大坝安全监测解决方案.docx

1、大坝安全监测解决方案大坝安全监测系统解决方案第1章 概论1.1 系统概览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。大坝安全监测系统主要由观测传感器、遥测数据采集模块、工业控制网络和自动监测管理软件系统组成,通过计算机的工作，能够实现大坝观测数据自动采集、处理和分析计算，对大坝的性态正常与否作出初步判断和分级报警为监测对象提供早期安全预警报告的自动化系统。建立大坝安全自动监测系统,可以缩

2、短数据采集周期，提高大坝观测的工作效率,减轻劳动强度；并能充分利用水库调蓄能力，使其在防洪和供水两方面发挥最大的效益，同时可提高水库管理水平，及时发现大坝隐患，为水库的安全运行提供有力的保障。1.2 历史回望大坝安全监测系统在西方发达国家已有30多年的历史.如法国要求对高于20的大坝和库容超过1500万的水库，均需设置报警系统,并提出垮坝后库水的淹没范围、冲击波到达时间、淹没持续时间和相应的居民疏散计划等。而葡萄牙大坝安全条例（1990)也要求大坝业主提交有关溃坝所引起洪水波传播的研究报告，编制下游预警系统、应急计划和疏散计划。美国的联邦大坝安全导则和加拿大的大坝安全导则都强调要求采取险情预计

3、、报警系统、撤退计划等应急措施，以便万一发生不测时，将损失减少到最小程度。1976年美国92.96高的堤堂坝（）失事前，大坝管理机构根据大坝安全监测系统监测到的事故的发展状况及时通过下游的行政司法当局向可能被淹的群众发出警报,有组织地进行人员疏散,尽管大坝失事后堤堂河和斯内克河下游130km,约780 km2的地区遭洪水肆虐，造成25000人无家可归、损失牲畜约万头的巨大物质损失，但人员死亡只有11人，初步体现了大坝安全监测系统的重要意义.1.3 现状分析中国已建成近8.5万座水库,数量居世界首位。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。一些水库大坝的病险

4、情况较为严重,影响了水库综合效益的发挥，也严重威胁着人民生命财产安全。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，已成为中国各级水行政主管部门所面临的一个迫切需要解决的重大问题.大坝监测自动化经历了从单台仪器遥测、专用测量装置、集中式数据采集系统到分布式数据采集系统的发展过程，其发展与基于仪器设备的监测系统的发展和进步密切相关,而监测系统的发展是以所有监测元件的迅猛发展为标志的，包括从相关的传感器、测量仪器到转换、处理、存储、打印和分析设备的发展。目前,全国的大部分的水库大坝监测报手段落后，测验设施设备老化，信息的采集精度低，甚至很多水库没有对大坝

5、的监测手段。大坝带病运行,一旦遇大洪水来临严重威胁大坝及下游人员和财产安全.因此，迫切需要建设一套自动化程度高、有先进的大坝监测系统,以提高防洪减灾能力，保障人民生命财产的安全.1.4 目标阐述大坝安全监控系统是一个庞大的系统工程，并且具有涉及信息量大、覆盖的知识面广等特点.众所周知,大坝安全监测仪器是人们了解大坝运行状态的耳目，它要能够在恶劣环境下长期稳定可靠的检测出大坝微小的物理量变化,所以在某些方面（如在测量精度、长期稳定性方面）与其它工业监测行业相比，其要求更高、难度更大。从外部观测的静力水准、正倒锤、激光准直到内部观测的渗压计、沉降计、测斜仪、土体应变计、土压计，其自动化遥测都是建立

6、在高可靠性的传感器的基础上。近年来，随着大型水坝建筑的增多和高科技的应用，大坝安全监测正向一体化、自动化、数字化、智能化的方向发展.大坝安全监测系统建设的总的目的是以国家对大坝安全监测工程建设的标准和要求为依据，以实时采集监测信息并传输到大坝安全监测中心进行分析、处理为目的，将现代化工业自动化控制、现代通信技术、计算机网络技术、数据库技术、地理信息技术和信息分析预测技术与大坝安全监测业务需求紧密结合,建成一个先进实用、高效可靠、自动化程度高的大坝安全监测系统，达到监测数据采集自动化、传输网络化、处理标准化、分析科学化，有效地提高水情信息采集、传输、处理、分析、预报的准确性、可靠性，更好地为各级

