尾矿库在线监测方案.docx

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尾矿库在线监测方案

工程编号:

尾矿库在线监测系统

设计方案

上海华桓电子科技有限公司

提交日期:

二○一二年十月

尾矿库在线监测系统

设计方案

负责人:

项目负责人:

方案设计:

参与人员:

上海华桓电子科技有限公司

提交日期:

二○一二年十月

一、项目概况

1、1建设单位概况

1、2设计范围

据业主委托,本项目仅针对XX尾矿库在线监测进行方案设计。

1、3项目交通位置

1、4尾矿库基本情况

1、5尾矿库周围环境

二、设计总体思路

2、1设计依据

◆《尾矿库安全监督管理规定》国家安全生产监督管理总局令第38号;

◆《尾矿库安全监测技术规范》AQ2030-2010

◆《尾矿库安全技术规程》AQ2006-2005;

◆《选矿厂尾矿设施设计规范》ZBJ1-90;

◆《尾矿设施施工及验收规程》S5418-95

◆《土石坝安全监测技术规范》SL551—2011

◆《降水量观测规范》SL21-2006

◆《岩土工程勘察规范》GB50021-2001

◆《岩土工程监测规范》YS5229-96

◆《碾压式土石坝设计规范》DL/T5395-2007

◆《压式土石坝施工规范》DL/T5129-2001

◆《工程测量规范》GB50026-2007

◆《全球定位导航系统测量规范》GB/T18314-2001

◆《国家三、四等水准测量规范》GBl2898-91

◆《国家一、二等水准测量规范》GB12897-91

◆《混凝土结构工程施工质量验收规范》GB50204-2002

◆我院与建设单位签订的设计合同;

◆建设单位提供的与本工程有关的资料。

2、2设计基本原则

（1）要求尾矿库监测系统具有先进性,实用性与可操作性,还需考虑具有良好的扩展性,同时还要兼顾项目投资经济性。

（2）充分考虑工程的实际特点,合理设置监测项目,系统要能有效、准确地反映尾矿库的运行状态。

（3）要求尾矿库监测系统能及时发现尾矿库异常迹象的能力,配置必要有效的分析处理软件,及时把握尾矿库的发展变化趋势。

（4）要求尾矿库监测系统具有预警发布能力,为各级安全生产管理提供实时信息服务。

2、3设计总体目标

（1）实现对尾矿库相关运行数据的实时采集、传输、计算、分析,实时掌握尾矿库整体运行的安全状态。

（2）直观显示各项监测、监控信息数据的历史变化过程及当前状态,为矿区安全生产管理人员提供简单、明了、直观、有效的信息参考。

（3）一旦尾矿库出现紧急异常情况（如库水位超水位、干滩长度小于汛限长度、坝体位移或位移速率超过警界值、坝体浸润线异常超高、坝后渗流量异常超高等）,系统能及时发出预警信息。

（4）能实现尾矿库安全监测系统的远程登录、远程访问、远程管理、远程控制与远程维护。

（5）实现多级管理平台工作模式,可方便实现尾矿库安全监测信息在库区监测站、矿区监测中心站、矿所在集团公司管理站、矿所在县、市、省安全生产主管部门等多级管理与信息共享。

三、尾矿库在线监测系统设计

尾矿库属三等尾矿库,根据《尾矿库安全监测技术规范》AQ2030-2010的要求,应安装尾矿库在线监测系统,在线检测系统为库区人民生产生活提供预测预警数据,为用户组织抢险,疏散地质灾害影响区域人群赢得时间,减少事故伤亡与财产损失,加强对地质灾害安全隐患治理。

系统的建设符合国家与省有关标准与规定的要求。

本次尾矿库在线监测系统设计内容主要包括位移监测、岸坡监测、渗流监测、干滩监测、水位监测、降水量监测、视频监控、机房建设等部分。

尾矿库为已建设项目,在线监测系统拟一次性设计,分二期建设,一期工程针对目前已经形成坝体、排水斜槽进行建设,监测内容包括坝体内部位移监测、岸坡位移监测、水位监测、浸润线监测、降水量监测、视频监控及机房;二期工程主要针对拦渣坝及升高部分的坝体进行建设,监测内容包括拦渣坝表面位移监测与升高部分的坝体内部位移监测、浸润线监测等进行建设。

