监测自动化系统在花凉亭水库除险加固中的应用

监测自动化系统在花凉亭水库除险加固中的应用

第42卷第l2期人民长江Vo1．42．No．122011年6月YangtzeRiverJune，2011文章编号：1001—4179(2011)l2—0036一O4监测自动化系统在花凉亭水库除险加固中的应用杨明化一，潘建波。，章赢2(1．长江勘测规划设计研究院，湖北武汉430010；2．国家大坝安全工程技术研究中心，湖北武汉，430010；3．华北水利水电学院，河南郑州450011)摘要：在对病险水库进行除险加固时，为了保证水库加固后的正常运行，需要在加固过程中建立大坝运行状况监测系统。以安微花凉亭水库除险加固工程为例，介绍了水库安全监测自动化系统的设计与实现方面的有关问题。花凉亭水库坝面变形、渗流渗压、应力应变、挠度等监测项目均实现了自动化，不仅大大提高了水库运行数据的采集量和质量，而且还提高了水库现代化管理水平。关键词：安全监测；自动化；除险加固；土石坝；花凉亭水库中图法分类号：TV698文献标志码：A性能可靠、扩展性强、安全可靠、高度整合、针对性强、1工程概况建管协调”为原则。花凉亭水库位于安徽省太湖县、长江流域皖河支监测自动化系统主要由测量设备、测控单元、通讯流长河上游，控制流域面积1870km，总库容23．85设备、控制设备等硬件设备组成，可分为测量机器人系统和自动化监测系统两个子系统。两个子系统既相互亿m，是一座以防洪、灌溉为主，兼有发电、供水、养殖、航运、旅游等综合利用的大(一)型水利枢纽工程。独立，又有机结合。工程主要由大坝、溢洪道、泄洪隧洞、引水隧洞和电站3系统组成与结构等建筑物组成。2004年对花凉亭水库大坝进行了安全鉴定和核查，被鉴定为三类坝，2008年进行了加固3．1监测设施布置方案初步设计，目前工程正在实施。针对水库存在的问题与需求，按照相关规程规范花凉亭水库工程原有监测设施比较简单，坝体监要求，选定变形、渗流渗压、应力应变等监测项目。为测项目不全，只有竖向位移和渗流渗压监测，而量水堰避免重复投资，环境监测资料从水情测报系统中获得。在汛期经常出现倒灌现象，无法正常观测。因此有必3．1．1变形监测要对花凉亭水库大坝监测设施进行更新改造，以满足变形监测包括表面变形监测和防渗墙挠度监测。设计和工程实际需要。本工程中，表面变形标点设计为综合位移标点。综合位移标点可同时兼测竖向位移与水平位移。2系统设计大坝水平位移变形监测比较了两种方案：真空激本工程自动化系统建设以“功能实用、技术先进、光准直法和边角前方交会法。边角前方交会法采用测收稿日期：201l一02一l8基金项目：国家“十一五”科技支撑计划“病险水库除险加固关键技术研究”(2006BAC14B04)；国家大坝安全工程技术研究中心资助项目(2009FU115×17)通讯作者：杨明化，男，助理工程师，硕士，主要从事大坝安全监测工作。E—mail：yangminghua@cjwsjy．CO／FI．cnn第12期杨明化，等：监测自动化系统在花凉亭水库除险加固中的应用37量机器人进行测量。压管中的渗压计损坏或性能较差情况，渗压计更换方经综合比较，两方案均能较好地实现自动化监测，便，监测可以继续进行。满足观测精度要求。但由于测量机器人较真空激光准原有量水堰为矩形堰，堰底高程43．5m，汛期经直法具有维护方便、运行成本低、故障率较低等优点，常出现倒灌现象而无法正常观测，需对其进行改造。最后选定以测量机器人进行位移监测，竖向位移选用水库量水堰出口下接排水涵，底板高程42．0m，水准仪进行监测。顶部高程46m；量水堰底板高程42．5m。量水堰进口观测方案为：在大坝左、右岸坝肩各选择一处基础处接排水棱体，排水棱体底板高程约为42．0m。经综稳定的位置，分别埋设1个机器人测站作为工作基点合比较，并考虑汛期洪水水位等因素，量水堰堰板高度(见图1)。设计为3．2m。若按照传统的量水堰方案，坝脚处排水棱体水位比加固前要抬高约2m，从而抬高坝体浸润线，改变大坝下游渗流场，同时也影响大坝外观形象。结合本工程特点，将量水堰板设计为一种高程可变的堰板，堰板由3块不锈钢板组成，堰口高程可随着下游水位变化图1测量机器人测量方案而调整。大坝变形观测沿大坝纵向共设5个断面5条视准根据大坝渗流量计算结果和相关规范，堰板采用线，共计25个综合位移标点。由于坝长超过500m，梯形堰，堰口底宽16em、高50cm，边坡坡度1：0．25，根据相关规范要求，需增加中间工作基点，故选取中间堰槽宽度仍为1Ill。横断面综合位移标点兼作工作基点。设计量水堰井，在量水堰井内安装量水堰计。由观测采用边角前方交会法，利用2台测量机器人于水位变化较大，量水堰计量程要大，观测精度为1进行，并在每个测点上安装双层同轴棱镜，进行数据校mm，以满足自动化观测的要求。核和严密数据平差，计算中误差及置信度，从而提高观3．1．3应力应变监测测精度。经分析研究，上述水平位移观测方案满足相为监测新建混凝土防渗墙的应力应变情况，结合关规范中的观测要求。变形监测，布设2个防渗墙应力应变监测断面，每个断防渗加固方案为混凝土防渗墙加帷幕灌浆。防渗面上下游各布置4支应变计，分别位于防渗墙底部和墙最大深度约为67m，墙厚80em，由于新建防渗墙较1／4，1／2，3／4防渗墙高处，并在相应高程处布置无应深，为监测防渗墙内部变形，布设测斜仪进行挠度监力计，监测防渗墙受力情况。测。