張競競

(山西省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院生態(tài)水利分院)

隨著水力資源的不斷開發(fā)利用，水庫大壩及其他類型的水工建筑物數(shù)量持續(xù)增加，發(fā)生水工事故的幾率也在加大。各地出現(xiàn)的重大水工事故使人們認(rèn)識到，水庫大壩監(jiān)測對于攔水建筑物設(shè)施安全來說必不可少。對于任何施工和蓄水運(yùn)行中的水庫大壩，都應(yīng)布設(shè)監(jiān)測系統(tǒng)，及時量測汛期非常規(guī)條件下的壩體及基礎(chǔ)變形、滲壓滲流、應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)等，以掌握大壩及其基礎(chǔ)的發(fā)展演變趨勢，對可能出現(xiàn)的事故前兆進(jìn)行預(yù)報(bào)預(yù)警并提出處理措施與建議，適時排除安全隱患，以保證人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。水庫大壩的安全監(jiān)測，應(yīng)建立在對監(jiān)測數(shù)據(jù)的快速采集、傳輸、分析、處理的基礎(chǔ)上，是為工程管理部門服務(wù)的安全決策支持系統(tǒng)。本文結(jié)合耿莊水庫工程的實(shí)際，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對水庫大壩監(jiān)測系統(tǒng)的必備條件、監(jiān)測內(nèi)容以及系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)問題進(jìn)行了探討，以制定最佳的大壩監(jiān)測方案，使大壩安全監(jiān)測趨于理想狀態(tài)。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)簡介

物聯(lián)網(wǎng)即無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)和移動通信之后的又一次信息產(chǎn)業(yè)革命，目前已被正式列為國家重點(diǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一。美國《技術(shù)評論》雜志提出，傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將是未來改變?nèi)藗兩畹氖蠹夹g(shù)之首。具體地說，就是把多個感應(yīng)器嵌入和裝備到電網(wǎng)、鐵路、橋梁、供水系統(tǒng)、水庫大壩、油氣管道等各種物體中，并相互連接，形成物聯(lián)網(wǎng)。

1.1 技術(shù)架構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network)綜合了微電子技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等先進(jìn)手段，能夠協(xié)同地實(shí)時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對其進(jìn)行處理，處理后的信息通過無線方式發(fā)送給用戶。從技術(shù)架構(gòu)上來看，物聯(lián)網(wǎng)可分為三層:

1.1.1 感知層

感知層由各種傳感器以及傳感器關(guān)聯(lián)構(gòu)成，包括二氧化碳濃度傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、攝像頭、GPS等感知終端，其主要功能是識別物體，采集信息，其作用相當(dāng)于人的眼、耳、鼻、喉和皮膚等神經(jīng)末梢。

1.1.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層由各種互聯(lián)網(wǎng)、有線和無線通訊網(wǎng)、云計(jì)算平臺等組成，負(fù)責(zé)傳遞和處理感知層獲取的信息，相當(dāng)于人的神經(jīng)中樞和大腦。

1.1.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)和用戶(包括人、組織和其他系統(tǒng))的接口，它與行業(yè)需求結(jié)合，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能應(yīng)用。

1.2 應(yīng)用領(lǐng)域

物聯(lián)網(wǎng)的行業(yè)特性主要體現(xiàn)在其應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)，目前，農(nóng)業(yè)監(jiān)控、工業(yè)監(jiān)控、城市管理、智能交通和環(huán)境監(jiān)測等各個行業(yè)，均有物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的嘗試，某些行業(yè)已經(jīng)積累了一些成功的案例。

2 水庫工程應(yīng)用實(shí)例

2.1 耿莊水庫簡況

耿莊水庫是萬家寨引黃工程北干線向朔州市供水線路末端的調(diào)節(jié)水庫，位于朔城區(qū)陡溝村南、秋寺院村東，南連大同—運(yùn)城二級公路，東北緊鄰平朔—秦皇島專用鐵路。水庫按雙庫設(shè)計(jì)，兩庫庫容均為118萬 m3，總庫容236萬m3。一庫位于工程區(qū)西部，二庫位于工程區(qū)東部，均屬半挖半填型平原圍封水庫。大壩均為碾壓均質(zhì)土壩，壩頂高程均為1 127.70 m，最高蓄水位均為 1 126.0 m;壩高 0－10.5 m，壩頂寬 7.0 m/8.0 m;一庫大壩軸線長度2 237.6 m，二庫大壩軸線長度2 155.5 m，共用壩段長697 m。該水庫的主要任務(wù)是年調(diào)節(jié)、事故調(diào)節(jié)、水量平衡、沉積處理泥沙，同時兼有反調(diào)節(jié)功能。

