论文部分内容阅读
[摘 要]随着科学技术以及信息技术的飞速发展，大坝自动化监测在水电站大坝安全监测的应用及其重要，大坝作为特殊的建筑，其安全性质与房屋等建筑物完全不同，大坝安全出现问题，将会引发大坝下游一定范围的人员和财产、环境损失。在加强水利建设的大环境下，提高水工建筑物的安全，特别是提高大坝安全监测水平，保证水库大坝的安全，是关系到国家利益和社会稳定的头等大事。本文主要阐述了水电站大坝安全监测自动化技术在观音岩水库大坝的运用。
[关键词]大坝安全监测 自动化 技术 运用
中图分类号：D692.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）01-0205-02
1.观音岩电站工程概况
黔东南州施秉观音岩水电站是以发电为主，兼有城市防洪、旅游功能的舞阳河流域上的龙头水电站。电站座落在施秉县城关镇五旗村观音山下，距县城9公里。观音岩电站工程于1987年元月由贵州省水利水电设计院开始勘测设计，92年7月竣工并交付使用，水库最大容量1.23亿立方米，调节库容0.736亿立方米，集雨面积941平方公里，总装机容量2× 6300千瓦，水库大坝为细石砼砌块石双曲拱坝，最大坝高82.1m，坝顶弧长131.3m，拱冠梁顶厚5.0m，底厚14.4m，厚高比0.18。是国内最高的砌石薄拱坝之一。电站的建成，形成了著名的舞阳河风景区，促进了施秉、三穗、镇远、黄平四县的经济发展，经济效益和社会效益十分显著。
2 .观音岩电站大坝原有观测系统运行情况及存在问题
观音岩电站水库大坝内外观测仪器安装工作于1989年1月正式开始，到1992年7月全部完成；视准线观测及精密水准测量1994年完成，并取得多期观测资料。
外部观测仪器：水平位移监测网采用二等三角测量的精度，选用TC1102全站仪、T3经纬仪。
垂直位移监测网采用国家二等水准测量精度，选用Ni004精密水准仪和2m固定水准尺进行。
正倒垂均采用CG-2A型垂线坐标仪。
内部观测仪器：内部观测包括四方向应变计组33个，分别位于高程522m、536 m、554 m、570 m、586 m拱圈；温度计25支，位于冠梁上述5组高程。另外，在536 m、570 m拱圈砌块内各布置6个测点，共24支单向应变计，12个无应力计；高程522 m拱圈布置6支压应力计；坝基520 m高程及高程522 m拱冠处各布置渗压计2支。
根据观音岩电站测量人员人工仪器测量提供的资料分析，工程主要部位历次观测、检测虽未发现任何异常现象。但一直没有进行过有效、系统、全面的安全观测，大坝垂线人工测量准确度不高，大坝沉降测量没法进行，厂房边坡一直没有进行地下水观测，给厂房、大坝的安全运行带来隐患，也无法准确及时地反映大坝安全运行情况。
观音岩电站自1991年水库蓄水发电以来，大坝除发现坝体少数渗漏以外，大坝运行状态相对稳定，水工机械设备运行状况也良好。但这几年来，大坝安全监测除垂线保持观测外，因为其它设备老化、锈蚀等原因一直没有进行过有效的观测，大坝内观从97年开始就没有进行测量，而内观仪器测量数据对砌石坝所反应大坝安全情况又是最重要的。目前该大坝垂线人工测量准确度不高，由于各种原因，其它观测设施和手段也难以到位，无法准确及时地反应大坝安全情况。因此，提高大坝的安全系数已经刻不容缓，大坝安全监测系统的建立是保证大坝安全运行的强有力保证，对大坝实施自动化安全监测已经迫在眉睫，为了掌握观音岩大坝工程安全性状运行情况，防患于未然，因此2008年4月大坝管理单位（黔东南苗族侗族自治州地方电力总公司）拟对观音岩水电站大坝进行安全监测自动化系统技术改造。
3.观音岩电站大坝自动化安全监测自动化系统建设的目的和原则
3.1 大坝安全监测目的
观音岩电站大坝安全监测实现自动化监测，正是利用现代微机、传感器及测量等高新技术，形成高效的自动在线监测的能力，实时在线地对采集数据进行自动辨别与分析处理，可靠地在同一时间获取准确无误的水工建筑物的运行性态所表现的各种数据，通过自动化与人工智能分析处理，实现安全监测的目的：
