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浅论锦江水库大坝安全监测自动化系统的建设和运行

  0引言
  锦江水库于1958年开工兴建,期间历经两次续建,1973年建成并投入运行。工程由大坝、溢洪道和输水涵管等主要建筑物组成。水库大坝为浆砌石重力坝,坝底宽52米,坝顶宽6米,坝顶长345米,最大坝高63.2米,坝顶高程(珠基)101.2米。坝址位于单一的燕山三期黑云母角闪石斑状粗粒花岗岩体上,岩性较简单,坝基面为半风化。大坝建成后蓄水初期,坝体相继出现了40多条横向裂缝,其中贯穿性的横缝达27条,经分析主要是温度裂缝。在建设过程中,没有设置大坝安全监测项目,自1973年大坝运行以来,曾多次采取了坝基防渗帷幕灌浆、坝体防渗灌浆等补强加固措施,并逐步建立和增设了一些大坝安全监测设施。水库在经受“98.6”超百年一遇洪水(最高水位达97.23米)考验之后,于2000年对水库大坝进行了安全鉴定和除险加固。在《大坝安全鉴定报告》和《除险加固工程竣工验收鉴定书》中均指出需对大坝安全监测系统进行改造和完善。2006年1月水利部关于《广东省江门市锦江水库管理处水利工程管理考核验收意见》中也指出应进一步提高大坝安全监测管理水平。然而,作为监测大坝运行状态“耳目”的大坝安全监测系统,却存在“监测设施简陋、监测方法落后”等问题,已不能满足现代化管理的要求。特别是在遇到大洪水、地震等特殊情况下,或需要进行高准确度、高频次监测时,现有的监测设施和监测手段是很难胜任的。因此,为适应现代管理的需要,提高水库大坝安全管理水平,及时了解和掌握大坝的运行工作状态,为水库调度和运行决策提供科学依据,对大坝安全监测系统进行监测自动化改造是十分必要的。
  1概况
  锦江水库位于广东省恩平市西北部的潭江干流上游,是一宗以防洪、灌溉为主,兼顾发电、养殖、改善航运及调节潭江水质等综合利用的大(二)型水库。控制流域面积362平方公里,总库容4.18亿立方米,干流发源于阳江市牛尾岭山,自西向东流经恩平市、开平市和江门市新会区,并在新会区的泷水附近折向南流,在崖门口出南海,河流贯穿整个江门市。流域属珠江三角洲暴雨高发区,雨量充沛,多年平均降雨量2470毫米,多年平均径流总量6.3亿立方米。
  锦江水库的兴建,对解决下游沿岸农田的灌溉,保证农业稳产高产,减轻下游城乡的洪涝灾害,促进下游国民经济的高速持续稳定发展和保障人民群众的生命财产安全发挥了巨大的作用,社会效益显著。因此,2008年3月,经上级主管部门批准,锦江水库大坝安全监测自动化系统开始建设,于2009年9月建成并投入试运行。
  2系统的构成和功能
  2.1监测项目及测点布置
  根据“安全监测”和“突出重点,兼顾全面、实用、有效”的指导思想及设计原则,参照《混凝土坝安全监测技术规范》(DL/T5178-2003)和《大坝安全监测自动化技术规范》(DL/T5211-2005)等技术规范,本系统设计的监测项目包括:大坝变形监测、坝基扬压力监测、坝体裂缝开合度监测、坝体渗漏量监测、绕坝渗流监测、左坝头坝肩边坡变形监测和气压、气温等环境量监测。
  (1)坝顶水平位移:坝顶设置一条引张线,位于坝顶下游侧平台上,全长约280m,测点的布置考虑监测各主要坝体裂缝以及东西沉陷缝形成的各“坝段”的水平位移,共设置9个测点(分别位于桩号0+031.1、0+078.7、0+097.9、0+141.5、0+164.3、0+188.7、0+208.7、0+230.6、0+256.4),编号依次为EX1~EX9。引张线固定端设置在左岸观测房,挂重端设置在右岸观测房,两端各设一条倒垂线用以校测引张线端点的自身位移。
  (2)坝顶垂直位移:坝顶设置一条液体静力水准线,位于坝顶下游护拦下,管线长约270m,测点布置在各引张线测点旁,共设置9个点,编号依次为JL1~JL9。左岸观测房内设一个双金属标作为静力水准的校核基点,编号为DS,静力水准装置的工作基点置于双金属标旁,编号为JL0。
  (3)坝体裂缝开合度:坝体主要裂缝以及东西沉缝布置单向裂缝计,在坝顶下游面设置11个测点,编号为J1~J11;坝下游72m高程廊道(二级廊道)外布置6个测点,编号为J12~J17;廊道内东、西沉陷缝上布置2个测点,编号为J-E和J-W。
  (4)坝基扬压力:坝下游43m高程廊道(一级廊道)布置扬压力监测孔,采用“一纵两横”的形式布置,纵向廊道布置一个扬压力监测断面,设置7个测点;左右横向廊道各布置一个扬压力监测断面,每个断面均3个测点,共设置13个测点,编号为UP1-UP13。
