水库大坝安全监测系统及自动化.docx

水库大坝安全监测系统及自动化巩向伟侯丰奎张卫东徐永兵(山东省水利勘测设计院济南250013 )【摘 要 】 本文阐述了水库大坝安全监测的目的以及监测内容 , 监测自动化技术 。分析了目前水库大坝安全监测系统监测项目的设置 、设备选择 、软件构成 、维护管理等问题 , 提出完善系统的措施 。【关键词 】 大坝安全监测 自动化 监测项目【中图分类号 】 TV69811 + 1 【文献标识码 】设备选择 软件 维护管理A 【文章编号 】 1672 - 2469 ( 2007) 02 - 0065 - 04和选用参数的合理性 ; 为研究大坝的设计理论提供科学依据 ; 指导施工 , 有利于其他大坝包括待建坝 的安全评估 。1 水库大坝安全监测的目的和意义中国已建成近 817万座水库 , 这些水库是我国 国民经济的重要基础设施 。但是 , 由于历史原因 , 这些水库大部分防洪标准偏低 , 且大都存在不同程 度的质量问题 。为了确保水库大坝的安全运行 , 充 分发挥水利工程的预期效益 , 对水库大坝实施安全 监测和科学管理 , 已成为各级水行政主管部门所面 临的一个迫切需要解决的问题 。111 引起大坝故障的原因2 水库大坝安全监测范围 、内容及自动化211 监测范围关系大坝安全的因素存在的范围大 , 包括的内 容多 , 规范规定 “大坝安全监测范围 , 包括坝体 、坝基 、坝肩 , 以及对大坝安全有重大影响的近坝区 岸坡和其它与大坝安全有直接 关系 的 建筑 物和 设 备 ”。大坝 安 全 监 测 的 范 围 应 根 据 坝 址 、枢 纽 布置 、坝高 、库容 、投资及失事后果等进行确定 , 根 据具体情况由坝体 、坝基推广到库区及梯级水库大坝 , 大坝安全监测的时间应从设计时开始直至运行 管理 , 大坝安全监测的内容不仅是坝体结构及地质 状况 , 还应包括辅 助机 电 设备 及泄 洪 消能 建筑 物等 。大坝安 全监 测主 要 包括 : 变 形 监 测 、渗 流 监 测 、压力 (应力 ) 监测 、温度监测 、环境监测等 。212 监测手段和方法大坝安全监测包括人工巡视检查和仪器自动化 监测 。随着科学技术的进步 , 大坝安全监测的手段有了迅速发展 , 由过去的人工巡视观测逐步发展到大坝失事的原因很多 、涉及范围也很广 ,第一类是由设计 、施工和自然因素引起 , 它没有一个从量变到质变的过程 , 大坝建成时就已确定了的 ; 如 设计洪水位偏低 、混凝土标号过低 、未考虑地震荷 载等 ; 第二类是设计 、施工不完善或运行 、管理过程中逐步形成的 , 有一 个从 量 变到 质变 的 发展 过 程 ; 如冲刷 、浸蚀 、混凝土的老化 、金属结构的锈 蚀等 、或者随着时间的推移和运行管理的不力使设 计 、施工中的隐患发展为破坏 。112 大坝安全监测的目的和意义大坝安全监测有校核设计 、改进施工和评价大 坝安全状况的作用 , 且重在评价大坝安全 。进行安 全监测可以准确掌握大坝的工作状态 , 指导大坝运 行管理 , 使工程充分发挥其效益 。大坝安全监测不 仅是为了被监测坝的安全评估 , 还要验证设计理论作者简介 : 巩向伟 ( 1962 年 ) , 女 , 高级工程师 , 山东省水利勘测设计院信息网络与通信设计室副主任 。65科研与管理水利规划与设计2007年第 2 期自动化监测 。人工观测工作量大 、周期长 , 观测成果的精度和同步性较差 , 尤其是在汛期水位猛涨的 情况下 , 适时的监测与分析计算很难做到 , 所以 ,大坝监测的自动化是必然的要求和趋势 。