（1） 掌握观音岩电站大坝的工作状态，及时对观音岩电站大坝的稳定性和安全性作出评价，以确保大坝运行期的安全。
（2） 对观音岩电站大坝在某种特殊条件下的进行实时在线动态监测与分析，为科学研究积累和丰富一手资料，以更进一步地分析大坝的安全性，并有科学根据地对大坝作出有效的修复。
（3） 观音岩电站大坝监测自动化远程控制系统的建立能科学合理地改善监测人员的工作环境和条件，最大限度地减轻劳动强度，提高劳动生产率，合理减员增效。
3.2 大坝安全监测系统的原则
观音岩大坝安全监测系统的建立必须实现功能可靠、技术先进、管理高效、保障完善的具有国际先进水平的一流工程安全监测自动化系统目标，必须满足以下基本原则：
（1）监测系统的项目设立、测点布置及系统的功能，仪器设备性能必须满足《混凝土坝安全监测技术规范》（DL/T5178-2003）、《土石坝安全监测技术规范》（SL60-94） 及国家工程监测与管理有关文件的要求。保证满足系统的稳定性、可靠性、扩展性、易维护性、防退化性、简便性等原则。
（2） 观音岩电站大坝实施的观测方案要可靠，观测方法要直观有效，选用的仪器要求测量精度高，测量量程要能适应大坝变形的特殊要求，并在充分满足最大测量范围的前提下，留有充分的冗余；系统设备性能好，且能长期稳定地工作于工程恶劣环境中（高低温差、高湿度、强电磁场、强雷电感应），使用寿命长，抗干扰能力强。数据测控单元须有长期在线自检、自校零功能、自动在线实时数据分析辨别、复测功能，确保测试数据和精度的準确无误，并保证在无人干预的条件下，全天侯长期连续稳定地运行工作。 4.大坝安全监测系统建立布置方案
4.1 仪器设备编号规则
依据岩土监测的规范要求，仪器设备编号规则为：
倒垂线代号为IP；正垂代号为PL；应变计测点代号S；温度计测点代号T；渗压计及绕坝渗流测点代号为UP；水位计测点代号SW；量水堰测点代号为WE；自动温度计测点代号WD；雨量计测点代号JY。各测点代号后依次接监测仪器的顺序编号。
为便于安全监测系统建立管理，测站编号按监测单元工作箱代号编组为RDPU，后接测站顺序编号；智能数据采集模块代号编组为DAM，代号后依次接智能数据采集模块的顺序编号。
4.2 大坝安全监测系统的仪器布置
观音岩电站大坝安全监测系统的项目主要以内部变形监测和垂直位移、地下水、绕度监测项目为主，并融合环境量的同步监测。内部变形监测主要包括内部应力应变监测、温度监测、裂缝监测、渗压监测。外部监测主要是垂直位移和地下水及绕度监测。环境量监测则为大气气温和水温及雨量。
观音岩电厂自动化仪器布置如下：
内观：仪器根据现场测量，共有143支仪器运行正常，18支仪器可作参考。
垂线：在3#坝块布置正倒垂线各一条命名为PL1、IP1。
在坝顶0#位置安置一支气温计命名为：QT1；在库内安装一支水温计命名为：ST1。在0#安装一台雨量计命名为JY，及上下游水位计各一支分别命名为SW1、SW2。
4.3 大坝安全自动化监测系统的组成设计
根据建筑物结构特征和今后管理发展需求，以及符合相关标准文件技术条款采用最先进的安全监测技术，建立安全监测系统。安全监测系统拟采用网络式风格布局的自动化远程在线监测系统，以适应现场安全监测系统的建立需要和考虑今后实现跨地域控制的发展要求，从而避免过量的重复投资。系统方案按二级三层布置组成，二级分别为现场监控级和远程控制级，依照管理运行要求，承担各自的运行管理职能，根据监测对象和监测项目的实际需求，进行合理布局与选择，以适应工程项目施工期、初始运行期的要求和今后自动化发展需要。
5.改造后的大坝自动化监测系统运行情况
本系统共接入168支有效测点、16个测控单元、2套CCD垂线坐标仪、及环境监测测4个点。自2009年10月底移交接管运行以来，公司安排专人运行和管理，严格按照系统操作规程使用，至目前为止系统运行良好。监测中心系统通信呼叫正常，施秉县城远程测控顺畅，未出现过系统异常、测值不稳定、测点不正常工作等情况。目前在非汛期每个测点日测量两次，在讯期则加强观测密度至每小时一次，到2013年12月底系统已监测到了二十万组连续有效、准确、可靠的监测数据，从获取的数据初步分析可以看出数据整体变化较平稳，应力、应变计与上游水位关系较密切，坝内温度计随季节温度变化而变化，并滞后于季节温度，两边坝肩、坝内渗压计与上游水位关系密切并与上游水位值呈同一趋向。测量数据应力应变传感器共有40639条，温度计有2370条，环境量有1721条。