7、大坝管理部门的决策和指挥抢险救灾提供科学依据.第2章 总体设计2.1 设计原则及依据2.1.1 设计原则1. 实用性适应施工期、蓄水期、运行期及已建工程更新改造的不同需要，便于维护和扩充，每次扩充时不影响已建系统的正常运行，并能针对工程的实际情况兼容各类传感器。能在温度3060、湿度95%以上及规定水压条件下正常工作,能防雷和抗电磁干扰，系统中各测值宜变换为标准数字量输出。操作简单，安装、埋设方便，易于维护.2. 准确性对于大坝安全监测系统而言，信息的准确性直接关系到决策的成败。因此该系统在监测数据自动采集、传输、处理等工作环节的设备选型和技术处理上要充分考虑误差控制和误差处理，确保提高系统整

8、体的准确性。3. 可靠性为保证系统长期稳定运行，观测数据具有可靠的精度和准确度。系统设备能自检自校及显示故障诊断结果并具有断电保护功能，同时具有独立于自动监测量仪器的人工观测接口。4. 先进性力求高起点，既满足现实需求，又适应长远发展的需要，确保系统所采用的技术与当前技术发展趋势保持一致，并便于系统的扩展、升级和优化。5. 开放性坚持统一标准，采用行业标准和规范进行统一设计,按开放式系统的要求选择设备，组建系统，以利于调整和扩展，便于信息的共享.6. 经济性系统设计时坚持经济性原则，在功能和采集范围上可多可少,可大可小，以满足不同投资规模和不同建设规模的需要，在追加投资后系统能方便的扩充功能和

9、扩大监测范围。系统采用为分布式结构，设备间连线简单，施工费用极低。整体优化设计，强化软件，简化硬件，降低了设备造价。2.1.2 设计依据混凝土大坝安全监测技术规范(DL/T51782003)；土石坝安全监测技术规范（SL/6094）;水利水电工程测量规范（DLJ202-81）；水利水电工程施工测量规范(SL5293）；国家一、二等水准测量规范（GB5002693）；国家水电工程测量规范（DLJ20281)；水位观测标准（GBJ13890）；水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范（SL 47）;砌体工程施工及验收规范(GB 50203）；水利水电工程钻探规程（DL 5013）；大坝安全自动化监测

10、系统设备基本技术条件(SL2682001）；土石坝安全监测资料整编规程（SL169-96）；混凝土拱坝设计规范(SL2822003）。2.2 系统体系结构根据业务需求的分析，确定系统的体系结构由采集层、通信层、网络层、数据层、应用层5部分组成。系统体系结构如图1所示。图1 系统体系结构图2.2.1 采集层采集层是信息来源的基础,通过不同的监测方法和技术来完成，主要监测项目为:1. 变形监测变形监测包括水平位移（横向和纵向）、垂直位移（竖向位移）坝体及坝基倾斜、表面接缝和裂缝监测。对于土石坝除设有上述变形（称之为表面变形)监测项目外,还设有内部变形监测。内部变形包括分层竖向位移、分层水平位移、界

11、面位移及深层应变观测。对于混凝土面板坝还有混凝土面板变形监测,具体包括表面位移、挠度、应变及接缝开度监测。另外岸坡及基岩表面和深层位移监测也属变形监测。2. 渗流监测混凝土坝渗流监测包括坝基和坝体扬压力、坝基和坝体渗漏量、绕坝渗流和地下水位监测。土石坝渗流监测包括坝体渗流压力、坝基渗流压力、绕坝渗流、渗流量监测.3. 应力、应变及温度监测或压力（应力）监测混凝土坝的应力、应变及温度监测包括混土的应力和应变、无应力、钢筋应力、钢板应力、坝体和坝基温度、接缝和裂缝开度监测。土石坝的压力(应力)监测包括孔隙水压力、土压力、接触土压力、混凝土面板应力监测。4. 环境量监测或水文、气象监测大坝所在位置的

