甘峪水库大坝安全监测自动化系统初步设计.docx
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甘峪水库大坝安全监测自动化系统初步设计
甘峪水库大坝安全监测自动化系统
初步设计
西安理工大学水利水电土木建筑研究设计院
二O一四年十月
2设计原则与依据
2.1设计原则
（1）监测项目选择、仪器埋设、观测读数、资料整编与分析等符合《土石坝安全监测技术规范》的要求。
（2）密切结合甘峪水库目前的实际情况和1999年11月大坝安全鉴定结论，在监测仪器的布置上突出重点、兼顾全面。
（3）在仪器设备的造型上，遵循可靠、耐久、经济、实用的原则，力求少而精，且利于自动化系统的实施。
（4）在监测仪器、监测技术以及监测方法上力求先进。
（5）重要的监测项目除了自动化采集外，还要有人工手段进行对比测量，以检验自动化测量的正确性和准确性。
（6）系统结构简单、维护方便。
2.2设计依据
本系统设计主要依据的文件有：
（1）《水库大坝安全管理条例》国务院颁发1991.3.23
（2）《土石坝安全监测技术规范》SL551-2012
（3）《大坝安全自动监测系统设备基本技术条件》SL-268-2001
（4）《建筑物防雷设计规范》GB-50027-2010
（5）《甘峪水库大坝工程地质勘察报告》
（6）《甘峪水库大坝安全鉴定报告书》
（7）《户县甘峪水库除险加固工程初步设计报告》西安市水利建筑勘测设计院
3项目总体设计
3.1监测项目
2008年户县甘峪水库除险加固工程对水库增设了大坝的外部监测项目，包括外部变形检测和岸边滑坡体位移监测，在大坝内部未埋设观测仪器，本次设计增设内观项目，依据《土石坝安全监测技术规范》（SL551-2012）,结合水库大坝的实际情况，拟确定以下几方面作为大坝安全监测的主要项目：
一、变形观测（已设）
1.垂直、水平位移
2.坝肩滑坡体变形
二、渗流监测
1.坝体渗流压力
2.渗流量
3.绕坝渗流
三、环境量监测
1.库水位
2.气温、水温
四、入库站水位监测
五、放水洞水位监测
3.2系统结构
甘峪水库大坝安全监测自动化系统选用分布式数据采集系统，分布式数据采集系统主要具有较好的可靠性，通用性强，组态灵活，安装简便，抗干扰性能强等优点，能保证监测数据的连续性，同时具有一定的扩展性。
大坝安全监测自动化系统由传感器、自动测控单元、水库调度中心等组成。
具体可参照图3.1。
图3.1网络拓扑结构图
3.2.1系统通讯
3.2.1.1MCU的通讯
在大坝坝顶处布设一台测控单元。
此MCU主要采集大坝渗流压力和坝体渗流量、绕坝渗流、放水洞流量、气温和水温的传感器的数据，坝顶处的MCU测控单元通过485通讯线路与水库监控中心相连，数据直接传至水库监控中心。
3.2.1.2RTU的通讯
在水库上游入库站设一台测控单元RTU。
此RTU主要采集入库站水位的数据。
由于目前电信通讯已经覆盖到入库站地区，因此选用电信ADSL标准宽带系统通讯作为入库站信息传输的传输方式，将入库站的水位数据传输到水库监控中心。
3.2.1.3与上级单位的通讯
目前电信通讯和北斗卫星系统均可覆盖到水位监控中心，因此水库监控中心与上级管理部门之间的通讯，可以利用电信通讯或者北斗卫星系统实现。
本设计采用电信通讯传输作为水库管理局与上级管理单位（县水务局）信息传输的主要方式，北斗卫星系统为备用方式。
由于西安市信息中心已配备有北斗卫星接收器，因此仅需在水库管理站安装一个北斗卫星发射器，在县水利局安装一个接收器实现一发多收卫星通讯机制。
信息传输到上级管理单位时，同时传输至西安市水务局，以便西安市水务信息平台获取实时监测数据。
4大坝安全监测
4.1大坝变形观测
4.1.1垂直、水平位移观测布置