系统软件包含有实时在线监测、数据采集、报表制作、图形制作、测值管理、系统管理、离线分析等功能。软件使用简单、易学易用、功能能满足目前工作的全部要求，界面友好，很多功能都是一键式的自动完成，例如：取定时测数据，系统能够取指定模块的定时测量测值，并能实现测值的绝对量换算，并自动入库。
总之从系统投入运行以来，实现了大坝安全监测的高度自动化、极大地节省了大批人力、物力，并提高了工作效率。高密度的数据监测能够及时了解大坝内的各监测测点的变化情况，为掌握大坝工情、保障大坝安全运行、维修养护、除险加固等第一时间内提供重要数据依据。
6.结语
通过以上的介绍分析，大坝安全监测实际上是一种管理，包括信息采集、处理、结论的得出、措施的制定、信息的反馈，其根本目的是为了工程效益。综合起来可以得出如下几点：
（1）欲使大坝安全监测自动化系统更好地发挥“耳目”功能，必须至始至终把大坝安全放在首位。大坝安全监测内容应包括与大坝安全有关的泄洪及机电设备；
（2）大坝安全监测应与气象、水情、洪水预报及水库调度结合起来，成为水库运行调度决策支持系统的一部分，真正为工程效益的最大化服务；
（3）大壩安全监测应将大坝安全评估与设计标准、设计参数等指标结合起来，充分利用大坝安全定检的成功经验和方法，从而易于理解、掌握和应用；
（4）大坝安全监测应充分利用科技进步，走向即时化、智能化、网络化。
总之，大坝安全监测就是利用一切手段，确保大坝以较少的投入来保证长期、稳定、安全的运行，实现效益的最大化。
参考文献
[1]方卫华.国内外水库安全管理与大坝安全监测现状与展望[J].水利水文自动化.2008（4）.
[2]吕永宁，王玉洁，赵花城.水电站大坝安全监测自动化的现状与展望[J].大坝与安全.2005（7）.
[3]王学明.大坝安全监测新技术[J].黑龙江水利科技.2008（4）.
[4]梁沛华，何金平.大坝安全监测若干新技术[J].装备制造技术.2008（2）.
[关键词]大坝安全监测 自动化 技术 运用
中图分类号：D692.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）01-0205-02
1.观音岩电站工程概况
黔东南州施秉观音岩水电站是以发电为主，兼有城市防洪、旅游功能的舞阳河流域上的龙头水电站。电站座落在施秉县城关镇五旗村观音山下，距县城9公里。观音岩电站工程于1987年元月由贵州省水利水电设计院开始勘测设计，92年7月竣工并交付使用，水库最大容量1.23亿立方米，调节库容0.736亿立方米，集雨面积941平方公里，总装机容量2× 6300千瓦，水库大坝为细石砼砌块石双曲拱坝，最大坝高82.1m，坝顶弧长131.3m，拱冠梁顶厚5.0m，底厚14.4m，厚高比0.18。是国内最高的砌石薄拱坝之一。电站的建成，形成了著名的舞阳河风景区，促进了施秉、三穗、镇远、黄平四县的经济发展，经济效益和社会效益十分显著。
2 .观音岩电站大坝原有观测系统运行情况及存在问题
观音岩电站水库大坝内外观测仪器安装工作于1989年1月正式开始，到1992年7月全部完成；视准线观测及精密水准测量1994年完成，并取得多期观测资料。
外部观测仪器：水平位移监测网采用二等三角测量的精度，选用TC1102全站仪、T3经纬仪。
垂直位移监测网采用国家二等水准测量精度，选用Ni004精密水准仪和2m固定水准尺进行。
正倒垂均采用CG-2A型垂线坐标仪。
内部观测仪器：内部观测包括四方向应变计组33个，分别位于高程522m、536 m、554 m、570 m、586 m拱圈；温度计25支，位于冠梁上述5组高程。另外，在536 m、570 m拱圈砌块内各布置6个测点，共24支单向应变计，12个无应力计；高程522 m拱圈布置6支压应力计；坝基520 m高程及高程522 m拱冠处各布置渗压计2支。