12、环境对大坝和坝基工作性态有重大影响，需予以监测。监测项目有大坝上下游水位、水温、气温、库区雨量等。以上四大类监测项目涉及几十种物理量的监测，每一种物理量监测都需要在设计时布置必要的测点、选择适当的监测仪器。监测项目的选择和测点的设计布置在两部规范中按照工程等级、建筑物等级、坝型、坝基和基岩地质条件以及大坝设计施工的特点作了规定。监测项目和测点布置既不能太多，也不太少,力求保持在合理水平，可参照前面述叙的国际上的相应指标，即监测设施和实施费用相当于工程总造价的1%来确定。大中型工程或大坝安全特别重要的小型工程均应考虑到现代化管理的需要，即实现主要监测项目的自动化。2.2.2 通信层通信层是监测数

13、据传输交流的基础，是数据传输的介质.系统现场采集的数据可以通过有线数据通信（现场总线)或无线数据通信的方式传输到监测中心，其中有线数据通信最远距离可以达到十几公里，无线数据通信距离可以达到数十公里。在采用有线数据通信子网和无线数据通信混合结构时，系统数据传输具有路由自动判断机制，可以提高数据传输可靠性。2.2.3 网络层网络层主要指是监测中心或者分中心的计算机网络，主要是为应用软件系统运行的基础环境，是日常行政办公、内部信息交流、信息共享的网络基础。2.2.4 数据层数据层是整个业务综合数据的平台，是业务应用软件系统运行的基础,由多个相对独立又互有关系的数据库组成，该数据层主要是监测数据库部分

14、。主要包括基本数据库、监测数据库、实时数据库、历史数据库、空间地理数据库等。2.2.5 应用层应用层是以大坝安全监测管理软件为核心,主要进行监测数据的接收、检测、计算处理、存储、分析、安全评价预警、统计、整编、查询等过程.大坝安全监测管理软件包括信息采集处理系统、资料整编系统、统计分析预警系统、WEB查询系统、数据库管理系统。2.3 信息流程该系统的总体信息流程如图2所示。图2 系统信息流程图主要的信息流程包括信息采集、信息存储、信息查询、信息统计分析预警、数据库管理系统、信息展示.信息采集：主要对所有接入系统中的各类监测仪器进行一定方式的自动化测量,采集所测数据，并传送到中央控制装置集中储存

15、或处理。 信息存储：主要通过信息采集系统对接收的数据进行解码、校验、入库、存储。信息查询：主要对入库的自动化测量数据根据任意时段和各点的数据进行查询。信息统计分析预警：主要对根据采集值和时间为轴，显示信号的时间变化过程,时间轴可以定义，如秒、分、小时、天；数据库可以随时调出查看、编辑、另行存储.对大坝监测数据进行离线分析处理、为大坝安全评判和运行管理提供监控模型、监控数据图表。如自动采集的孔隙水压力过程线的显示页面形式等等。数据库管理：主要对根据监测数据进行数据转贮、数据库查询/修改、人工插补等.信息展示：主要对客户提供报表显示、图形形式、电子地图显示、报警、视频图像等方式展示.2.4 系统组

16、成大坝安全监测系统由信息采集系统、通信系统、网络系统、综合数据库系统、应用软件系统，包括自动采集或人工观测埋入坝体或安装的传感器 （大坝的变形、渗流、应力应变、温度、降雨、水位、气温和地震等）等、测控单元(MCU)上位机、监测中心、监测分中心组成，系统组成如图3所示。系统结构采用分布式体系结构，数据采集工作分散到靠近较多传感器的测控单元来完成，然后将所测数据传送到主机。系统每个观测现场的测控单元都是多功能智能型仪器,能对各种类型的传感器进行控制测量。图3 系统组成结构图2.5 系统功能1. 传感器感应大坝变形、渗流、压力（应力）、应变、温度、环境量、水文、气象等各种物理量,将模拟量、数字量、脉