2008年进行的甘峪水库除险加固工程已布设了垂直、水平位移基点，因此本次设计不需要对其布点，但由于监测仪器老旧，需对其配置新的监测设备，包括水准仪、经纬仪、铟钢尺和强制对中基座等。
大坝垂直、水平位移观测共用一个观测基点，选取了具有代表性的大坝横断面作为观测断面。
以最大坝高横断面为基准（0+00断面），往右35米、往左35米处各设了一个截面，共3个截面。
每个横断面布置了3个测点，大坝上游侧正常水位以上617.00米高程处布置一个测点，坝顶620.30米高程下游侧布置1点，下游坝坡596.743米高程戗道外沿布置1点。
每个测点处设立混凝土基础墩，三个横断面相同高程测点在一条直线上，有Y1-1~Y3-3共9个测点。
具体位置见附图2平面布置图和表4.1
表4.1大坝垂直、水平位移测点
编号
轴线距离（cm）
截面位置（cm）
高程（m）
编号
轴线距离（cm）
截面位置（cm）
高程（m）
Y1-1
0-800
0+35
616.60
Y1-2
0+250
0+35
620.30
Y2-1
0-800
0+00
616.60
Y2-2
0+250
0+00
620.30
Y3-1
0-800
0-35
616.60
Y3-1
0+250
0-35
620.30
Y4-1
0+5000
0+35
596.743
Y3-3
0+5000
0-35
596.743
Y5-1
0+5000
0+00
596.743
变形基准点共有6个，分别为D1~D6。
基准点建立在牢固的岸边基础上。
要避开两岸滑坡体上。
具体位置见附图2平面布图和表4.2。
表4.2基准点布置表
序号
编号
轴线距离（cm）
截面位置（m）
高程（m）
1
D1
0-800
0+70
620.0
2
D2
0-800
0-100
620.0
3
D3
0+250
0+80
620.8
4
D4
0+250
0-110
581.6
5
D5
0+5000
0+35
596.734
6
D6
0+5000
0-60
597.5
4.1.2坝肩滑坡体位移观测布置
2008年进行的甘峪水库除险加固工程针对坝肩滑坡情况，设置了坝肩滑坡体位移观测点，本次设计不对观测点进行改动，在现有的观测点上利用水准仪和经纬仪进行滑坡体位移观测。
在坝肩两岸滑坡体上有位移观测点H1~H7布置在右岸。
布置在滑坡体上沿侧稳定山体上，兼作滑坡体位移观测基准点。
具体位置见附图2平面布置图和表4.3。
表4.3左坝肩滑坡体位移观测点布置表
序号
编号
轴线距离（cm）
截面位置（m）
高程（m）
1
H1
0-3000
0+110
638.0
2
H2
0+00
0+110
632.0
3
H3
0+00
0-160
633.0
4
H4
0-3000
0-180
652.0
5
H5
0-7000
0-250
700.0
6
H6
0-12000
0-180
658.0
7
H7
0-13000
0-160
635.0
4.1.3变形观测仪器选型
水准仪的型号很多，一般使用的是DS2/DS3级。
高精度的是DS05级如：
Ni002、Ni004水准仪等。
DS1级的如：
N3、Ni007水准仪等等。
考虑到水库的实际情况和仪器成本，没有必要用过高精度的水准仪，DS1级精度又过低，DSZ2型水准仪其操作方便、自动化程度及测量精度符合水库的实际要求，完全可以满足安全监测的需要。
经纬仪分别为光学经纬仪、电子经纬仪、激光经纬仪，型号有：
DJ6型光学经纬仪、激光J2-JDB型、电子经纬仪DJD2-C型。