根据观音岩电站测量人员人工仪器测量提供的资料分析，工程主要部位历次观测、检测虽未发现任何异常现象。但一直没有进行过有效、系统、全面的安全观测，大坝垂线人工测量准确度不高，大坝沉降测量没法进行，厂房边坡一直没有进行地下水观测，给厂房、大坝的安全运行带来隐患，也无法准确及时地反映大坝安全运行情况。
观音岩电站自1991年水库蓄水发电以来，大坝除发现坝体少数渗漏以外，大坝运行状态相对稳定，水工机械设备运行状况也良好。但这几年来，大坝安全监测除垂线保持观测外，因为其它设备老化、锈蚀等原因一直没有进行过有效的观测，大坝内观从97年开始就没有进行测量，而内观仪器测量数据对砌石坝所反应大坝安全情况又是最重要的。目前该大坝垂线人工测量准确度不高，由于各种原因，其它观测设施和手段也难以到位，无法准确及时地反应大坝安全情况。因此，提高大坝的安全系数已经刻不容缓，大坝安全监测系统的建立是保证大坝安全运行的强有力保证，对大坝实施自动化安全监测已经迫在眉睫，为了掌握观音岩大坝工程安全性状运行情况，防患于未然，因此2008年4月大坝管理单位（黔东南苗族侗族自治州地方电力总公司）拟对观音岩水电站大坝进行安全监测自动化系统技术改造。
3.观音岩电站大坝自动化安全监测自动化系统建设的目的和原则
3.1 大坝安全监测目的
观音岩电站大坝安全监测实现自动化监测，正是利用现代微机、传感器及测量等高新技术，形成高效的自动在线监测的能力，实时在线地对采集数据进行自动辨别与分析处理，可靠地在同一时间获取准确无误的水工建筑物的运行性态所表现的各种数据，通过自动化与人工智能分析处理，实现安全监测的目的：
（1） 掌握观音岩电站大坝的工作状态，及时对观音岩电站大坝的稳定性和安全性作出评价，以确保大坝运行期的安全。
（2） 对观音岩电站大坝在某种特殊条件下的进行实时在线动态监测与分析，为科学研究积累和丰富一手资料，以更进一步地分析大坝的安全性，并有科学根据地对大坝作出有效的修复。
（3） 观音岩电站大坝监测自动化远程控制系统的建立能科学合理地改善监测人员的工作环境和条件，最大限度地减轻劳动强度，提高劳动生产率，合理减员增效。
3.2 大坝安全监测系统的原则
观音岩大坝安全监测系统的建立必须实现功能可靠、技术先进、管理高效、保障完善的具有国际先进水平的一流工程安全监测自动化系统目标，必须满足以下基本原则：
（1）监测系统的项目设立、测点布置及系统的功能，仪器设备性能必须满足《混凝土坝安全监测技术规范》（DL/T5178-2003）、《土石坝安全监测技术规范》（SL60-94） 及国家工程监测与管理有关文件的要求。保证满足系统的稳定性、可靠性、扩展性、易维护性、防退化性、简便性等原则。
（2） 观音岩电站大坝实施的观测方案要可靠，观测方法要直观有效，选用的仪器要求测量精度高，测量量程要能适应大坝变形的特殊要求，并在充分满足最大测量范围的前提下，留有充分的冗余；系统设备性能好，且能长期稳定地工作于工程恶劣环境中（高低温差、高湿度、强电磁场、强雷电感应），使用寿命长，抗干扰能力强。数据测控单元须有长期在线自检、自校零功能、自动在线实时数据分析辨别、复测功能，确保测试数据和精度的準确无误，并保证在无人干预的条件下，全天侯长期连续稳定地运行工作。 4.大坝安全监测系统建立布置方案
4.1 仪器设备编号规则
依据岩土监测的规范要求，仪器设备编号规则为：
倒垂线代号为IP；正垂代号为PL；应变计测点代号S；温度计测点代号T；渗压计及绕坝渗流测点代号为UP；水位计测点代号SW；量水堰测点代号为WE；自动温度计测点代号WD；雨量计测点代号JY。各测点代号后依次接监测仪器的顺序编号。
为便于安全监测系统建立管理，测站编号按监测单元工作箱代号编组为RDPU，后接测站顺序编号；智能数据采集模块代号编组为DAM，代号后依次接智能数据采集模块的顺序编号。
4.2 大坝安全监测系统的仪器布置