17、冲量、状态量等信号输入到测控单元.传感器种类可分为：电阻式、电感式、电容式、振弦式、光纤式、调频式、压阻式、变压器式、电位式等。2. 测控单元根据确定的观测参数、计划和顺序进行实际测量、计算和存储，并有自检、自动诊断功能和人工观测接口.根据确定的记录条件,将观测结果及出错信息与指定的监测中心或其他测控单元进行通信。能选配不同的测量模块或板卡，以实现对各种类型传感器的信号采集.检测指点的报警条件，一旦报警状态或条件改变则通知指定的监测中心。将所有观测结果保存在存储单元中,直到这些数据被监测中心准确接收完。管理电能消耗，在断电、过电流引起重启动或正常关机时保留所有配置设定的信息。并具有防雷、抗干扰

18、、防尘、防腐，适用于恶劣温湿环境。采集系统的运行方式有应答式和自报式两种,必要时也可采用任意控制。3. 通信系统通信系统根据站点情况采用有线或无线方式。且可以采用两种通信方式互为备用信道,建立一套双信道互为备份的通信系统。4. 业务应用系统业务应用系统主要为大坝安全管理软件系统；可以在监测中心、分中心进行数据接收、处理、存贮、分析、预警等功能.对接收的数据进行容错校验、数据可靠性和准确度检查及数学模型检查，数据存储、删除、插入、记录、显示、换算、打印、查询及仪器位置、参数工作状态的显示，建立、标定安全监控数学模型、并进行影响因素分解及综合性的分析、预报报警及安全性评价，以满足对大坝安全监测的需

19、要。综合数据库系统:可以对水文信息建立统一数据平台,统一数据格式,规范数据标准，可以有效地进行数据共享，数据分析，为业务应用系统提供可靠基础。也可以对其它相关系统的数据接入提供接口。第3章 信息采集系统3.1 需求分析信息采集系统的主要任务是监测大坝变形、渗流、压力（应力）、应变、温度、环境量、水文、气象等要素自然变化情况，它是一项基础和前期工作,是大坝安全监测的耳目和参谋，是各大坝管理部门做出正确判断,发布正确指令的理论依据。其质量和精度将直接影响大坝安全监测准确性，影响决策的科学性。加强信息采集系统基础设施的建设，强化信息采集工作,提高观测自动化程度成为当务之急。水情信息采集系统需要完成以

20、下任务：实现大坝变形、渗流、压力(应力）、应变、温度、环境量、水文、气象等观测量数据自动采集、存储，并满足实时自动传输的要求。采用实用的观测设备，实现流观测量数据信息的人工及自动观测相结合，实现人工采集及输入及自动计算和实时自动传输。采集设备采用先进技术，使观测信息标准达到部颁建设标准。3.2 技术解决方案信息采集系统主要是由测控单元（MCU)、监测仪器组成.测控单元是分布式系统的关键设备,是一种智能化、模块化的多功能装置，体积小巧，结构紧凑，具有控制、测量、数据存储、防潮、防雷、抗干扰等各种功能，可安装在监测仪器附近，实现监测仪器的自动巡测和选测。系统中的测控装置由通讯总线连接到中央控制装置

21、或微机，组成数据采集网络。中央控制装置或微机对网络进行控制，可用不同的运行方式实现数据采集的自动化。1. 测控单元测控单元系统组成如图4所示。图4 测控单元系统组成图测控单元的主要技术指标如下时基精度：0。01，分辩率：0.001us;温度精度：0。5，分辩率：0.1;测量时间：23s/point；通信接口：EIARS485，EIARS232,CAN bus；存储容量：128kB；工作电源：12VDC；充电电源:220VAC/50Hz；功耗:掉电：200 uA，休眠：10mA，待机:20mA,测量300mA;工作温度:25+60;储藏温度:45+70。测控单元的主要主要优点功能强:测量控制单元

22、(以下简称MCU)可支持多达80个通道空间，多种供电方式、多种通信方式可供选择，灵活的传感器接入方式，模块化的结构，先进的参数设置能力，容易安装调试.可靠性高、长期稳定性好:MCU可以长期在无人值守的情况下可靠工作，按照设定的工作方式，源源不断的将采集的数据发送到监控计算机数据库内。容易构建系统：系统组网方便,提供了多种通信方式，有RS232、RS485、直接电缆连接和无线通信。测控单元的布置不受环境限制，系统规模可大可小。同一接口模块一般都可以接不同类型的仪器,而且开发了功能集于一体的测量模块,这为系统中测量少量的但不可缺少的参数提供了方便，可以减少系统的投资费用。通道配置能力强:接口模块中