但是 , 由 于大坝的特殊性和目前仪器自动化监测的水平的限 制 , 大坝安全自动化监测系统还不够完善 , 还要将人 工巡视检查和仪器自动化监测手段结合起来 , 将定性 和定量监测结合起来 , 才能完善大坝安全监测系统 。213 大坝安全监测的自动化性 、环境适应性 、长期运行 、造价经济合理 、能实现自动化数据采集等方面 , 对传感器进行比选 。 通过中小型水库大坝安全监测系统安装情况看 , 许多水库从建库以来 , 已经多次设置大坝渗流 监测系统 , 大都由 于使 用 的传 感器 受 潮绝 缘度 降 低 、测值不能反映 坝的 真 实状 态等 问 题而 停止 使 用 。目前有振弦式传感器 、压阻式传感器 、卡尔逊 式传感器 、电容式传感器 、电感式传感器 、电阻式传感器 、电压式传感器 、电流式传感器等多种传感 器类型 。相 比之 下 , 国 外 厂商 生产 的 传感 器精 度 高 、设备性 能质 量 稳定 , 在国 内多 家 水库 得到 应 用 。但该监测仪器价格较贵 , 由于投资限制 , 有些 水库只能选择价格比较低的产品 , 给大坝安全监测自动化系统的准确性带来隐患 。因此 , 要结合水库 实际选用国外或国内产品 , 以满足不同的要求 。313 自动化系统方面自动化系统是由测控装置和安全采集 、管理 、 评价软件构成 。测控装置主要完成对其所连接的各种传感器的数据采集 、转换 、存储和传输功能 。信 息传输方式可以根据实际需要和环境条件选择 。采 用光缆 、电缆 、 CAN 总线等 有 线型 和无 线型 , 或 者有线 、无线共同使用构成子网结构 , 能适应不同 规模大坝 (工程 ) 的现 场条 件 。大 坝 安全 监测 系统是一个系统 , 它的整体性能与各个部分的性能是 分不开的 。在运行过程中 , 出现的问题有很大部分 是各部分配置不协调引起的 。31311 设备适用性 在我国 , 中小型水库和土石坝 占有相当大的比例 , 水利工程中 90 %以上为土石坝 。而在现阶段 , 土石坝监测自动化 , 特别是内部 变形监测和渗流监测自动化技术和相关产品还不成 熟或尚未形成系列 。对中小型水库和土石坝 , 组成 自动化监测系统 , 厂家配套的自动化系统一般比较 庞大 , 系统完善 、费用高 , 选用配套产品 , 就要选择比较大的系统 。这些系统虽然采用模块化设计 , 可以增减模块 , 但既使只进行渗流监测 , 系统的配 置与多项监测没有大的差别 , 厂家会从扩展性方面 推荐他们的产品 , 但真正用起来 , 总有大马拉小车 的感觉 。大部分中小型水库为了节省资金 , 只有选择不同厂家的产品自组系统 。应从经济性 、适用性 出发 , 根据水库实际情况 , 扩展的可能性 , 决定系 统功能和采集范围上的大小 , 以满足不同投资规模 和不同建设规模的需要 , 使系统能方便的扩充功能 和扩大监测范围 。整体优化设计 , 强化软件 , 简化硬件 , 降低设备造价 。水利自动化是一项新兴的应用技术 ,信技术 、计算机技术和测控技术为一体 ,它集成通水利自动化技术的应用是水利现代化建 设的 重要 内 容和 标志 。随着水利自动化技术的发展 , 大坝安全监测自 动化系统得到越来越广泛的应用 。大坝安全自动化监测系统就是针对水库大坝的变形 、位移 、渗压 、温度等进行数据采集 、数据管理 、分析处理 , 系统 所采集的数据经过处理后 , 既可以为用户的在线分 析提供决策依据 , 也可以提交给有关的上层结构分析软件做进一步的分析处理 , 实现了大坝安全监测 数据和信息的自动化管理 、分析 , 为监测对象提供 早期安全预警报告 , 为大坝安全提供评估依据 , 保 证大坝安全运行 。