2.2 監(jiān)測系統(tǒng)的必備條件

水工建筑物受周圍環(huán)境因素變化的影響，按各自的物理力學(xué)性能對其做出不同的反應(yīng)。就監(jiān)測建筑物的性狀而論，將視原因或環(huán)境量與效應(yīng)量兩類不同的物理量而定。作用于水庫大壩的主要原因量有庫水位、氣溫、水溫等。就耿莊水庫工程的具體情況來看，可能的影響因素有大氣狀態(tài)導(dǎo)致建筑物體積與受力的變化、庫水深度使庫底傾斜導(dǎo)致位移的變化以及地震的破壞等。這些因素，有的影響極微，有的可根據(jù)將來的運(yùn)行情況酌情予以考慮。從重力的角度看，筆者認(rèn)為庫水位是起決定作用的原因量。

大壩及基礎(chǔ)一般產(chǎn)生的效應(yīng)量為:內(nèi)部應(yīng)變及應(yīng)力、絕對的和相對的水平與垂直位移、滲流流量等。根據(jù)耿莊水庫碾壓均質(zhì)土壩的工程實(shí)際，有必要對這些效應(yīng)量進(jìn)行全面監(jiān)測。據(jù)分析，影響整體安全的關(guān)鍵效應(yīng)量依次為:絕對水平位移(產(chǎn)生預(yù)料所不及的大量滑動)，滲流變化(是否會產(chǎn)生意外的管涌現(xiàn)象變化)，垂直位移(導(dǎo)致水工建筑物產(chǎn)生過分的變形，使之運(yùn)轉(zhuǎn)不靈)。

以上情況只是從兩類物理量的靜止?fàn)顟B(tài)來說的。事實(shí)上，隨著時間的推移，有必要測出兩類物理量隨時間的變化程度，評價(jià)變化著的原因量和效應(yīng)量對整體安全的影響。要使監(jiān)測系統(tǒng)能夠圓滿地完成監(jiān)測主要原因量的反應(yīng)任務(wù)，并且及時地評價(jià)各個效應(yīng)量所表示的安全程度，這樣的有效安全監(jiān)測系統(tǒng)必須具備三個條件:一是量測的速度與頻度需與量測物理量的演變速度相一致，量測的精度需與被量測物理量量級與變化幅度相適應(yīng);二是要有可能同時和全面地處理務(wù)實(shí)測量的分析與比較;三是要在量測完成之后立即完成處理、分析數(shù)據(jù)工作。

2.3 安全監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

主要包括兩個子系統(tǒng):量測系統(tǒng)和資料管理系統(tǒng)。對于大壩監(jiān)測系統(tǒng)來說，也就是由大壩監(jiān)測區(qū)設(shè)備及中心監(jiān)測站設(shè)備兩部分組成。

2.3.1 量測系統(tǒng)

安全監(jiān)測系統(tǒng)中的量測系統(tǒng)，是由量測物理量及其必要轉(zhuǎn)換的若干儀器設(shè)備組成的協(xié)調(diào)統(tǒng)一體。由于建筑物的安全監(jiān)測具有時間和空間概念，所以量測系統(tǒng)的組成，應(yīng)該視壩的類型、規(guī)模及壩在施工過程與運(yùn)行壽命中的各個不同階段而有所變化。

2.3.2 資料管理系統(tǒng)

對實(shí)測的原因量及效應(yīng)量進(jìn)行處理、解釋、儲存。

2.4 物聯(lián)網(wǎng)在大壩安全監(jiān)測中的應(yīng)用

根據(jù)碾壓均質(zhì)土壩的工程特性及耿莊水庫工程的具體技術(shù)條件，設(shè)計(jì)以下四項(xiàng)監(jiān)測內(nèi)容:(1)變形監(jiān)測:豎向位移監(jiān)測，采用水準(zhǔn)法測量;橫向水平位移監(jiān)測，采用視準(zhǔn)法測量。變形觀測點(diǎn)采用墩式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，墩頂予埋強(qiáng)制對中底盤。(2)水庫滲流量監(jiān)測:采用三角量水堰。(3)庫水位監(jiān)測:采用測尺和自動測報(bào)水位計(jì)，二者并用。(4)滲流監(jiān)測:采用無線滲壓計(jì)。根據(jù)正常運(yùn)行期間必須逐日量測環(huán)境原因量及滲流的準(zhǔn)則，監(jiān)測系統(tǒng)的重點(diǎn)應(yīng)放在庫水位和滲流的監(jiān)測上。

