周柯宇

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司試驗(yàn)檢測(cè)研究院,四川 成都 611730)

水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)在水庫(kù)設(shè)備安全中的應(yīng)用研究

周柯宇

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司試驗(yàn)檢測(cè)研究院,四川 成都 611730)

簡(jiǎn)單講述了水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)的重要作用,分析了目前大壩監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)現(xiàn)狀,并以某水庫(kù)大壩為例,分析水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)在水庫(kù)安全中的應(yīng)用.

水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè);自動(dòng)化技術(shù);現(xiàn)狀;應(yīng)用

水庫(kù)是我國(guó)廣泛采用的水利工程之一,一般的解釋為調(diào)節(jié)水流和攔洪蓄水的水利建筑物,可以用來(lái)蓄水、灌溉、發(fā)電、防洪和養(yǎng)魚(yú).水庫(kù)是在山溝或河流的狹口處建造攔河壩形成的人工湖泊,有時(shí)天然湖泊也稱(chēng)為水庫(kù)(天然水庫(kù)).大壩是水庫(kù)的主要建筑構(gòu)件之一,做好大壩的管理有助于保證水庫(kù)的安全性,提高水庫(kù)收益.自動(dòng)化技術(shù)是一門(mén)綜合性的技術(shù),與信息學(xué)、系統(tǒng)工程學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子學(xué)、自動(dòng)控制等都有著密切關(guān)系,核心技術(shù)就是自動(dòng)控制和計(jì)算機(jī)技術(shù).目前很多地區(qū)的水庫(kù)大壩都在應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行安全監(jiān)測(cè),具有良好的效果.

1 水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)的重要作用

對(duì)大壩進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)是保證大壩安全運(yùn)行的前提,安全監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括混凝土大壩、地下水、邊坡等,目的是實(shí)時(shí)了解大壩建筑的使用情況、壩身防滲體有無(wú)裂縫、地下水的浸潤(rùn)情況、輸電線路運(yùn)行情況以及大壩周?chē)吰碌那闆r等,以便于隨時(shí)了解大壩運(yùn)行的情況,及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,并采取解決措施,以免問(wèn)題嚴(yán)重性擴(kuò)大,影響水庫(kù)的安全運(yùn)行.發(fā)生洪水期間對(duì)大壩的安全監(jiān)測(cè)還可以用來(lái)控制蓄洪和泄洪的速度,特別是對(duì)已建造好多年的水庫(kù)大壩來(lái)說(shuō),進(jìn)行大壩的安全監(jiān)測(cè)大大提高了大壩對(duì)洪水的應(yīng)對(duì)能力,增加了其在洪水期間的運(yùn)行效率和安全性,有效降低洪澇帶來(lái)的損失.還有日常對(duì)大壩的安全監(jiān)測(cè)還可以有目的的進(jìn)行調(diào)水,確保下游農(nóng)業(yè)的發(fā)展有足夠的水源,提高對(duì)干旱天氣的應(yīng)對(duì)能力.另外,利用安全檢測(cè)收集到的數(shù)據(jù)制定科學(xué)合理的大壩維護(hù)方案,可以有效延長(zhǎng)大壩的使用壽命.

2 大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)現(xiàn)狀分析

上個(gè)世紀(jì)60年代開(kāi)始,逐漸有建造久遠(yuǎn)的大壩出現(xiàn)問(wèn)題,造成損失,因此,人們更加意識(shí)到大壩安全監(jiān)測(cè)的重要性.傳統(tǒng)的大壩安全監(jiān)測(cè)從一開(kāi)始的人工巡查到攝像頭監(jiān)測(cè)和人工巡查結(jié)合,逐漸朝向高科技化發(fā)展,而科學(xué)技術(shù)的快速進(jìn)步,為大壩安全監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化提供了有利條件.我國(guó)從80年代起開(kāi)始引進(jìn)、學(xué)習(xí)和應(yīng)用大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù),直至現(xiàn)在,大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)已趨成熟,并且由國(guó)家聯(lián)合相關(guān)行業(yè)頒布了大壩安全監(jiān)測(cè)有關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),如《大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)規(guī)范》等.

2.1 大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)

大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)具有監(jiān)測(cè)范圍比較廣,監(jiān)測(cè)項(xiàng)目比較多,監(jiān)測(cè)環(huán)境一般比較惡劣,測(cè)點(diǎn)分布范圍十分廣泛而且分布不均勻等特點(diǎn).在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)水庫(kù)大壩的實(shí)際情況和主要的作用方面進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)要遵循實(shí)時(shí)、實(shí)用、先進(jìn)、可靠、標(biāo)準(zhǔn)、通用等原則,并且留有一定的可擴(kuò)展空間.在設(shè)備上選擇科學(xué)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,先進(jìn)軟件的接口以及網(wǎng)絡(luò)軟件技術(shù),特別是電腦智能化的發(fā)展,要讓設(shè)備跟上形勢(shì),實(shí)時(shí)快速的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和分析;因?yàn)楸O(jiān)測(cè)需要在斷電的情況下也能保存數(shù)據(jù),這就要求系統(tǒng)有高水平的備份和運(yùn)行日志.對(duì)收集資料的整理首先要將實(shí)際問(wèn)題解決掉.系統(tǒng)要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)、擴(kuò)充和連接.