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 , 为完成上述功能 , 以 及它们之间异地远程网络的信息交换 , 必须在现代 计算机及通信网络技术的支撑下实现 。3 目前水库大坝安全监测系统分析对目前已经进行除险加固的水库大坝监测系统分析 , 其问题存在于设计 、施工 、运行管理各个阶 段 , 主要表现在如下方面 。311 监测项目设置较少一般来说 , 大坝监测项目包括变形监测 、渗压 监测 、渗 流 监测 、结构 应力 应 变 监 测 、环 境 监 测等 。对于一个具体的大坝 , 应根据该大坝的水文 、地质 、环境 、坝身 、坝基的隐患 , 选择确定适当的 监测项目 。一些水库虽然按规范设置了最基本的监 测系统 , 如渗压监测和人工变形监测 , 但对重点突出 、基础差 、结构本身条件差 、荷载复杂的部位等 没有进行监测 , 这样不便于研究坝的变化规律 , 尤 其是病险水库 , 还不能全面反映大坝的工作状态 。312 监测仪器选择对于不 同的 监 测项 目 , 传 感器 类 型 及 型 号 很 多 , 监测方式各异 , 为使监测有效可靠 , 应从先进66科研与管理水利规划与设计2007年第 2 期31312 各 种设 备兼 容 性由于 在大 坝 安 全 监 测 行一个统一的标准 。中小型水库大坝安全监测自动化水平多数停留在部分监测项目数据的自动采集上 ,只能数据采集 , 不能数据分析 。如果不对采集的数 据进行适时分析 , 就不能对大坝的安全性能做出评价 , 系统不完善 。软件应采用模块化设计 , 根据系统功能要求而 增减 。通过 数据 采集 软 件实 现 对 温 度 、渗 压 、土 压 、水位 、应力 、测缝 、位移 、测斜各种参数的测量 , 系统应具有定时自动采集 、人工采集 、数据记 录保存和查询 、掉电保护 、报警 、图形化数据状态 显示 、联网等功能 。分析软件其功能是依据监测资料 、结构和渗流 等分析和 反分 析 成果 , 以及 设 计 、施 工 、运 行 管理 、法规 、和规划等专家知识 , 对监测 、资料进行 分析和评价 , 从中寻找异常值或不安全因素 , 并对 此进行成因分析和辅助决策等 。因此 , 当监测系统 施工完成后 , 并不意味着 , 大坝安全监测软件就完 善了 。还必须根据运行实际 , 不断积累经验使分析系统逐步完善 。314 运行维护方面31411 现场观测 在工程施工过程中 , 应认真按设 计文件规定 , 准确地在预定位置安设仪器 , 注意埋 设质量和安全保护 , 以防损坏 、串位和失真 ; 做好施工埋设情况记录 , 引出线要有明显标记 ; 认真作 初期观测 , 特别是基准值一定要测准 。有些水库实施安全监测以来 , 由于不重视维护 人员素质的提高 , 不能按照规程的要求进行监测 , 这就失去了自动监测的意义 。要参照有关规范 、手册 , 制定观测规程和观测细则 , 包括观测项目 、测 次 、时间 、顺序 、操作方法 、精度要求等 , 观测测 次要满足掌握测值变化过程的需要 , 保持资料的连 续性 , 测次安排要与荷载变化相适应 , 以系统地掌 握建筑物状况与荷载之间的关系 , 重点项目 、重要的测点在特高水位时要连续观测 , 地震后要及时检 查和观测 。31412 资料计算 、整编和分析 资料的积累至关重 要 。对大坝勘测 、设计 、施工 、监理 、运行 、安全 监测的资料以及其它有关安全技术资料的收集 、分析 、整理和保存 , 建立大坝安全技术档案以及相应 数据库 ; 资料计算要及时 、正确 , 有严格的校核审 查制度 ; 对资料要定期整理 , 及时对观测成果进行 分析 , 了解测值是否合理 ; 实现遥测 、自记 、自动 巡回检测 、数据自动打印和加工处理 。