23、的同一个通道，既可以配置为测量振弦式仪器,又可以配置为测量电阻、电压、电流、频率、Carlson类型的传感器，其中ASM模块的第十个通道还可以配置为脉冲类型的仪器，使仪器的配置提供了极为方便,不会造成资源的浪费，可以减少系统的投资。智能化:系统是一个通用监控系统,可以根据不同的现场环境，不同的监测要求，可以方便的在控制面板或监控计算机上进行参数设置、修改等各种要求,系统能自主稳定的进行工作，而不必要针对具体系统改动MCU内部监控软件。对采集仪器的配置数据,直接下载到MCU中去，而不是存储在监控主机上。分布式的智能节点网络控制技术：每个节点具有智能性,MCU能够独立工作，也能够在多节点的网络环境

24、中工作，可以脱离网络而自主运行，进行测量、控制、数据处理和通信。具有较好的适应性和兼容性：可以应用在水利工程各个领域的数据监测；网络通信可以采用多种传输介质;能与国际上著名的土工、大坝和环境监测仪器供应商生产的传感器接口，可直接接入振弦式、差动电阻型、电流型、热电偶、脉冲型和数值型传感器；部件标准化,具有互换性.易于安装调试和维护：机箱内带有键盘和显示，可以在现场直接配置,调试，显示内部信息；各个终端有信号灯指示可作为运行诊断，机箱可迅速打开,检查各个开关接线插头等部件。防雷性能强:系统的电源入口、通信入口和传感器入口都有很好的防雷措施,可以保证系统能可靠的工作.2. 变形监测变形监测包括水平

25、位移、竖向位移、挠度、倾斜及接缝和裂缝监测，对于土石坝根据测点布置在坝面或是坝体内部分表面变形及内部变形监测。人工监测:水平位移监测方法有视准线(针对直线性坝)、三角网前方交会法等，采用经纬仪进行监测;垂直位移监测一般采用水准仪进行监测；土石坝内部变形可用水管式沉降仪、引张线式水平位移计等进行监测；裂缝及接缝监测一般采用于测缝计（测缝标点）监测。随着科技的发展，变形监测已逐步采用自动化,可实现自动化监测的有垂线、引张线、静力水准、真空激光准直、TS移计差阻式（振弦式）测缝计等方法.其中引张线主要布置在直线性坝上（或廊道内）用于实现坝顶或坝基水平位移监测,目前一种采用自动加水装置的双向引张线也正

26、在试验中，引张线法观测水平位移监测自动化必须首先保证引张线安装,满足规范要求,即线体张力和自由度必须得到保证,为此安装时应进行精度和复位试验，其次就是选择实用可靠的引张线仪。垂线法是实现坝体水平位移及挠度监测自动化的较好方法，垂线有正倒垂之分，其测点的测值都是相对锚固点（或是悬挂点）的相对值,在垂线设计时首先要使垂线满足规范要求，同时要选择量好的监测仪器，同时要注意如下几点:选用人工观测设备时应尽量选择简单可靠、最好是固定安装在测点上的设备，这种设备免去了每次安装对中的误差，也不易产生系统误差.如梅山大坝在垂线测点的X，Y方向各安装了一台固定式坐标读数仪，其测量精度可达0.2mm以上；读数盘瞄

27、准器也是一种固定式测量装置，可以达到0.25mm以上的精度；陈村及纪村大坝由于采取了相似类型的仪器,加上管理得力，从而使垂线测值的准确度有了保证.采用携带式光学垂线坐标仪时，必须要确保仪器定期检验和校准，以确保在整个测量期间其精度不变,并在每次安装施测时严格按规程操作。采用自动化监测精度通常都高于人工监测,目前各类遥测垂线坐标仪的精度均在0.15mm以上.但为了确保监测数据不致漏失,以及必要时进行校测，通常与自动化监测设备并行布置一套人工观测设备。裂缝及接缝监测主要采用差阻式测缝计实现自动化，由于国内南京自动化设备厂生产的差阻式仪器在防潮、长期稳定性、性能价格比等方面具有较一定的优势，因此在国