在河床段选择3个典型断面布设测斜仪，根据相引水隧洞、泄洪隧洞出口闸墩的缺陷采用粘贴钢关规范要求，在自动化测量时可采用固定式测斜仪进板的方式加固。粘贴钢板通过结构胶、锚栓使钢板与行。为保证观测精度，在每根测斜管内布置6个固定闸墩混凝土结构结合在一起，共同受力。闸墩的粘贴式测斜仪传感器。固定式测斜仪的布置实现了对每个钢板布置在弧形门支座的两侧，为监测粘贴钢板的应测点的自动化监测，可实时测量传感器定位区段的位力情况，在每侧闸墩布置4支钢板应力计，支座两侧各移变化。2支，两隧洞出口共布置16支钢板应力计。3．1．2渗流渗压监测3。2系统结构花凉亭水库原来沿坝轴线在一些断面布置了坝基监测系统采用总线式、分层分布的优化设计方法，测压管(其中3个为完整断面)，左、右岸布置有4排硬件和软件系统均采用模块化、开放式结构。共12个测压管。在此次更新改造中，尽可能地利用原测量机器人系统硬件设备主要包括测量机器人、有的测压管。设计选择了4个断面作为监测重点，观强制对中基座、双层棱镜支架目标组、计算机及数据服测大坝浸润线。各断面的测压管分别布置于上游、坝务器、通讯设备、视频监控设备和安防设备等。软件主顶、下游马道上。左、右岸各选择2个断面布设绕渗测要由数据采集软件、数据处理软件、监控软件和安防软压管，监测绕坝渗流。件等组成。水库的渗压监测采用埋设测压管的方法，并在测自动化监测主要包括渗流渗压、应力应变、挠度监压管内设渗压计以实现自动化监测。其优点在于：人测等。工观测和自动化监测可同时进行，并相互校验；如遇测系统由硬件和软件系统组成。硬件设备主要包括n38人民长江计算机和服务器、现场测控单元(MCU)、通讯介质与(2)数据传输。测量机器人与计算机之间数据、设备、传感器等。软件系统主要由数据采集软件、信息指令等信号可相互传输。管理软件、资料分析软件和远程控制软件组成。系统(3)数据处理。可针对不同观测条件下的测量数结构如图2和图3所示。据进行误差修正、整理与计算，排除或减弱外部干扰对测量数据的影响，提高观测精度。(4)数据输出。能生成平差后各点的坐标及其精度成果等，输出各种误差修正后的计算结果报表、图形。具有图形显示和输出功能，可以通过图形查看各站的观测量和整个控制网图。(5)视频监控及安防功能。对大坝、基点站房和中控室实现实时监控。基点站房内外和中控室内安装红外视频摄像头，实时掌握监测设备的工作、安全状态。4．2自动化监测系统光缆(1)数据采集。各个数据采集模块具有人工巡图2测量机器人系统结构测、定时巡测、选点巡测、选点单测、选组巡测等数据采集功能，具备中央控制方式、自动控制方式(即无人值班方式)、特殊条件下的应急控制方式、人工测量方式、网络化测量方式、远程控制测量方式等监测功能。_-_-_-——●●_——可对超限数据进行报警。Il(2)数据传输。设计了包括现场层、管理层和远l}程层的数据传输功能，每一层既是相互独立又是有机Il结合的整体。L__j(3)数据输出及整理分析。可以按照用户的要求厂——1对单点或多点的原始数据、计算成果进行查询。按照lI规范要求对观测资料进行资料整编，并可对数据进行Il定性和定量分析，主要包括I特征值统计分析，数据过程线绘制，位势与坡降分析，自变量与因变量相关分Il析，并可生成图表，建立回归统计模型，对监测数据分／一．析，并可生成图表等。图3监测自动化系统结构4．3子系统集成4系统功能本系统要求将两个子系统综合集成到一个操作界面上，并将系统数据发送到上级防指所在地的远程服4．1测量机器人系统务器。集成方案计划采用架设VPN服务器来实现。测量机器人系统的设计，以现行相关规程规范为此种方式能在非安全的互联网上安全地传送私有数据标准，充分利用先进的观测设备，建立自动测量一体化来实现基于internet的联网操作。VPN技术的效果类系统，即能进行大地控制测量与变形监测、内业和外业似于传统的DDN专线联网方式。在Win2K以上的服综合处理的一体化系统。系统能实现单台或多台自动务器操作系统中均内置有VPN服务，可实现由客户端化全站仪的大地控制网及变形监测网的多测回全圆方发起的远程访问控制、数据资源共享等功能。向法的外业自动测量与内业自动处理。系统的所有数据都集成到Web服务器上，与上级测量机器人系统主要有以下功能。管理部门实现数据的传输与共享。为便于监测系统的(1)数据采集。按照不同观测方法自动采集数升级及扩展，要求设备具有一定的兼容性和扩展性。据，并对数据进行限差检查，出现超限情况时可根据要安全监测自动化系统的建设是水库现代化管理的需求自动重测；自动采集环境数据。要，它将显著提高安全监测系统的管理水平。n第12期杨明化，等：监测自动化系统在花凉亭水库除险加固中的应用39花凉亭水库库区雷电天气较多，这对自动化系统电流导通，增强系统的防雷抗干扰能力。根据多年防的防雷设施提出了较严格的要求。在进行系统设计雷设计经验，将线缆保护管与测压管焊接，可以提高防时，传感器至采集模块间采用屏蔽电缆进行通讯，电缆雷效果。现场采集模块与中控室之间均采用光纤通线加钢管保护。钢管不仅具有保护电缆不受人为损害信，提高了系统的防雷性。而且具有屏蔽作用，钢管之间采用焊接方式连接保证(编辑：常汉生)ApplicationofautomaticmonitoringsystemindangerremovalandreinforcementofHualiangtingReservoirYANGMinghua一，PANJianbo，ZHANGYing(1．