)人員對(duì)大壩進(jìn)行技術(shù)鑒定，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和運(yùn)行情況，及時(shí)調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行方式，制定管理計(jì)劃。

3）對(duì)監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行定期的整編，為大壩的安全運(yùn)營(yíng)、管理提供資料。

4）實(shí)現(xiàn)大壩安全監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化。系統(tǒng)建成后，具有精度高、集成度高、自動(dòng)化程度高、可靠性高、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)計(jì)算、分析、預(yù)警自動(dòng)化和遠(yuǎn)程控制與分享。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)方案

3.1 表面位移監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

1）設(shè)備選型。臥虎山水庫(kù)為東西狹長(zhǎng)的形狀，水庫(kù)上游為錦繡川、錦云川、錦陽(yáng)川三川匯集處，水庫(kù)下游為玉符河，水庫(kù)大壩依山而建，截河而成。根據(jù)現(xiàn)狀地形情況和規(guī)范要求，壩前沒(méi)有建設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)和工作基點(diǎn)的條件，壩后民房、魚(yú)塘、高大樹(shù)木較多，建設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)和工作基點(diǎn)需要進(jìn)行遷占，資金投入高，難度大。

衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)（GNSS）具有測(cè)量精度高、頻率快、受環(huán)境影響小的優(yōu)點(diǎn)，除在空間測(cè)量、地殼及工程建筑物的形變監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用外，在隔河巖水電站大壩監(jiān)測(cè)、小浪底大壩監(jiān)測(cè)等工程實(shí)例中均有應(yīng)用。本方案根據(jù)水庫(kù)實(shí)際情況，通過(guò)設(shè)備選型，確定以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為主，通過(guò)安裝GNSS 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)大壩表面位移監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化。

2）表面位移監(jiān)測(cè)網(wǎng)的布設(shè)。根據(jù)《土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》要求，表面變形的橫向監(jiān)測(cè)斷面通常選在最大壩高、合龍?zhí)?、地形突變處、地質(zhì)條件復(fù)雜處，一般不少于3 個(gè)，每個(gè)橫向監(jiān)測(cè)斷面一般不少于4 個(gè)標(biāo)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)在壩軸線方向上的間距，壩長(zhǎng)大于300 m 時(shí)，宜取50～100 m[2]。鑒于規(guī)范要求，收集臥虎山水庫(kù)大壩的運(yùn)行情況，現(xiàn)場(chǎng)勘查分析，確定監(jiān)測(cè)斷面。大壩典型斷面及監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布情況見(jiàn)表1、表2 示。

表1 大壩典型斷面表

表2 大壩監(jiān)測(cè)斷面及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)表

3.2 滲壓監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

1）設(shè)備選型。滲壓設(shè)備需要滿足以下要求：

（1）對(duì)壩體、壩基和繞壩、繞溢洪道兩邊閘墩的滲流浸潤(rùn)線數(shù)據(jù)能定時(shí)和不定時(shí)地自動(dòng)采集和存儲(chǔ)。

（2）可對(duì)大壩、繞溢洪道兩邊閘墩的滲流作用狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)定性定量的簡(jiǎn)明分析，實(shí)時(shí)顯示各監(jiān)測(cè)斷面的滲流浸潤(rùn)線，以及數(shù)據(jù)報(bào)表等。

（3）對(duì)大壩滲流安全實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)和報(bào)警。目前，大壩滲壓監(jiān)測(cè)大多采用投入式傳感器、激光超聲測(cè)距式、光纖傳感式、浮子式等方式。

根據(jù)水庫(kù)的實(shí)際情況，通過(guò)調(diào)研選擇國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的集水位智能感知、主動(dòng)跟蹤、數(shù)據(jù)采集處理、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫惑w化設(shè)計(jì)的跟蹤式智能滲壓計(jì)。

2）測(cè)壓管布設(shè)。臥虎山水庫(kù)大壩已建成運(yùn)行多年，考慮到現(xiàn)狀測(cè)壓管監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)比較合理，為避免新建測(cè)壓管對(duì)大壩穩(wěn)定性的影響，破壞大壩整體性，測(cè)壓管的布設(shè)應(yīng)沿用原有位置。

3）測(cè)壓管沖洗及穩(wěn)定性測(cè)試。現(xiàn)狀測(cè)壓管使用了5 年時(shí)間，部分測(cè)壓管存在淤積堵塞問(wèn)題，為保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，按要求對(duì)28 只測(cè)壓管管內(nèi)淤積的泥土進(jìn)行沖洗。測(cè)壓管內(nèi)淤泥沖洗干凈后，再次測(cè)量其測(cè)壓管的長(zhǎng)度、管內(nèi)水深和記錄測(cè)量的時(shí)間。