DJ6型光学经纬仪，精度是6、、，适用于各种比例尺的地形图测绘和土木工程施工放样，操作简单，经济实惠，但是读数不方便；激光经纬仪，精度是2、、，用于准直测量，常用的是J2-JDB型，它有激光经纬仪的功用，还可以应用于建筑的轴线投测，隧道测量，大型管线的铺设，桥梁工程，大型船舶制造，等等；经纬仪DJD2-C型作为一款经典型大地测量仪器，一直受到业内及用户好评，大屏幕的文本显示，采用增量式数字角度测量系统，具有角度、距离等多种测量模式，自动修正仪器误差，适用于控制测量、工程测量及建筑施工等专业测量。
本次水平和垂直观测仪器推荐选用DSZ2型水准仪、DJD2-C型经纬仪，
DSZ2型水准仪仪器技术参数如下：
每公里往返测量的标准偏差
DSZ2：
±1.5mm（普通标尺）
±1.0mm（铟钢标尺）
放大倍率：
24×最短视距：
0.7m
补偿工作范围：
±14’补偿安平精度：
±0.5、、
仪器重量：
2kgDSZ2+FS1:
≤±0.7mm
望远镜：
正像物镜口径：
45mm
放大率：
32X视场（100m处）：
2.3m
最短视距（离轴）1.6m乘常数：
100
加常数：
0补偿器工作范围：
±14’
补偿器安平精度：
≤±0.3、、补偿器安平时间：
2s
园水准泡角值：
8’/2mm净重：
2.5kg
平板测微器FS1（选购）（带光学测微尺）FS1平板测微器主要技术参数：
范围：
10mm最小格值：
0.1mm
读值：
0.01mm
DJD2-C型经纬仪仪器技术参数如下：
望远镜
镜筒长度：
155mm物镜孔径：
45mm
放大倍率：
30X成像：
正像
视场角：
1°30’鉴别率：
2.5、、
最短视距：
1.3m乘常数：
100
加常数：
0
电子测角
最小读数：
1、、/5、、/10、、精度x
（1）:
2、、
度盘直径：
71mm
照明
液晶显示器：
有光学分划板：
有
数据通讯
EDM通信接口：
有数据输出接口：
有
补偿器
电子倾斜传感器：
垂直角补偿补偿范围：
±3’
最小读数：
1、、/5、、
对点器
放大率：
3X视场角：
5°
水准器
调焦范围：
0.5mm—∞长水准器：
30、、/2mm
圆水准器：
8’/2mm
电源
工作时间：
可充电电池27小时
尺寸
仪器高：
179.5mm
仪器重量：
4.9kg
4.1.4变形观测设备清单
表4.4变形观测设备清单
品名
厂家/型号
单位
工程量
水准仪
DSZ2型
台
1
经纬仪
DJD2-C型
台
1
铟钢尺
把
1
强制对中基座
个
1
4.2渗流监测
4.2.1坝体渗流压力监测布置
2008年进行的甘峪水库除险加固工程在大坝最有代表性的断面即最大坝高截面，设计布置了4个浸润线观测孔，具体位置为坝上游侧617.0米高程布置1孔，编号为J1，坝下游611.49米高程戗道内侧布置1孔，编号J2，602.15高程米戗道内侧布置1孔，编号为J3，下游坝坡592.32米高程处布置1孔，编号为J4。
由于编号为J2的观测孔因堵塞目前无法使用，因此需对J2观测孔进行改造。
浸润线观测孔的孔深按死水位坝体浸润线位置来控制，孔底高程应略低于死水位坝体浸润线的相应高程。
孔径Φ100~120mm,测压管选用Φ25mm的不锈钢管，测压管下部为进水管段，上部为导管和管口保护设备。
为实现浸润线变化的自动化监测，本次设计考虑分别在四个测压管内距孔底50cm处安装渗压计，将观测数据传至坝顶处的MCU测控单元。
浸润线观测孔具体位置见附图2平面布置图、大坝横断面布置附图3和表4.5。
表4.5浸润线观测孔布置
序号
编号
孔口高程（m）
孔底高程（m）
孔深（m）
轴距（cm）
1
J1
617.0
577.0
40.0
-800
2
J2
611.49
574.743
36.75
+1800
3
J3
602.15
573.743
28.41
+3750
4
J4
592.32
571.843
20.48
+5860
4.2.2绕坝渗流监测