31413 水库安全管理 从事水库监测的管理人员必67业 , 自动监测仪器和自动监测系统厂家还不多 , 目前大坝安全监测系统的兼容性还比较差 , 系统监测 仪器和系统的性能指标等相差较大 , 而设计单位对监测仪器和监测系统认识受到限制 , 设计一般按照厂家推荐的产品选型 ,型号和厂家有所不同 ,进行联网 、系统扩容 ,其选择的监测及自动化设备以后整个水库调度自动化要 必须考虑其兼容性 。系统应具有多种传感器检测模块 , 能适应各类传感器 , 兼容多种不同接法 。MCU 内部检测模块 的种类 、数量可拼装 , 能适应局部对传感器类型的 组合要求 。能实现各种时间组合方式的条件监测 。 能将历史检测数据以多种形式输出 , 满足不同分析软件对软件接口的需要 。31313 不同设备的可靠性 在一个大坝安全监测系 统中 , 有 各 种不 同的 设 备 , 当 选 择 数 据 采 集 、传 输 、自动化设备时 , 性能差别很大 , 往往会出现各 种设备可靠性不同的问题 。有的设备性能比较差 ,经常出现问题 , 影响整个系统的性能 。因此 , 在选 择自动化设备时要从整体考虑 , 否则 , 即使有些设备 选的可靠性较高也提高不了整个系统的监测水平 。为适应 “无 人值 班 , 少 人 值 守 ”的 要 求 , 设 置自动巡测 、在线诊断 、自动报警是对系统的必然要求 。自动化系统大部分是由电子产品组成 , 其防 雷 、抗干扰性能较差 。许多测值超差和故障是由于 自动化系统本身引起的 。因此 , 设计时要采取相应 的措施 , 在高可靠性的基础上选用先进的系统和仪 器 , 使建成后的系统达到较高的可靠性 。主控机采用工业控制计算机 , 在较差环境中能 可靠的长期工作 。系统各设备采用工业级芯片 , 能 适应现场的恶劣环境 。系统软硬件具有组态功能 , 在个别 检 测 通 道 故 障 时 , 可 以 方 便 地 进 行 切 换 。 MCU 备用 电 源 在 现 场 交 流 掉 电 时 , 可 自 动 切 换 ,继续使 MCU 可靠工作 。配备件供应及时可靠 。所 有监测参量均能实现人工比测 。充分考虑防潮 、防 雷 、抗干扰等技术措施 , 把由于自然 、人为因素造 成的系统损坏降至最低 。31314 大坝安全监测软件 大坝安全监测软件实现大坝安全监测数据和信息的自动化采集 、管理 、分 析 , 为大坝 安全 提供 评 估依 据 , 保 证大 坝 安全 运 行 。大坝安全监测软件分为 : 数据采集软件和数据 分析软件 。目前 , 各厂家开发的软件差别很大 , 有的只满足规程要求的基本功能 , 有的功能十分强大 。没有科研与管理水利规划与设计2007年第 2 期须从专业人员中挑选 。或经过专门的培训 , 熟悉大坝安全监测的方法和步骤 。监测的内容和技术要求 须满足规程要求 。用于监测水库大坝的仪器和装置应由专业人员进行定期检查和鉴定 , 保证监测仪器况 , 指出要从大坝安全出发 , 建立完善的自动化监测系统 , 在自动化设备选择时要注意适用性 、兼容 性 、可靠性问题 , 以及对软件的要求 。提出要建立良好的维护管理制度 , 提高运行管理人员的素质 , 及时总结大坝安全监测经验 , 不断提高我国水库大 坝的安全管理水平 。同时 , 要求开发商研制出费用 低 、安装调试简单 、易维护 、实时性高 、适合中小 型水库的系统 , 为病险水库的安全防护及新建水库的安全监测做出