3.3 自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）系統(tǒng)組成。管理中心由監(jiān)控工作站，短信接受單元及軟件組成；監(jiān)測(cè)點(diǎn)由GNSS 接收機(jī)、滲壓計(jì)、監(jiān)測(cè)設(shè)備、采集終端及保護(hù)裝置組成，現(xiàn)場(chǎng)采用輸電線路和太陽(yáng)能組合供電，通過(guò)光纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，后臺(tái)集中在管理處的控制室進(jìn)行數(shù)據(jù)接收和顯示存儲(chǔ)處理。

后臺(tái)系統(tǒng)利用.net 框架平臺(tái)在數(shù)據(jù)訪問(wèn)、通信、分層等方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，將大壩安全管理軟件打造成界面可視、系統(tǒng)可升級(jí)、模塊可刪減增加、可隨設(shè)備的更新擴(kuò)展、可與省市平臺(tái)對(duì)接共享的自動(dòng)化系統(tǒng)。

2）系統(tǒng)功能如下：

（1）系統(tǒng)自動(dòng)分析自動(dòng)報(bào)表。定時(shí)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，也可以設(shè)定采集頻率、在線監(jiān)控，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行異常值檢驗(yàn)、測(cè)值換算、越限報(bào)警等，繪制監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化曲線圖，分析大壩動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，形成《土石壩安全監(jiān)測(cè)資料整編規(guī)程》要求的大壩安全監(jiān)測(cè)報(bào)告。

（2）數(shù)據(jù)備份儲(chǔ)存。平臺(tái)具有云儲(chǔ)存、自帶磁盤(pán)、打印、拷貝、導(dǎo)入導(dǎo)出等多種備份方式，自動(dòng)或人工定期或不定期備份，并可將數(shù)據(jù)導(dǎo)出至表格或文本格式文件，保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和資料的長(zhǎng)期保存。

（3）預(yù)警值設(shè)置，超限報(bào)警。在線監(jiān)控，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行異常值檢驗(yàn)、測(cè)值換算、越限報(bào)警等，當(dāng)監(jiān)測(cè)值接近或動(dòng)態(tài)趨勢(shì)接近限值時(shí)，通過(guò)手機(jī)短信、警報(bào)通知管理人員，并縱向報(bào)告上級(jí)主管部門(mén)，以采取快速可行的措施。

（4）人機(jī)交互。對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行可實(shí)現(xiàn)無(wú)情況時(shí)自動(dòng)運(yùn)行，在運(yùn)行出現(xiàn)故障時(shí)記錄事故原因及相應(yīng)參數(shù)，暫停監(jiān)測(cè)并通過(guò)人為干預(yù)解決運(yùn)行故障優(yōu)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

4 系統(tǒng)運(yùn)行分析

臥虎山水庫(kù)大壩自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于2020 年3 月20 日開(kāi)工建設(shè)，2020 年11 月20 日正式采集數(shù)據(jù)運(yùn)行，現(xiàn)已經(jīng)運(yùn)行11 520 h。根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行以來(lái)的所有歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資料，以及運(yùn)行、維護(hù)、維修情況記錄，計(jì)算系統(tǒng)平均無(wú)故障工作時(shí)間和數(shù)據(jù)缺失率，以檢測(cè)系統(tǒng)可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。通過(guò)人工觀測(cè)與自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以檢測(cè)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的精度。

選取2021 年1 月1 日至2022 年3 月15 日作為考核期，計(jì)算結(jié)果顯示平均無(wú)故障工作時(shí)間9780h，自動(dòng)化系統(tǒng)各儀器的平均數(shù)據(jù)缺失率為0.05%，小于規(guī)范要求的3%[3]，人工觀測(cè)數(shù)據(jù)和自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)差值滿足規(guī)范要求的精度指標(biāo)，表明自動(dòng)化系統(tǒng)自投入運(yùn)行以來(lái)，其運(yùn)行可靠性良好，可滿足工程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)需要。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)臥虎山水庫(kù)大壩自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的改造，解決了原來(lái)專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員缺乏、設(shè)備老化陳舊、資料整理不規(guī)范的問(wèn)題，使臥虎山水庫(kù)運(yùn)行管理實(shí)現(xiàn)具有自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、處理和應(yīng)用等信息化技術(shù)功能的現(xiàn)代化管理，為保障大壩安全運(yùn)行及附近居民的生命財(cái)產(chǎn)安全起到重要作用。

本次自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的改造將先進(jìn)的傳感器、數(shù)據(jù)采集與處理、通信、計(jì)算機(jī)技術(shù)、巖土工程、水工結(jié)構(gòu)等學(xué)科的現(xiàn)代理論和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)融為一體，對(duì)其他土石壩水庫(kù)的安全監(jiān)測(cè)建設(shè)具有一定的參考意義。