在线监测系统监测项目与精度及监测点布置位置见下表

在线监测系统监测项目与精度一览表

序号

项目名称

监测内容

精度要求

备注

1

降雨量监测

库区雨量

±0、2mm

2

库水位监测

库内水位

<20mm

3

浸润线监测

浸润高度

<20mm

4

干滩监测

滩顶高程

<20mm

5

岸坡位移监测

岸坡表面

水平±3mm

6

内部位移监测

坝体内部变形

2mm

7

表面位移监测

坝体表面位移

水平±3mm,垂直±3mm

8

视频监控

各部位视频监控

夜视效果良好

在线监测系统监测点布置汇总表

序号

监测项目

监测断面合计数

监测垂线合计数

测点合计数量

一期工程

二期工程

备注

1

降雨量

/

/

1

1

0

2

库水位

/

/

1

1

0

3

干滩监测

2

/

2

2

0

4

浸润线

1

3

3

3

0

5

岸坡位移

/

/

2

2

0

6

表面位移

4

/

4

0

4

7

表面、岸坡位移基准

/

/

1

1

0

两期共用

8

内部位移

2

6

24

18

6

9

视频监控

/

/

6

6

0

3、1尾矿库在线监测系统一期工程设计

3、1、1位移监测

根据《尾矿库安全监测技术规范》AQ2030-2010的规定,位移监测包括坝体的表面位移、内部位移及岸坡监测。

岸坡位移为岸坡水平位移监测;内部水平及竖向位移监测结合布置;岸坡监测以表面监测为主。

监测基点设在稳定区域内,测点与岸坡牢固结合。

基点及测点均设有保护装置。

3、1、1、1岸坡位移监测

（1）岸坡位移监测方法

岸坡位移监测用的平面坐标及水准高程,应与设计、施工与运行诸阶段的控制网坐标系统相一致。

本工程拟采用GPS自动化监测方式对岸坡位移进行实时自动化监测,各GPS监测点与参考点接收机实时接收GPS信号,并通过数据传输网络实时发送到控制中心,控制中心服务器GPS数据处理软件实时差分解算出各监测点三维坐标,数据分析软件获取各监测点实时三维坐标,并与初始坐标进行对比而获得该监测点变化量,同时分析软件根据事先设定的预警值而进行报警。

岸坡位移监测断面选在地基工程地质变化较大的地段及运行有异常反应岸坡处。

基点布设在岸坡坚实土基上。

GPS表面位移监测的误差水平为±3mm。

（2）岸坡位移监测设置

根据《尾矿库安全监测技术规范》要求,结合尾矿库的实际情况,设计尾矿库两侧山坡设2个监测点,左岸山坡1个监测点,右岸山坡1个监测点,值班室附近1个GPS监测基站。

监测点位于边坡较陡处,监测基站设置在值班室周边的山坡上的坚实土基上,共设置3台GPS。

GPS监测基站即为连续运行参考站,它就是整个尾矿库坝表面位移监测的基准框架,一般一个GPS参考站能够覆盖1km以内的监测点,鉴于尾矿库的情况,设置一个参考站即可,为了保证监测系统稳定可靠,参考站需定时统一与矿区控制点进行联测,以实现监测坐标与矿区坐标的统一,同时校准参考点就是否会发生位移。

岸坡位移监测位置示意图

（3）岸坡位移监测报警值

根据尾矿库岸坡实际情况岸坡位移历史观测数据,进行坝体表面位移报警值设计。

岸坡位移报警值表

监测参数

1级报警值

2级报警值

3级报警值

平面位移

15mm

25mm

30mm

垂直沉降

20mm

30mm

40mm

（4）岸坡位移监测设备选型

根据尾矿库岸坡实际情况,尾矿库两侧山坡位移监测系统应采用目前较为先进的设备,配以方便灵活的通信方式,包括串口、以太网、无线等接口。

产品采用宽温、全封闭式设计,可有效的实现抗高温、防尘、防电磁干扰、防腐蚀等,使产品可在恶劣的现场环境下稳定工作。

GPS监测基站设备技术参数需满足:

◆水平精度＜3mm

◆可靠性>99、9%

◆远程控制

◆接口防雷设计,整机工业级标准

◆防腐,抗老化性能佳,寿命长

◆在高温等恶劣环境中使用性能更加突出

◆监测设备的数据输入输出均为数字信号,串口服务器将数字信号转换为电信号。

（5）岸坡位移监测系统防雷设计

岸坡位移监测系统采用避雷针进行直击雷防护,使用电源避雷器、通讯电缆防雷器实现对感应雷的防护。

直接雷电防护采用装设避雷针保护,要求避雷针与被保护物体横向距离不小于3m,避雷针高度根据设备情况按照“滚球法”确定。

监测设备采用金属机柜屏蔽感应雷,电源部分加装防雷插座与单项电源避雷器。

通讯线路防雷保护采用在通信线路两端分别加装防雷器,一端靠近传感器,避免由于感应雷造成的电流对传感器的损害;另一个防雷器尽量靠近数据处理设备。

所有避雷器的接地端与避雷网连接,连接处采用涂抹防锈漆等手段保证导电,接地电阻不大于10欧姆。

（6）岸坡位移监测系统接地设计

接地网选用3根50×50×5mm热镀锌角钢为垂直地极L=2、5米,以25×4mm热镀锌扁钢互连,垂直地极埋地深度>1米。

避雷针基座为500×500×60mm钢筋混凝土,由地网引两根25×4mm热镀锌扁钢与基座连接（连接处必须为焊接）。

接地电阻要求不大于10欧姆。

（7）岸坡位移监测工程设备清单:

序号

名称

规格

单位

数量

1

GPS卫星接收主机

分辨率:

垂直3-5mm,水平1-3mm

台

3

2

GPS卫星接收天线

配套

台

3

3

数据采集模块

配套

台

1

4

天线保护罩

配套

个

3

5

GPS避雷网

个

3

6

GPS机柜

个

3

7

GPS观测墩

个

3

8

避雷针

根

3

9

光端机

一路485接口

对

3

10

电源线

RVV3*2、0

米

700

11

光缆

GYXTW-8B

米

700

3、1、1、2内部位移系统监测方法

首先在尾矿坝设定位置钻孔,在土质比较坚硬的部位钻孔,钻孔深度强风化花岗斑岩即可,然后在钻孔中装入倾斜仪传感器,把最下面点作为固定点,从而监测坝体结构内部的倾斜状态。

在钻孔内安装多只倾斜仪可以更加准确的监测坝体内部变形情况。

位移采用的计算公式为:

S=（X-Y）*G+K*（Z-H）。

其中S为位移变化量;X为初始仪器读数;Y为当前读数;G为设备提供的仪器系数,出厂后标定后得到;K为传感器修正系数;Z为初始温度;H为当前的温度。

一般情况下,测量的温度系数很小,温度的影响可以忽略不计。

测点间距为25米,每个监测断面上布设3条监测垂线,每条监测垂线上布置3个测点,最下一个测点应置于坝基表面。

（2）内部位移监测设计

根据《尾矿库安全监测技术规范》要求,结合尾矿库的实际情况,设计在坝体中心最大剖面处（该剖面也为坝体最大受力点）与坝体两侧设置内部位移监测剖面。

在坝顶剖面上布设2个断面,每个断面设置3个条监测垂线,每条监测垂线布设3个测点。

内部位移监测示意图

（3）内部位移报警值设计

根据尾矿库实际情况及筑坝材料、筑坝工艺、排矿工艺、坝体位移历史观测数据,进行坝体内部位移报警值设计。

内部位移报警值表

监测参数

1级报警值

2级报警值

3级报警值

内部位移

10mm

15mm

20mm

（4）内部位移设备技术参数

根据尾矿库实际情况,并参照《尾矿库安全监测技术规范》,采用HC-5100固定式测斜仪。

技术参数满足:

◆类型:

重力感应式

◆精度:

0、1%量程:

100mm

◆数据传输方式:

坝体内部位移传感器为本身防雷的重力感应传感器,并采用光缆进行数据传输至值班室监控中心服务器。

（5）内部位移设备防雷设计

内部位移监测系统采用避雷针进行直击雷防护,使用电源避雷器、通讯电缆防雷器实现对感应雷的防护。

（6）内部位移工程设备清单

序号

名称

规格

单位

数量

1

固定式测斜仪

分辨率:

1mm

单孔测点3点

台

6

2

数据采集模块

16通道

台

3

3

测斜管

PVC

米

300

4

测斜仪连接杆

定制（不锈钢）

米

300

5

专用防水接头

套

18

6

钻孔施工

米

300

7

光端机

一路485接口

对

3

8

防护箱

台

3

9

线路避雷器

台

12

10

光缆

米

2000

11

防水电缆

米

2800

12

测量保护墩

个

6

13

防护箱保护墩

个

3

14

接地保护网

套

6

备注

在坝体内埋设电缆管与数据线,应预留二期坝体增高的长度。

3、1、2渗流监测

（1）渗流系统监测方法

采用振弦式渗压计,通过在坝体里钻凿钻孔,把渗压计放置在钻孔里（与测压管结合使用）。

通过测量渗压计的压力,再转化为水头高度（高程）,结合安装深度以及孔口高程即可得到坝体或者绕坝的浸润线高度（高程）。

测量精度取决于渗压计的精度,误差小于10mm。

浸润线高度=安装仪器高+渗压计测量高度

监测横断面选在有代表性且能控制主要渗流情况的坝体横断面以及预计有可能出现异常渗流的3个横断面,并与位移监测断面相结合。

监测横断面上的测点布置,根据坝型结构、断面大小与渗流场特征确定。

在坝体下游坡面高差25m布设1条铅直线,共布置3个测点,埋深应参考实际浸润线深度确定。

（2）渗流监测设计

浸润线位置一般选择在内部位移监测点附近,一般设计3个监测断面,需要钻孔深度一般为见水2米以下。

尾矿坝浸润线设计示意图

根据《尾矿库安全监测技术规范》要求,结合尾矿库的实际情况,设计在坝体布设1条监测断面,监测断面上布设3条铅直线,每条条铅直线布设1个测点,即现有坝体标高300、8m、275m及250m处,共布设3个监测孔。

（3）浸润线报警值

根据现状实测浸润线高度,本方案的浸润线孔位自上而下埋深分别为20m,23m,25m。

浸润线的三级报警依次设置为:

浸润线报警值表

监测参数

1级报警值

2级报警值

3级报警值

浸润线

16m

13m

10m

（4）渗流监测设备技术参数要求

根据尾矿库实际情况,并参照《尾矿库安全监测技术规范》,采用振弦式渗压计技术参数需满足:

◆设备类型:

振弦式

◆量程:

0-350KPa

◆精度:

<0、3%F、S

◆灵敏度:

0、05%F、S

◆数据传输方式:

直接采用的坝体浸润线传感器为本身防雷的光纤式传感器,并采用光纤进行数据传输至值班室监控中心服务器。

（5）渗流监测设备防雷设计

渗流监测设备采用避雷针进行直击雷防护,使用电源避雷器、通讯电缆防雷器实现对感应雷的防护。

（6）渗流监测工程设备清单

序号

名称

规格

单位

数量

1

渗压计

振弦式,量程:

0、2MP

台

3

2

渗压计采集模块

台

1

3

渗压管

米

80

4

专用防水接头

套

3

5

钻孔施工

米

80

6

防护箱

个

3

7

光端机

对

1

8

线路避雷器

个

3

9

传感器保护墩

个

3

10

信号线

米

2200

备注

在坝体内埋设电缆管与预留足够长数据线,以备二期加高时使用。

3、1、3干滩监测

（1）干滩监测方法

由于干滩监测要具有非接触式要求（滩内有时无法安装,而且安装设备会自动沉降,影响监测结果）,故采用激光测距仪结合角度测量仪来监测干滩的设备,该设备具有非接触式,测量精度小于3mm,结合库水位数据可实时得到滩顶高程、安全超高、干滩坡度与最小干滩长度。