ChangjiangInstituteofSurvey，Planning，DesignandResearch，Wuhan430010，China；2．NationalDamSafetyResearchCenter，Wuhan430010，China；3．NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower，Zhengzhou450011，China)Abstract：Inthedangerremovalandreinforcementofadangerousreservoir，inordertOguaranteethenormaloperationofres—ervoirafterreinforcement，themonitoringsystemfordamoperationisneededtobeestablishedinreinforcementconstruction．TakingthedangerremovalandreinforcementworksforHualiangtingReservoirinAnhuiProvinceasanexample，wepresenttherelatedissuesofdesignandrealizationofreservoirsafetyautomaticmonitoringsystem．Theautomaticmonitoringondamsurfacedeformation，seepageandseepagepressure，stressandstrain，deflectionandSOonisrealized．Thecompletionofautomaticmo—nitoringsystemgreatlyincreasedthecollecteddataquantity，improvedthedataqualityandupdatedthereservoirmodernizationmanagementleve1．Keywords：safetymonitoring；automation；earthandrockdam；dangerremovalandreinforcement⋯’⋯⋯，⋯⋯⋯⋯'⋯⋯】⋯⋯(上接第31页】EvaluationondamsafetyofMopanreservoirXIONGMeilin一，TIANBo一，DINGChengfu，。(1．Chang]iangInstituteofSurvey，Planning，DesignandResearch，Wuhan430010，China；2．NationalDamSafetyResearchCenter，Wuhan430010，China)Abstract：Mopanreservoirhascomplexdamtypeandpoorconstructionquality，whichhasseriousproblemsindamdeforma-tionandseepagesincethereservoiroperation．Althoughthedamhadbeenreinforcedandmaintainedmanytimes，damdeforma-tionandseepageproblemsarestillserious．WeconsiderMopanreservoirhaveserioussafetyproblemsbyanalyzingthequalityofdam，operationmanagement，floodcontrolstandards，securityofseepageflowandotheraspects．Therefore，theMopanreservoirwasclassifiedasthethirdgradedam．Bigporeofdamrockfilledbodyisthemaincauseofdamdeformationandconcreteimpervi-OUSslabcracking．ThemaincauseofthedangersofMopanreservoirwasidentifiedthroughdamsafetyevaluation，whichwasthebasisofreinforcementdesign．Keywords：deformation；safetyevaluation；dangerousreservoir；concretefacerockfil1dam；MopanReservoir⋯⋯⋯～⋯⋯0⋯⋯一一⋯⋯⋯⋯】0I】㈣，⋯】ol·简讯·长江防总发出首个防汛调度令加大三峡水库下泄流量据长江防总秘书长、长江水利委员会副主任魏山忠介绍，防汛Ⅲ级应急响应。2011年6月以来，长江中下游降雨频繁，先后出现3次强降雨鉴于长江流域即将迎来新一轮强降雨，长江防总于6月16过程。特别是6月9日以来，乌江、长江中下游干流附近及两湖日紧急发出2011年首个防汛调度令，要求三峡公司加大三峡水水系北部降下大雨、局地暴雨或大暴雨，部分河流和地区出现库下泄流量，16日、17日分别按14000，16000m／s控泄，并尽超历史、超保证洪水，造成严重人员伤亡。为此，长江防总启动量减小日内流量变幅。(长江)