2.4.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由中心監(jiān)測站設(shè)備及水庫大壩監(jiān)測區(qū)設(shè)備兩部分組成。中心監(jiān)測站設(shè)備由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和ISM頻段的無線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器組成;大壩監(jiān)測區(qū)設(shè)備由ISM頻段的無線數(shù)據(jù)路由器、無線測壓管水位傳感器、無線揚(yáng)壓力傳感器及無線水庫水位傳感器組成。大壩自動化監(jiān)測系統(tǒng)共監(jiān)測2個庫水位和12個滲流滲壓點(diǎn)，采用干電池供電(太陽能)的低能耗無線水位傳感器，無線 ISM 頻段符合 IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，把采集到的水位數(shù)據(jù)按一定時間間隔發(fā)送給無線路由器，無線路由器再把數(shù)據(jù)傳送給和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相連的無線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，計(jì)算機(jī)把接收到的水位數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以圖表形式顯示分析庫水位、壩體滲流、壩基滲流和揚(yáng)壓力。

大壩監(jiān)測區(qū)設(shè)備由2個無線智能庫水位計(jì)(無線水位傳感器)和12個分布于各個測壓管的無線滲壓計(jì)組成。無線智能庫水位計(jì)連續(xù)不斷地監(jiān)測庫水位，當(dāng)庫水位有1 cm的變化時，通過ISM頻段主動發(fā)送數(shù)據(jù)到中心監(jiān)測站;或者當(dāng)監(jiān)測站需要實(shí)時數(shù)據(jù)時，發(fā)送命令給無線智能庫水位計(jì)，可實(shí)時發(fā)回監(jiān)測數(shù)據(jù)。

水位傳感器為低能耗的數(shù)字壓阻式傳感器，靈敏度高，分辨率高，體積小，安裝于測壓管底部的死水位以下。數(shù)據(jù)傳輸無線裝置和太陽能電池系統(tǒng)安裝于測壓管管口保護(hù)蓋上。無線滲壓計(jì)采用干電池供電(3－5年換一次電池，大多數(shù)時間處于休眠狀態(tài))，當(dāng)收到中心監(jiān)測站發(fā)出的命令時，采集數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)通過無線電波發(fā)回。滲壓計(jì)也采用低能耗的數(shù)字壓阻式傳感器，放置于測壓管底部，通過防水線纜與放置于測壓管口的無線數(shù)據(jù)傳輸裝置相連。

中心監(jiān)測站設(shè)備由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(包括計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、后備電源等)和無線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器以及大壩監(jiān)測軟件組成。

2.4.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

系統(tǒng)的主要特點(diǎn):(1)所有設(shè)計(jì)均采用國際或國家水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn);(2)系統(tǒng)可在溫度 －40℃ －60℃環(huán)境下正常工作;(3)通訊采用無線ISM頻段，通訊協(xié)議采用IEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn);(4)無線水位傳感器采用低能耗設(shè)計(jì)，用普通干電池供電，可工作5年以上;(5)各個設(shè)備相互獨(dú)立，系統(tǒng)防雷電、抗雷擊能力強(qiáng);(6)系統(tǒng)壽命和平均無故障時間長，某一設(shè)備損壞并不影響整個系統(tǒng);(7)系統(tǒng)具有自檢測故障功能;(8)施工簡單，安裝、維修方便。

2.4.3 主要技術(shù)指標(biāo)

主要技術(shù)指標(biāo):(1)水位測量精度優(yōu)于1 cm;(2)水位測量分辨率優(yōu)于0.02%;(3)水位量程0－100 m;(4)所有設(shè)備至均無故障時間大于30 000 h;(5)無線通訊頻段433 M或2.4 GHZ;(6)無線數(shù)據(jù)通訊最大速率250 KBPS;(7)系統(tǒng)使用壽命大于10年;(8)系統(tǒng)容量可接無線水位傳感器6萬個。

2.4.4 系統(tǒng)工作機(jī)制

系統(tǒng)工作機(jī)制為自動式，這是一種不受監(jiān)測中心站指令控制的工作方式，當(dāng)發(fā)生一個計(jì)量單位變化時，主動將信息向中心站發(fā)送。其特點(diǎn)是能耗低、結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)時性強(qiáng)，能很好地反映參數(shù)變化全過程。

3 結(jié)語

從水庫大壩監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展趨勢來看，已從以驗(yàn)證設(shè)計(jì)為主向以監(jiān)測安全為主轉(zhuǎn)移。基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(物聯(lián)網(wǎng))的水庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)，可使監(jiān)測資料分析從被動性的后處理向主動性的實(shí)時分析轉(zhuǎn)變。因此，要求我們要用全新的觀念去研究和設(shè)計(jì)大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)。本文是我們的初步嘗試成果，有待在今后的實(shí)踐中進(jìn)一步完善。