甘峪水库大坝两岸均有较松动的滑坡体，右岸坝肩存在明显绕渗情况，进行防渗处理后有必要对坝肩绕渗情况再作观测。
除险加固工程已在左岸布设了一个断面设2个绕渗观测孔，上游布置1孔，下游布置1孔；在右岸布设了2个断面设3个绕渗观测孔，上游布置1孔，下游布置2孔，从上到下编号依次为R1、R2、R3、R4、R5。
每孔各安装埋设绕坝渗流监测传感器，共有五个绕渗观测孔，将数据传至坝顶的MCU，实现坝肩绕渗变化的自动化监测。
经实地考察发现只有R3可以找到，且不能使用，因此，绕坝渗流的五个观测孔均需重新打孔。
具体位置见表4.6。
表4.6绕渗孔布置
序号
编号
轴线位置（cm）
断面位置（m）
测点高程（m）
孔深（m）
1
R1
0+900
0+70
615.0
18.0
2
R2
0+900
0-100
618.0
20.0
3
R3
0+900
0-140
618.0
20.0
4
R4
0+2500
0+50
613.0
18.0
5
R5
0+2500
0-80
608.0
15.0
4.2.3渗流量监测
进行大坝加固改造工程时，因施工在大坝下游坡处堆积了0.8m高的渣土，因此首先要将渣土清理干净，开挖底宽1m、顶宽2m、深1m的截流沟，将通过反滤体的渗流水集中引出，在槽中间处修一个量水堰（具体见附图4渗流量监测点布置图），考虑到所需测量的流量较小，可使用三角堰或倒虹吸管，本次设计选取三角堰。
在堰上安装振弦式堰上水位计测量大坝渗流量，实现自动化监测，同时将测量数据传送至坝顶处的MCU测控单元。
4.2.4渗流监测仪器选型
4.2.4.1渗流压力监测仪器选型
根据相应规范，渗流压力观测仪器应根据不同的观测目的、土体透水性、渗流场特征以及埋设条件等，选用测压管或振弦式渗压计。
由于大坝最大坝高截面已布设浸润线观测孔、绕渗观测孔，为便于实现自动化监测管理，本次设计浸润线和绕坝渗流量的监测在原有的观测孔内安装振弦式渗压计。
国内生产的渗压计性能基本上达到了国外先进水平，但是仪器稳定性和寿命不如国外产品好。
为了保证渗流压力监测部分的稳定可靠，结合国内使用经验，推荐选择美国基康（Geokon）的振弦式4500S系列渗压计。
BGK-4500S和GK-4500S型振弦式渗压计采用专用通气电缆连接，可有效克服气压对测值的影响。
特别是在完善电缆保护措施后，可直接埋设在对仪器要求较高的碾压混凝土中。
4500S型振弦式渗压计的性能指标如下：
量程：
70kpa,175kpa,350kpa,
分辨率：
≤0.025%F·S,500kPa,700kPa,
精度：
±0.1%F·S温飘：
≤±0.1%F·S/℃
最大过载：
2倍量程测温范围：
0~65℃
测温精度：
±0.1℃线性：
＜0.5%F.S
外径（mm）:
19.05mm信号最大传输距离：
1~3km
4.2.4.2渗流量监测仪器选型
渗流量监测仪器就是堰上水位监测仪器。
这类仪器的类型和方式较多。
国内外均有许多厂家生产不同类型的堰上水位计，如NVWG型、VWPS型等国内生产的振弦式水位计，但比较而言，美国Geokon（基康）公司生产的4675LV型振弦式堰上水位仪用于量水堰堰上水头及其它需要对很小的水位变化进行精确测量的场合。
该装置最低可以监测小到0.025mm的水位变化，最大量程可达3米。
采用振弦式原理制造的精密量水堰计，其各种性能非常优异，其主要部件均用不锈钢制造，适合各种恶劣环境使用。
其性能指标如下：
量程：
150CM分辨率：
≤0.02%F·S
精度：
≤±0.1%F·S温飘：
≤±0.1%F·S/℃
温度测量范围：
-45℃~+150℃温度测量精度：
≤±0.5℃
工作温度：
-20℃~80℃工作湿度：
≤95%
信号最大传输距离：
1~3km
4.2.4.3MCU测控单元设备选型
目前国内的几套大坝安全监测系统，都已比较成熟，每个系统各有优缺点。