2.2 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)的內(nèi)容

監(jiān)測(cè)信息采集的主要內(nèi)容包括對(duì)大壩的變形監(jiān)測(cè)和滲流監(jiān)測(cè),前者是監(jiān)測(cè)大壩的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),利用自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)確保其沒(méi)有出現(xiàn)變形的情況;主要針對(duì)水平和垂直面進(jìn)行監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)大壩是否存在位移現(xiàn)象;對(duì)混凝土大壩的監(jiān)測(cè)一般設(shè)置多個(gè)測(cè)點(diǎn);主要針對(duì)重要性較大的大壩和高壩;對(duì)土石大壩需要在壩頂設(shè)置水平檢測(cè)點(diǎn),并間隔固定距離設(shè)置連續(xù)的測(cè)點(diǎn).后者是監(jiān)測(cè)滲透壓力和滲流量,是大壩安全監(jiān)測(cè)的重點(diǎn),尤其是對(duì)洪澇多發(fā)的地區(qū),要做到全天候的監(jiān)測(cè);對(duì)混凝土大壩一般是在基礎(chǔ)廊道設(shè)置壓力監(jiān)測(cè)孔,在壩體不同地段設(shè)置多個(gè)測(cè)點(diǎn),滲流量的監(jiān)測(cè)需要結(jié)合水庫(kù)排水溝的實(shí)際情況進(jìn)行,并且劃分區(qū)域監(jiān)測(cè),最終計(jì)算總滲流量;對(duì)土石壩的監(jiān)測(cè)是在壩底的集水區(qū)設(shè)置測(cè)點(diǎn),并在大壩左右兩側(cè)安裝地下水測(cè)點(diǎn),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地下水的水位變化,從而計(jì)算滲流量.

2.3 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)的主要構(gòu)成

目前使用的大壩安全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)主要包括水平和垂直位移傳感器、地下水位監(jiān)測(cè)裝置、中央控制裝置等.水平位移傳感器目前有2種,垂線和引線,主要工作方式是電機(jī)式和電容式,電機(jī)式監(jiān)測(cè)速度較慢但不挑環(huán)境,可靠性強(qiáng);電容式監(jiān)測(cè)速度快,對(duì)工作環(huán)境要求嚴(yán)格,線路過(guò)長(zhǎng)還容易發(fā)生偏離.近幾年出現(xiàn)了激光垂直監(jiān)測(cè),效果較好但成本過(guò)高;還有高精度的自動(dòng)化掃描儀,可實(shí)現(xiàn)對(duì)大壩的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),但成本高,技術(shù)操作要求高.地下水的監(jiān)測(cè)使用較多的是弦式滲壓計(jì),持久耐用、穩(wěn)定性高,缺點(diǎn)是容易受大氣壓的影響使得結(jié)果不夠準(zhǔn)確.中央控制設(shè)備主要是計(jì)算機(jī)、后備電源、顯示裝置等,隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展逐漸形成監(jiān)測(cè)局域網(wǎng)形式的監(jiān)測(cè)系統(tǒng),具有適應(yīng)性強(qiáng)、穩(wěn)定性高、可靠性強(qiáng)的特點(diǎn),成本也比較低,目前應(yīng)用比較廣泛.

3 水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)在水庫(kù)安全中的應(yīng)用

以四川某水電站為例講述水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)的具體應(yīng)用.四川某水庫(kù)水電站采用混合式開(kāi)發(fā),水庫(kù)正常蓄水位398m,庫(kù)容6330萬(wàn)m3,設(shè)計(jì)引用流量2640.9m3/s,電站裝機(jī)容量772MW,多年平均發(fā)電量33.03億kW.h.水電站主要由非溢流壩、泄洪沖砂閘、左岸副壩、右岸太平副壩、電站主廠房、尾水渠、船閘等建筑物組成.

3.1 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

(1)廠房監(jiān)測(cè)系統(tǒng):包括在廠房高程338觀測(cè)廊道內(nèi)布置了變形監(jiān)測(cè)的監(jiān)測(cè)裝備和測(cè)點(diǎn),用于基礎(chǔ)的沉降和變形觀測(cè)及結(jié)構(gòu)縫觀測(cè);在廠房4#機(jī)壩縱附近布置滲流監(jiān)測(cè)斷面,用4支弦式滲壓計(jì)觀測(cè)滲流;在廠房4#機(jī)蝸殼周邊布置了16支鋼筋計(jì)用來(lái)觀測(cè)鋼筋的應(yīng)力變化情況;在4#機(jī)軸線方向布置了4組應(yīng)變計(jì)用來(lái)觀測(cè)混凝土的應(yīng)變情況;在4#機(jī)進(jìn)口布置了一個(gè)溫度監(jiān)測(cè)斷面,用來(lái)觀測(cè)4#機(jī)進(jìn)口混凝土溫度變化情況.