28、内工程中得到广泛的应用。3. 渗流监测渗流监测是大坝安全监测的重要项目，对于混凝土坝,渗流监测有：扬压力（坝体、坝基扬压力）、渗漏量（包括坝基渗漏量和坝体渗漏量）、绕坝渗流、地下水位、水质分析几个部分。土石坝渗流监测项目包括:坝体渗流压力、坝基渗流压力、绕坝渗流，渗流量监测。渗压(或浸润线）观测可采用测压管法和埋设渗压计法，测压管法具有可进行人工比测、仪器更换方便等优点，但是也有容易出现泥沙淤积、孔口破坏和测值滞后等缺点，因此在进行具体设计时要根据渗流特征和仪器情况进行确定。渗流量监测一般采用容积法、量水堰法和流速法进行测量.容积法主要针对单管渗流量进行监测（流量小于1L/S)时,当流量在13

29、00L/S之间时宜采用量水堰法，当流量大于300L/S或受落差限制不能设量水堰时，可以将漏流水引入排水沟，采用测流速法进行测量。目前测水位的仪器较多,通过我们的应用经验认为，用于渗压监测效果较好的是振弦式仪器。4. 应力（压力)、应变及温度监测由于目前的设计规范均将强度校检作为设计坝体结构的标准之一,而温度是坝体(特别是在混凝土坝中）应力及裂缝产生的重要因素，因此必须注意监测，特别是对拉应力区、应力和温度梯度大地方。应力、应变及温度监测目前大多采用差阻式仪器。5. 环境量(水文气象）监测环境量是大坝运行性态发展的外因，对环境量(水位、气温、雨量等)进行监测是资料分析的需要，因此必须加以重视。上

30、下游水位是大坝承受的主要荷载，是形成坝体及坝基渗流场的主要原因，因此必须进行监测。水位测点要布置在水流平稳、水面平缓的地方,以确保观测精度，监测仪器有浮子式水位计、压力式水位计、超声波水位计等.气温及库水温是影响坝体温度场的重要因素，其监测测点布置要根据库区气温及库水温分布特点确定，监测仪器对于气温可选铂电阻温度计，当温度变化不太剧烈时可选用铜电阻温度计,一般库水温监测可选用DW-1型铜电阻温度计.降雨量是影响大坝（特别是土石坝）及坝体周围渗流场的主要原因之一，降雨还有可能导致坝外测压管水位升高，同时高强度降雨将会形成地表径流，破坏坝面结构，造成(土石坝）坝体局部失稳，因此必须加以监测,降雨量

31、监测可选翻斗式雨量计进行监测。第4章 通信网络系统根据总体设计:大坝安全监测系统组网采用两级传输的方式，第一级由测控单元到监测中心负责采集各监测项目的数据,第二级由监测分中心及监测中心组成的计算机网络实现监测分中心与监测中心之间的所有信息共享。4.1 测控单元和监测中心之间的通信4.1.1 需求分析监测中心能够实时接收全部监测项目的所有数据。工作方式:自报、应答两种工作模式。能长期地、特别是在暴雨洪水等恶劣天气条件下可靠地工作。通信畅通率应98,系统误码率小于6 10-5。具有可靠的防雷措施。4.1.2 通信方案设计原则可靠性尽量选择可靠性高的信道，一般以有线信道为主；在条件允许的条件下,根据需要可以设置相应的备用信道.能实现自动切换;通信系统的误码率要符合要求；及时性系统要能按照时间要求完成信息传递;监测点太多的情况下,要通过增加通道等技术手段保证时效性。经济性要综合考虑经济性,包括系统建设费和运行费；要综合分析可用的通信资源,公网系统能够满足要求的，尽量利用公网，都能满足要求的,考虑费用比较低的。低功耗要选用低功耗的通讯方式和通讯设备；要选择合理的通讯方式实现召测。先进性要考虑以后业务的发展；选择公网信道时，要考虑该信道是否有发展前景，能否长期使用。4.1