通过各种仪器价格性能比较，测控单元（MCU）推荐选用DTMCU80G-20，DTMCU监测单元采用模块化结构，由DT80系列采集器主机、CEM20通道扩展模块、通道防雷模块、无线通讯模块（仅限于DTRTU配备）、电源、免维护蓄电池、防潮加热器、接线端子、系统接地和工业保护机箱等组成。
DTMCU/RTU可兼容全球绝大多数传感器生产厂家的各种类型传感器，包括标准信号、振弦式信号、卡尔逊差阻信号、数字信号、SDI-12信号、RS232/RS422/RS485信号，可对布置在野外现场的各类传感器及设备进行长期的在线/离线/数据采集、存储、运算和报警，可通过有线和无线网络与监控中心进行远程通讯和控制。
技术参数如下：
（1）通道数：
DTMCU/RTU标准型为40个差分通道，单机通道可扩展成80、120、160、200、240、280、320、360、400、480、520、560、600个差分通道。
（多台MCU/RTU组网后，通道数量因网络类型不同而异，理论上没有限制。
）
（2）标准信号测量：
电压±3V，分辨率25μA；电压±30V，分辨率250μA；电流0~30mA，分辨率250μA。
（3）振弦式信号测量：
支持起振频率不同的各类
（4）振弦式仪器，频率400~600Hz,分辨率0.002Hz。
（5）热敏电阻信号：
支持1k,2k,3k,4k,6k,10k类型热敏电阻，温度：
-75℃~+200℃，分辨率0.1℃。
（6）RTD温度信号：
支持Pt,Ni,Cu,10~10KΩ。
（7）热电偶温度信号：
支持B，C，D，E，G，J，K，N，R，S，T。
（8）数字I/O：
支持SDI-12信号、高频计数和开关量等。
（9）微处理器：
32位军用级微处理器。
（10）A/D转换：
18位工业级A/D，最大采样频率25Hz，线性度0.01%。
（11）数据存储容量：
可提供128MB工业级FLASH的内部存储空间（约10，000,000个数据点），掉电保护功能保证数据安全。
（12）显示器：
LCD，2行16字符，带背光灯，用于显示通道数据、报警信息、系统状态等。
（13）通讯接口：
具有1个USB通讯口（USB1.1），1个以太网通讯口（10Mbps）、1个RS232通讯口（300~115kbps）、1个RS485通讯口（300~57600bps）和1个U盘存储接口（用于现场下载内存数据和程序更新），具有人工比测接口。
（14）测量方式：
通过重复计划、即时计划、X计划等方式实现定时、间断、单检、巡检、选测或任设测点群测量，同时可实现分类、分部位仪器的不同测量周期测量。
（15）定时间隔：
1ms~180d,多计划重复采样，可任意设置。
（16）采样时间：
50ms~2s/点，巡检时间可设置。
平均无故障时间（MTBF）：
DTMCU平均无故障时间≥30000h。
（17）平均维修时间（MTTR）：
DTMCU平均维修时间≤1h。
（18）防雷电感应：
≥3000W。
4.2.5渗流检测仪器的防雷保护
1.连接电缆及电缆屏蔽
因为振弦仪器的输出信号是频率，所以电缆电阻细微的变化、电缆的连接，不会影响读数仪对仪器的读数。
用于连接的电缆应是高质量的100%屏蔽的绞合电缆（带有整体屏蔽的抗干扰芯线）。
连接时，将屏蔽线接到一起并接到接地点。
2.防雷保护
在渗压计的内部装有一个三极等离子浪涌避雷器，可防止峰值电压通过导线进入。
以下是一些可用的防雷措施：
（1）如果仪器使用一个便携读数仪手动读数，那么最简单的防雷办法是，平时将电缆良好接地。
（2）从仪器公司订货的集线箱可与内装的雷击保护一起订货，有两种保护级别：
所用的终端板已安装等离子浪涌避雷器（类似于渗压计内部的装置）；终端箱可以装入避雷器板，该装置利用浪涌避雷器和transzorbs来进一步保护渗压计。
