大坝自动化监测系统在东张水库的应用

大坝自动化监测系统在东张水库的应用
游建勇
摘要：福建省福清市东张水库，在保留人工观测设施的基础上，利用加拿大援助的仪器建成了大坝安全自动化监测加方系统，并于后期增建了坝顶引张线自动化监测中方系统，从而实现了大坝安全的自动监测。
关键词：东张水库、大坝自动化监测
东张水库位于福建省福清市龙江中游，坝址在福清市宏路镇真丰村，坝址以上控制流域面积200Km2，总库容2.06亿m3，是一座以农业灌溉、工业及生活供水为主，兼有防洪、发电、旅游、养殖等综合利用的大（二）型水利工程。枢纽工程由拦河坝、溢洪道、输水洞和坝后电站组成。拦河坝为混凝土宽缝重力坝，坝顶长度210m，最大坝高38.5m。
工程建成以来，坚持按有关规定进行观测，积累了大量的观测资料，但经过了四十年的运行，亦出现了一些问题，即：监测手段落后、监测仪器设备陈旧老化、监测误差较大以及无监测资料整编等，不能准确及时的保障大坝安全运行。从而实现了大坝安全的自动化监测。
一、大坝自动化监测设备
大坝自动化监测系统由中方、加拿大两套设备组成。
1）加方监测系统：传感器共有58个，包括钢弦式渗压计28个，三向测缝计10个，垂线坐标仪7个，上游水位计1个，下游水位计2个，超声波水位计2个，雨量计1个，坝温计3个，水温计3个，气温计1个。首先，系统通过MCU采集各种仪器测量到的数据，并将测量数据储存到硬盘上名为SQLDATA1.DB的数据库文件中。其次，采用DSM_UPDATE软件将GEONET采集的数据从SYBASE数据库格式转化为ACCESS数据库格式，从而使测量数据可以直接被DSM数据管理软件所使用。最后，由DSM软件具体完成过程线绘制、报表生成及打印等功能。
2）中方监测系统：采用南京水利水文自动化研究所生产的DG-2000型分布式大坝监测系统。分布在坝顶各监测部位的16台监测仪器用电缆接入4台MCU-1M型测控装置，测控装置通过通讯电缆连接，电源电缆从中央控制装置引到各测控装置，按总线拓扑结构组成监测网络。
二、大坝自动化监测工作原理
1、加方监测系统布置位置及其仪器工作原理
⑴．监测数据自动采集：可对垂线坐标仪、渗压计、三向测缝计、雨量计、水温计、气温计、上下游水位计、超声波水位计等各种传感器采取自动监测（自报式）和强制监测（应答式）的方式进行巡测、选测和人工测量。
⑵．数据通讯：测控单元与工作站之间具有双向通讯功能。
⑶．数据分析和管理：对监测数据进行显示、存贮和打印，建立工程档案，并实现在线处理和离线处理，及时制成图表，对工程性态进行分析和安全评估。
⑷．坝基扬压力的监测：坝基扬压力监测，主要监测坝基扬压力变化，横向扬压力孔11个，布置在3号、7号、9号和12号坝段。扬压力观测采用振弦式渗压计观测，渗压计的传感元件是一根附在膜上的钢琴弦，它由绕组磁铁激励作用在膜上的压力来改变弦的压力，张力与钢弦共振或自然频率成比例，通过频率信号测量再转换成水压力数据量。
⑸．接缝测量：三向测缝计共有10个，其中7个安装在挡水坝段坝面上，3个安装在溢流坝段宽缝上游侧。测缝计测量坝的上下游，左右岸和沉陷的相对变化。测缝计的工作原理与渗压计相同。
⑹．坝基的水平位移和扰度监测：在8-9号横缝、12号坝段中间各钻一个倒垂孔，倒垂孔底部钻至坝基面以下三分之一坝高不小于10米。其工作原理是利用液箱中液体对浮子的浮力，将锚固在基岩深处的不锈钢拉紧成为一条铅直线可用此垂线测定建筑物的变位。

⑺．渗漏量的观测：渗漏量反映坝身整体性，坝缝止水结构及防渗帷幕的工作状态，对了解大坝的运行状态有重要的意义，结合水库的实际渗流情况布设两个测点，采用量水堰对坝基廊道及坝后集水井进行测量，即在12号坝基基础廊道和3号坝后集水井各设一量水堰，采用超声波水位计测量堰上水头，从而得出渗漏量。
⑻．绕坝渗流的监测：根据地质资料，左岸地质条件较差，故在左岸增设绕坝渗流观测，它也是采用振弦式仪器测量，工作原理与渗压计相同。
⑼．雨量计：设置在2号坝段观测房坝顶设置一个翻斗式雨量计，工作原理是：当下雨时就翻斗转一次，关闭磁性开关给MCU一个脉冲的信号，分辨率为每翻一次0.254mm。那么MCU计下每次脉冲的信号变成雨量。
⑽．坝温计埋设于7号坝段下游坡40m和50m高程上，先在坝坡上钻一个深50cm的孔，将坝温计轻轻放入后，用水泥砂浆封堵；上游水位计（库水位计）雨量计、气温计安装在2号坝段水位观测房内，下游水位计为压力式水位计，安装在溢洪道挑流鼻坎下，外用钢管保护。