监测原理与下所示:

干滩监测示意图

在干滩测量立杆顶部固定角度安装测距传感器（竖直角分别为0°,30°,60°）,根据传感器所测准确距离通过三角形正弦/余弦定理即可计算出准确的干滩监测结果,如滩顶高程、干滩坡度、干滩长度。

计算公式如下:

Ht=Pd-Ha

其中,Ha、Hb、Hc三个传感器测量结果,Ps、Pd为立杆底部、顶部高程,Pd为库水位高程,a1与a2分别为传感器安装垂直角度。

Ht、P、L分别为滩顶高程、干滩坡度、干滩长度。

干滩监测精度计算:

◆干滩坡度测量精度（测距仪测量精度）:

±2mm

◆干滩长度监测精度:

0、8m

◆H1测量误差²:

高程起点误差²+库水位测量误差²+滩顶高程测量精度²,即,H1测量误差=

=52、23mm

◆Sx=

对根公式进行全微分,根据误差传播理论,代入已知量（s。

s1,a）便可算出Sx边长的误差值。

◆同理,便可根据公式:

H1²+Sx²-2H1×SxCosb=S1²,便可得出角度b的误差值,从而根据滩顶高程与库水位高差差算出干滩长度:

公式为L=H1÷Cosb,同理微分便可得到L的误差,即精度。

◆经过计算为:

0、8m

（2）干滩监测设计

根据《尾矿库安全监测技术规范》要求,结合尾矿库的实际情况,设计对尾矿堆积坝形成的干滩进行监测,共设置2条干滩监测剖面,然后在监测剖面线上坝顶部安置监测仪器,此位置随坝体的不断上升而移动。

在尾矿库堆积坝顶的位置放置2台监测仪器,位置就是在滩顶高程低处,与水线最近接触。

（3）干滩监测报警值

干滩长度报警值表

监测参数

1级报警值

2级报警值

3级报警值

干滩长度

70m

50m

35m

（3）干滩监测设备技术参数

根据尾矿库实际情况,并参照《尾矿库安全监测技术规范》,采用HC-2700激光位移传感器。

技术参数满足:

◆测距精度小于+/-1毫米

◆测量速度快,达到3次/秒

◆量程:

0、05－200米

◆精度:

小于+/-1毫米

◆激光类型:

635纳米,二级安全

◆防水防尘:

IP54

◆温度范围操作:

-25到+50度

◆存放:

-40到+70度

◆数据传输方式:

干滩监测设备输入输出数据均为数字信号,由串口服务器转换为电信号。

（4）干滩监测设备防雷设计

干滩监测系统采用避雷针进行直击雷防护,使用单相电源避雷器、通讯电缆防雷器实现对感应雷的防护。

（5）干滩监测工程设备清单

序号

名称

规格

单位

数量

1

激光位移传感器

HC-2700（分辨率:

1mm）

台

2

2

数据采集模块

HC-2000

台

2

3

防护箱

个

2

4

线路避雷器

台

2

5

立杆

根

2

6

信号线

米

800

7

电源线

米

800

3、1、4库水位监测方法

在线监测系统中库水位监测可选用多种装置,如渗压计、超声波水位计、GPS水位计等各种自动水位测报装置,本方案暂按渗压计设计。

渗压型传感计较适合测量水位变化幅度较大场合。

根据具体水位情况,水位监测设置在库内排水构筑物排水斜槽上。

在排水斜槽岸边水域安装渗压计,通过测量渗压计的池水深度来计算库水位高程,其监测原理如下:

库水位高程=仪器低高程+渗压计测量高度

库水位监测示意图

（1）库水位监测设计

根据《尾矿库安全监测技术规范》要求,结合尾矿库的实际情况,保证在洪水位时有足够的最小干滩长度,须严格控制库内水位高度。

设计在库区深部澄清水域的岸边布置1个水位监测点。

库水位报警值设计:

库水位3级报警值=当前坝高-安全超高3级报警值

库水位2级报警值=当前坝高-安全超高2级报警值

库水位1级报警值=当前坝高-安全超高1级报警值

备注:

本次设计为暂定滩面坡度为2%,但应根据现场实际滩面坡度,按规定要求的最小干滩长度,确定最小安全超高报警值。

尾矿坝的最小安全超高表

监测参数

1级报警值

2级报警值

3级报警值

滩顶与库水位差

1、4m

1、0m

0、7m

库水位报警阈值表及尾矿坝最小滩长度表

最缓滩面坡度

2%

2%

2%

报警值高差（m）

1、4

1、0

0、7

最小滩长（m）

70

50

35

（2）库水位监测设备技术要求

根据尾矿库实际情况,并参照《尾矿库安全监测技术规范》,库水位所采用的渗压计的技术参数需满足:

◆设备类型:

振弦式

◆量程:

0-350KPa

◆精度:

<0、03%F、S

◆灵敏度:

0、05%F、S

◆设备数据传输方式采用电缆进行数据传输至值班室监控中心服务器。

（3）库水位监测防雷设计

水位监测系统采用避雷针进行直击雷防护,使用电源避雷器、通讯电缆防雷器实现对感应雷的防护。

（4）库水位监测工程设备清单

序号

名称

规格

单位

数量

1

渗压计

由厂家定

台

1

2

水位管

PVC

米

5

3

渗压计采集模块

配套

台

1

4

线路避雷器

米

1

5

防护箱

台

1

6

传感器保护墩

个

1

7

信号线

米

300

3、1、5库区降水量监测

（1）库区降水量监测方法

采用雨量计进行监测,雨水由承水器收集→经过进水阀→进入贮水室→水位上升→浮子上升→容栅传感器读取数据→微机控制电路输出无源脉冲（每当降雨量0、1毫米时,集电极开路电路导通一次,即输出一个脉冲:

宽度320mm,电平由后面连接的采集器输入电路决定）。

    如果连续降雨,贮水室的水位继续上升到特定水位的时候,进水电动阀关闭、而后排水电动阀打开,开始放水（放水过程大概12秒钟）;待放水完毕,排水电动阀关闭,同时进水电动阀打开,继续降雨计量。

精度为1mm。

雨量计内部结构图

（2）库区降水量监测设计

根据《尾矿库安全监测技术规范》要求,结合尾矿库的实际情况,设计在原值班室（现作为监测机房）屋顶上无遮挡的位置布置1台雨量计。

通过雨量计自动获取雨量数据,以及根据降雨量的情况预测库水位趋势,绘制历史降雨量曲线图。

根据尾矿库实际情况及气象部门对雨级的划分以及企业安环部管理人员的建议,降雨量报警值按中雨、大雨、暴雨进行设计,依次为:

10mm、25mm、50mm。

降雨量报警阈值一览表

监测参数

1级报警值

2级报警值

3级报警值

降雨量

10mm

25mm

50mm

（3）库区降水量监测设备技术参数

数字雨量计就是通过容栅位移传感器检测降雨量的,由于容栅传感器的分辨率就是0、1mm,所以容栅雨量计的计量非常精确。

采用上下电动阀控制进水与排水,又使得容栅雨量计在记录降水过程中雨量不流失,从而保证了计量过程的准确性。

技术参数满足:

◆精度最高:

分辨率0、1mm。

◆容许测量的降雨强度范围最大:

国家标准就是0、1mm—4mm/分钟,而容栅式雨量计的最大降雨强度测量可以高达9mm/分钟,从而解决了以往其她遥测雨量计大雨时计量严重失准的弊病。

◆计量误差最小:

容栅式雨量计的误差小于±2%,远低于国家标准±4%,符合国际对雨量计的检测标准。

◆雨量监测设备输入、出数据均为数字信号,由串口服务器转换为电信号。

（4）库区降水量监测防雷设计

雨量监测系统采用避雷针进行直击雷防护,使用电源避雷器、通讯电缆防雷器实现对感应雷的防护。

（5）库区降水量监测工程设备清单

序号

名称

规格

单位

数量

1

数字雨量计

分辨率:

0、1mm

台

1

2

雨量计采集模块

台

1

3

雨量计墩

个

1

4