无论哪种情况，终端箱都要可靠接地。
4.2.6渗流监测设备清单
表4.7渗流监测设备及工程量清单
品名
厂家/型号
单位
工程量
渗流压力
J2观测孔改造
m
36.75
传感器
4500S系列振弦式渗压计
支
4
信号传输线缆
m
302
线缆套管
m
302
MCU
MCU
DTMCU80G-20
台
1
MCU安装基座
100mm钢管
m
1.5
MCU安装箱
500*500*300mm
个
1
防雷设施
套
1
供电线缆
m
130
485通讯电缆
m
130
绕坝渗流监测
绕渗造孔
5个
m
91
传感器
4500S系列振弦式渗压计
支
5
信号传输电缆
台
600
线缆套管
m
600
渗流量监测
土方开挖
m
53.1
混凝土孔
m³
2.76
浆砌石
m³
14.82
干砌石
m³
5.7
三角堰
1000*750*15mm
个
1
水位计
4675LV型振弦式堰上水位仪
个
1
信号传输线缆
m
140
线缆套管
m
140
4.3环境量监测
4.3.1库水位
库区内已设投如式水位计来测量库区水位，测量数据传到西安市防汛办，为了便于管理，定期与西安市防汛办建立联系，将水位测量数据接入监控中心的系统中。
由于水库的水尺损坏不能正常使用，因此需要重新购买水尺以保证水位的正常观测。
水尺可沿放水卧管分段布置。
4.3.2库区雨量
西安市水务局此前建立了水库防汛雨测报系统，在一个水库一定的流域面积上分布了雨量站。
经调查，库区附近已建4个雨量站，包括甘峪水库处的1个雨量站。
对交叉口1个雨量站，甘家梁1个雨量站及凉水泉1个雨量站。
考虑到库区与西安市信息平台的雨量资料可共享，因此不设立专门的雨量站测量库区雨量，直接将雨量数据接入监控中心的系统中。
注：
凉水泉雨量站为县“山洪灾害”预防的雨量站，资料可选用。
图4.3库区雨量站分布图
4.3.3气温、水温
为满足安全监测及观测资料分析的需要，按《土石坝安全监测技术规范》要求，水库必须设置水文气象监测。
坝区至少设置一个气温、水温测点，气温观测仪器采用温度计和温度传感器，仪器设在专用的百叶箱内，百叶箱可放在坝顶MCU箱附近，并将温度数据传输至MCU；在库区放水卧管附近布置一条测温垂线，测温垂线上设置三个位子不同水深的温度传感器，并将水温数据传至MCU。
4.3.4环境量监测仪器选项
在百叶箱中放置温度计和温度传感器，温度传感器推荐采用铂电阻温度传感器。
水温的监测推荐采用SBTW投入式一体化温度变送器，仪器的技术指标如下：
1.传感器类型：
Pt100Pt1000K
2.温度范围：
-20~80℃
3.精度等级：
0.5%
4.输出范围：
4~20mA或1~5VDC
5.负载电阻：
0~500Ω
6.供电电源：
24VDC±10%
7.供电电压变化附加误差：
±0.005%/V
8.功耗：
1W
4.3.5环境量监测设备清单
表4.8环境量检测设备清单
品名
厂家/型号
单位
工程量
水尺
40m长
个
1
百叶箱
座
1
温度计
个
1
温度传感器
铂电阻温度传感器
个
1
水温传感器
SBTW投入式一体化温度变送器
个
3
注：
温度传感器的传输距离均在其允许的最大传输距离内。
5入库站监测
经过实地考证，选定距离库区上游1.8km处设立入库站（入库站具体位置见附图1），因河道顺直平整，仅在此处有突出的大石，造成河段中局部地形突起，因此设计在此修砌长为13.6m的溢流堰，使得水面曲线发生明显转折，形成临界流，出现临界水深，从而构成断面控制。
在岸边安装测量支架，在支架上安置水位计，选用雷达式水位
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