(2)安裝間監(jiān)測(cè)系統(tǒng):包括在壩縱0+460.50布置了一個(gè)滲流監(jiān)測(cè)斷面,利用滲壓計(jì)對(duì)檢修集水井和滲透集水井進(jìn)行滲透壓力觀測(cè);在滲漏集水井和檢修集水井分別布置了兩個(gè)鋼筋應(yīng)力監(jiān)測(cè)斷面,共18支鋼筋計(jì).

(3)泄洪沖砂閘監(jiān)測(cè)系統(tǒng):在泄洪沖沙閘布置了兩個(gè)滲流監(jiān)測(cè)斷面,壩縱0+226.55(5#閘墩)和壩縱0+127.25(14號(hào)閘墩),每個(gè)斷面布置了4支滲壓計(jì),用來(lái)監(jiān)測(cè)壩基滲透壓力;在壩橫0+004.5一線布置了7孔測(cè)壓管,用來(lái)監(jiān)測(cè)防滲墻后的滲透壓力;在泄洪沖沙閘布置了兩個(gè)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)斷面,壩縱0+226.55(5#閘墩)和壩縱0+127.25(14號(hào)閘墩),每個(gè)斷面布置了12支鋼筋計(jì),用來(lái)監(jiān)測(cè)閘墩的鋼筋應(yīng)力變化情況;布置了2套7向應(yīng)變計(jì)組,用來(lái)監(jiān)測(cè)閘墩混凝土的應(yīng)變情況.

3.2 自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)的組成

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由監(jiān)控中心站和各部位監(jiān)測(cè)站組成.本工程計(jì)劃布設(shè)一個(gè)監(jiān)控中心站、4個(gè)監(jiān)測(cè)站,監(jiān)控中心站布設(shè)在中控室內(nèi),4個(gè)監(jiān)測(cè)站布設(shè)于廠房觀測(cè)廊道、安裝間觀測(cè)廊道、泄洪沖沙閘5#閘墩、泄洪沖沙閘14#閘墩,其間采用光纜通訊,并采用220V永久電源供電.

3.3 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的必要性

本電站現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目都是以人工觀測(cè)為主,觀測(cè)勞動(dòng)強(qiáng)度大,且受人為因素的影響較大,觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性、可靠性和穩(wěn)定性差,無(wú)法及時(shí)反映水工建筑物變化情況,特別在遇到大壩性態(tài)異?；蚝樗⒌卣鸬犬惓Ｇ闆r時(shí),不能實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè).因此針對(duì)電站目前安全監(jiān)測(cè)設(shè)施的運(yùn)行情況,對(duì)大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行完善,將部分關(guān)鍵監(jiān)測(cè)項(xiàng)目實(shí)施自動(dòng)化監(jiān)測(cè).這是行業(yè)發(fā)展的要求,也是電站實(shí)際生產(chǎn)和管理工作的要求,更是安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì),是大壩安全信息化建設(shè)必不可少的部分.

3.4 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)帶來(lái)的效益

首先,本電站使用的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)比同等的系統(tǒng)成本減少了200萬(wàn)元,系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化,該系統(tǒng)可以在10年內(nèi)保持國(guó)內(nèi)技術(shù)領(lǐng)先水平.其次,系統(tǒng)可以在雷雨、狂風(fēng)、烈日、大霧等各種惡劣天氣下保證高頻次數(shù)據(jù)采集與分析,監(jiān)控水工建筑物運(yùn)行安全.另外,高頻次、高質(zhì)量的測(cè)量數(shù)據(jù)讓大壩順利通過(guò)安全鑒定、注冊(cè)及定檢,確保電站順利蓄水發(fā)電,產(chǎn)生巨大的間接經(jīng)濟(jì)效益.最后,該系統(tǒng)能夠監(jiān)控水工建筑物安全運(yùn)行,保障電站及下游居民的生命財(cái)產(chǎn)安全;降低了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,也保證工作安全;系統(tǒng)全自動(dòng)采集數(shù)據(jù)和處理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),降低了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,杜絕人工輸入數(shù)據(jù)所產(chǎn)生的人為誤差,而且監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理后自動(dòng)傳輸至大壩中心,保證大壩中心隨時(shí)掌控大壩安全運(yùn)行狀態(tài),能直接、快速的對(duì)大壩安全問(wèn)題進(jìn)行診斷.

4 結(jié)語(yǔ)

本文重點(diǎn)分析了水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)在水庫(kù)安全中的應(yīng)用,為后期大壩的建設(shè)和安全運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù),促進(jìn)水庫(kù)大壩的安全高效運(yùn)作.

[1]卓亞.艾則孜.自動(dòng)化技術(shù)在水庫(kù)大壩安全管理中的應(yīng)用研究[J].科技與企業(yè),2014,(14):69.

[2]瑪依努爾.托乎提.水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)研究[J].中小企業(yè)管理與科技(中旬刊),2017,(02):166-167.

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