2、中方监测系统布置位置及其仪器工作原理
（1）、系统的监测功能
1）中央控制方式：由中央控制装置发出命令，测控装置接收命令、完成规定的测量，测量完毕将数据暂存，并将测量数据传送至中央控制装置内存储。
2）自动控制方式：由测控装置自动按设定的时间和方式（可设定）进行数据采集，将所测数据暂存，并能将所测数据自动传送至中央控制装置内存储。
3）特殊条件下自动控制方式：在汛期或其它特殊情况下，电源和通讯完全中断，各测控装置应能依靠自备电源继续进行自动巡测，维持运行时间不小于一周，能将所有测值自动存储，等待提取。
（2）、显示、报警功能：能显示大坝及监测系统的全貌、测点布置平面和剖面图，各种监测数据过程线、分布线、多种监测数据的相关线及其它图形，显示报警状态，显示所有监测数据、监测成果、各种报表及分析计算成果，显示有关工程安全的技术资料和巡视检查信息。信管主机接投影仪，实现大屏幕显示。对超差数据自动报警。
（3）、存储功能：数据分三级存储，测控装置能暂存所测数据，存储容量不小于128KB，并在断电的情况下不丢失数据；所有监测数据包括人工监测数据和巡视检查信息应能全部存入信息管理系统数据库中，可存档或进一步处理。
（4）、数据通讯功能：数据通讯包括现场和管理级的数据通讯。
（5）、数据管理功能：中央控制装置具有监测数据的一般管理能力，信息管理主机具有在线监测、大坝性态的离线分析、预测预报、报表制作、图文资料浏览、监测数据管理、测点信息管理、监测成果管理，可供大坝安全评估和运行管理。
（6）、系统自检功能：系统具有自检能力，对现场设备进行自动检验，能在计算机上显示系统运行状态和故障信息，以便及时对系统进行维护。
（7）、系统供电：系统所有设备应能采用220V交流电源，测控装置应具有备用蓄电池，在系统供电中断的情况下，保证现场测控装置至少能连续工作一周。
（8）、防雷、抗干扰功能：系统应具有防雷、抗电磁干扰技术措施，保证了系统不受雷电流和电磁破坏，在电压波动或电源中断情况下也能安全稳定运行。
（9）、防震、防尘功能：由于本所所有传感器和测控装置均安装在坝顶，因此所有支座、箱体具备防震、防尘功能。
（10）、大坝的引张线系统：系统垂线测点2个，引张线测点14个。引张线的探头从上游往下游走，右岸的探头从上游往下游走，左岸的探头从下游往上游走。
三、大坝自动化监测信息管理软件
大坝安全信息管理系统集中管理和保存大坝安全监测数据和大坝安全信息，提供大坝性态的分析评判成果，用于大坝运行管理。大坝安全信息管理系统配置的专用软件有DSIM大坝安全信息管理软件和MDAP监测数据分析软件。
1、DSIM大坝安全信息管理软件
该软件具有对监测数据及有关大坝安全信息自动获取、存储、加工处理和输入输出功能，并为数据分析软件提供完备的数据接口，生成有关报表和图形，分析评判大坝运行性态，做好运行管理工作，其主要功能如下：
（1）测点管理：大坝安全监测系统中所有测点的属性均为管理对象。使得测量数据、算法（将监测数据转换成监测物理量）、入库控制及报表将自动地跟踪修改，使系统具有高度的灵活性和稳定性。
（2）数据输入：可通过自动输入、人工输入、全自动物理量转换和数据过滤等执行。
（3）数据输出：通过输出向导可以输出测点数据图表，数据模板和报表。
（4）通过输出模板输出数据：通过数据管理的输出向导输出报表，即：月报、年报、系统信息的报表。报表数据还可以转换为WORD或EXCEL数据，为二次处理数据提供了方便，还可自动创建多点数据输出模板并输出。
（5）巡查信息管理：人工巡视检查信息用以弥补仪器监测的不足，每次巡视检查获得的信息可用人工输入，以便资料分析和大坝安全评定时查询和输出历史巡查记录。
（6）大坝安全文档管理：有关大坝安全的文档包括文字资料和工程图按大坝安全检查（鉴定）要求建立，除作为档案保存外也便于进行资料分析和大坝安全评判时调阅。
（7）备份管理：备份管理提供数据和系统信息的备份与还原功能。
（8）系统安全管理：具有系统设置权限的用户可添加和删除系统用户，给不同用户设置不同的权限，不同的用户以自己的口令和密码在系统登录后有不同安全级别的操作权限。
2、 MDAP监测数据分析软件
MDAP大坝监测数据处理系统可用于变形、渗流、渗压、应力应变和温度等各类监测数据的处理和计算分析：能自动对各测点的不同监测值或物理量转换成果进行粗差检验和剔除；提供丰富的图形和报表功能，使整个分析过程窗口化、分析结果图形化。