  (5)坝体渗漏量:坝下游43m高程廊道(一级廊道)布置渗漏量监测,采用量水堰监测方式,共设置3个测点,编号为WE1~WE3。其中WE1和WE2分别监测东、西坝段渗流量,WE3设在左侧横向廊道的总排水沟内,监测坝体的总渗漏量。
  (6)绕坝渗流:在大坝左、右岸各布置4个绕坝渗流监测孔,孔内安装渗压计,第二溢洪道原有的4个地下水位监测孔内安装渗压计,共设置12个监测点。
  (7)左坝头坝肩边坡变形监测:在边坡103.2m、131.5m、151.5m高程上分别布置一套多点位移计,共设置3个监测点,编号为M1~M3。
  (8)环境量监测:包括库水位、下游水位、降雨量、气压和气温5个项目,其中水位、降雨量接入原有的水雨情自动测报系统,气压计布置在一级廊道、气温计布置在气象观测站。
  2.2监测系统组成
  锦江水库大坝安全监测系统采用分布式数据采集系统结构,包括各种类型的传感器84个、测量控制单元(MCU)9个(分别位于左岸观测房3个、右岸观测房4个、一级廊到1个、二级廊道1个)和中心站控制装置(设在管理处水文楼二楼)。传感器与测量控制单元之间采用屏蔽电缆连接,测量控制单元之间及测量控制单元与中心站控制装置采用光缆连接实现网络通信。监测管理中心配有数据采集软件和监测信息管理系统,可进行在线监测和监测数据分析管理。
  2.3数据采集系统
  数据采集系统由监测站(测控单元)、通信设备、控制线路、电源线路、采集计算机、数据采集软件等组成。数据采集软件实现计算机与测量控制单元(MCU)通讯,实现监测数据的采集,其主要功能如下:
  (1)测量控制单元(MCU):MCU直接与传感器相连接,每个MCU在分布式网络结构中都是独立的,可独立完成监测数据采集、A/D转换、工程单位转换,或接受采集计算机的指令完成有关操作等。
  (2)MCU初始化:MCU初始化完成设置MCU内部时间、停止定时测量和清除已有的定时测量数据等操作。
  (3)MCU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:通讯速率、系统时间、通道配置、定时测量时间。
  (4)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。
  (5)数据采集方式:数据采集包括选点测量、巡回测量、定时测量,并可在现场测控单元进行人工测读。
  (6)测量控制方式:测量控制有应答式和自报式两种方式。
  2.4监测信息管理系统
  大坝安全监测信息管理系统主要包括:数据处理、资料查询、资料分析和整编、实时安全监控及报警等功能。
  (1)数据处理:实时地对自动采集的监测数据进行转化、计算并存库,得到用户需要的最终数据。
  (2)资料查询:提供所有监测项目日报表、月报表、年报表及过程线、过程图等信息的查询。
  (3)资料分析和整编:对所监测的数据资料进行分析整编,主要功能有:数据维护、报表打印、过程线、过程图绘制。报表打印和图形绘制遵循《混凝土坝安全监测资料整编规程》(DL/T5209-2005)。
  (4)实时安全监控及报警:实时安全监控将对最新的监测数据进行监视,一旦出现异常情况将给出报警。监视的内容有:①测量数据中是否有超出仪器测量范围的数据,是否有变动幅度较大的数据;②各点的最新监测数据是否有超出允许值范围,若超出,则报警提示;③现场设备的运行状态,若系统自动检测到设备故障,将在系统界面上以屏幕文字并伴有声音提示报警,显示故障信息。
  3大坝安全监测系统运行情况
  锦江水库大坝安全监测系统经过近两年的运行,系统总体运行情况良好,监测仪器的应用、监测数据的稳定、整编的图表及分析等方面均达到了设计效果和实际应用需求,自动化采集的数据比较稳定、可靠,系统工作基本稳定。但在系统使用及维护过程中,也发现了一些问题。
  (1)锦江水库是多雷区,尽管在系统的建设中采取了相应的避雷措施,但在运行中时有遭受雷击导致部分设备运行中断的情况,今后应多考虑雷电干扰,加强防雷措施。
  (2)坝体渗漏量自动监测数据与人工测量的数据有时会有一些小差距,今后要继续调试,缩小或消除自动与人工监测数据的差距。
  (3)大坝安全监测系统建成调试及试运行初期,监测数据存在错报或漏报等情况,因此系统中的数据资料需要进一步补充,以完善系统分析处理能力。
  4结束语
  锦江水库大坝安全监测自动化系统的建立,大大提高了对水库大坝工程及其附属工程的监测精度和监测时效,解决了工程观测设施和观测技术落后、人工观测精度低以及台风、雷雨等恶劣天气人工观测较困难的问题,达到了实时监测的要求。特别是在高水位运行期间和汛期发挥了重要作用,采集到了大量的宝贵数据,为进一步分析大坝安全运行状态提供了可靠依据,为确保水库工程安全提供了更有力的保障,同时也提高了水库工程的科学管理水平。