观音岩电站大坝安全监测系统的项目主要以内部变形监测和垂直位移、地下水、绕度监测项目为主，并融合环境量的同步监测。内部变形监测主要包括内部应力应变监测、温度监测、裂缝监测、渗压监测。外部监测主要是垂直位移和地下水及绕度监测。环境量监测则为大气气温和水温及雨量。
观音岩电厂自动化仪器布置如下：
内观：仪器根据现场测量，共有143支仪器运行正常，18支仪器可作参考。
垂线：在3#坝块布置正倒垂线各一条命名为PL1、IP1。
在坝顶0#位置安置一支气温计命名为：QT1；在库内安装一支水温计命名为：ST1。在0#安装一台雨量计命名为JY，及上下游水位计各一支分别命名为SW1、SW2。
4.3 大坝安全自动化监测系统的组成设计
根据建筑物结构特征和今后管理发展需求，以及符合相关标准文件技术条款采用最先进的安全监测技术，建立安全监测系统。安全监测系统拟采用网络式风格布局的自动化远程在线监测系统，以适应现场安全监测系统的建立需要和考虑今后实现跨地域控制的发展要求，从而避免过量的重复投资。系统方案按二级三层布置组成，二级分别为现场监控级和远程控制级，依照管理运行要求，承担各自的运行管理职能，根据监测对象和监测项目的实际需求，进行合理布局与选择，以适应工程项目施工期、初始运行期的要求和今后自动化发展需要。
5.改造后的大坝自动化监测系统运行情况
本系统共接入168支有效测点、16个测控单元、2套CCD垂线坐标仪、及环境监测测4个点。自2009年10月底移交接管运行以来，公司安排专人运行和管理，严格按照系统操作规程使用，至目前为止系统运行良好。监测中心系统通信呼叫正常，施秉县城远程测控顺畅，未出现过系统异常、测值不稳定、测点不正常工作等情况。目前在非汛期每个测点日测量两次，在讯期则加强观测密度至每小时一次，到2013年12月底系统已监测到了二十万组连续有效、准确、可靠的监测数据，从获取的数据初步分析可以看出数据整体变化较平稳，应力、应变计与上游水位关系较密切，坝内温度计随季节温度变化而变化，并滞后于季节温度，两边坝肩、坝内渗压计与上游水位关系密切并与上游水位值呈同一趋向。测量数据应力应变传感器共有40639条，温度计有2370条，环境量有1721条。
系统软件包含有实时在线监测、数据采集、报表制作、图形制作、测值管理、系统管理、离线分析等功能。软件使用简单、易学易用、功能能满足目前工作的全部要求，界面友好，很多功能都是一键式的自动完成，例如：取定时测数据，系统能够取指定模块的定时测量测值，并能实现测值的绝对量换算，并自动入库。
总之从系统投入运行以来，实现了大坝安全监测的高度自动化、极大地节省了大批人力、物力，并提高了工作效率。高密度的数据监测能够及时了解大坝内的各监测测点的变化情况，为掌握大坝工情、保障大坝安全运行、维修养护、除险加固等第一时间内提供重要数据依据。
6.结语
通过以上的介绍分析，大坝安全监测实际上是一种管理，包括信息采集、处理、结论的得出、措施的制定、信息的反馈，其根本目的是为了工程效益。综合起来可以得出如下几点：
（1）欲使大坝安全监测自动化系统更好地发挥“耳目”功能，必须至始至终把大坝安全放在首位。大坝安全监测内容应包括与大坝安全有关的泄洪及机电设备；
（2）大坝安全监测应与气象、水情、洪水预报及水库调度结合起来，成为水库运行调度决策支持系统的一部分，真正为工程效益的最大化服务；
（3）大壩安全监测应将大坝安全评估与设计标准、设计参数等指标结合起来，充分利用大坝安全定检的成功经验和方法，从而易于理解、掌握和应用；
（4）大坝安全监测应充分利用科技进步，走向即时化、智能化、网络化。
总之，大坝安全监测就是利用一切手段，确保大坝以较少的投入来保证长期、稳定、安全的运行，实现效益的最大化。
参考文献
[1]方卫华.国内外水库安全管理与大坝安全监测现状与展望[J].水利水文自动化.2008（4）.
[2]吕永宁，王玉洁，赵花城.水电站大坝安全监测自动化的现状与展望[J].大坝与安全.2005（7）.
[3]王学明.大坝安全监测新技术[J].黑龙江水利科技.2008（4）.
[4]梁沛华，何金平.大坝安全监测若干新技术[J].装备制造技术.2008（2）.