水库大坝安全智能监测系统

水库大坝安全智能监测系统

水库大坝安全智能监测系统的建设目标是建立对大坝安全各项指标的评价标准，回答大坝安全与否这一关键问题，并实现对各类监测数据自动采集和实时处理，根据监测数据和评价结果对大坝安全状态进行实时预警。为了实现这一目标，需要构建统一的数据库进行存储，并通过统一的系统进行调用和管理。对于水库砌石拱坝这一特定坝型，应用前沿分析技术和经典方法相结合，通过实施先进的监测手段和设备，提升对大坝安全状态的感知能力，并建立一套适合本工程的大坝安全监测预警和实时安全评估系统，争创全国领先水平。同时，通过监测设备标准化拟定、底层数据库规范和技术指标构建、预留开放式系统接口等措施，实现本项目的可推广性，为福建省推广应用该类系统提供引领示范。建设任务包括建设大坝安全监测系统监测设备，补充完善水库大坝坝前水温、坝体位移、大坝应变等监测设施，实现数据实时采集处理，并能进行实时分析，实时评价水库大坝，实现水库大坝安全监测信息化、智能化的要求。同时，需要建立大坝综合评价系统，综合拟定坝体监测项的监控指标，对大坝实时运行情况进行动态评估，评价内容包括位移测值、趋势判断、裂缝计开度变化等控制指标，通过对异常项数的统计给出整体大坝安全度评价标准，并可按时、按需输出系统监测报告，建立一套适合本工程的大坝安全综合评价系统。此外，还需要建设大坝安全监测信息集成系统，建立监测数据、业务数据、基础数据、空间数据、标准库、模型库等大数据方案的主题数据库，实现大坝安全数据的存储、快速访问、计算与分析挖掘，最终在此基础数据库层面上，建立一套大坝安全管理规范框架结构和技术标准解决方案，实现多元数据融合应用，切实提高水库数据运行效率。最后，还需要进行基础支撑系统的建设，包括建设大坝数据中心库、视频监控与大坝巡检、大坝安全信息化三维模块展示系统以及配套的相应的软硬件配套设施，调度中心、机房及会商视频环境改造等。同时，还需要进行水库防雷接地升级改造。水库、启闭机房和调度大楼的防雷接地将进行升级改造，包括电源线路、信号线路和监控线路的电涌保护，以及智能电涌（雷电）防护监测管理系统和等电位接地改造等。这些改造将提高设施的安全性和稳定性，保障水库的正常运行。为了实现水库大坝的安全监测和预警，我们将按照最新的监测规范要求，利用国内外最新先进的监测技术，建立自动监测设备并对原有监测项目进行改造升级，建立水库大坝安全的评价准则，实现从人工监测、自动监测到智能监测的提升。这样，我们就能够实时监测、评价和预警大坝的安全性态，为大坝的安全蓄水、安全防汛服务。水库大坝安全智能监测系统将实现对坝体表面位移、大坝裂缝、绕坝渗流、大坝应变等重要运行数据的实时采集、传输、计算、分析，以及直观显示监测内容的实时状态，历史数据查询和当前数据展示，为相关人员提供简单明了、直观有效的信息。一旦出现异常情况，超限数据将通过大屏监测点颜色闪烁提醒、短信发送相关人员提醒，及时响应。该系统采用B/S软件架构，建立一套大坝安全管理规范框架结构和技术标准解决方案，为系统推广应用提供技术标准和规范框架。整体框架由感知层、传输层、基础设施层、数据中心、应用层、门户六个层次及标准规范和信息安全两大体系组成。门户是整个的统一入口，包括统一的PC、移动门户及大屏等，为流域和大坝管理机构提供个性化的定制门户。应用层包括业务应用和展示，业务应用分别按三维信息化模块、大坝安全监测分析预警模块、数据中心库模块、设备及人员管理模块和大坝设备自动控制模块等提供各类应用系统，满足管理机构的管理需求。数据中心则为各层次提供数据支撑和数据处理服务。这样的整体架构能够保证技术的可持续演化，使得系统具备良好的实用性、先进性、扩展性、移植性及开放性。数据中心通过对水库数据资源进行全面梳理和整合，共享社会信息资源，构建省水库大坝安全智能监测综合数据库。该数据库包括监测数据主题库、业务数据主题库、基础数据主题库、空间数据主题库、标准库和模型库等，结合关系型数据库和大数据库两类数据库管理软件形成综合数据库的存储、管理容器，为公共服务创新及科学决策提供支撑。基础设施层包括中控机房、支撑环境设施和基础设施。中控机房由机架式标准机柜平台、展示系统和监控系统三大模块组成；支撑环境设施包含机房服务器、防火墙、交换机、数据库软件、基础支撑软件等。智能传输层包括监测传感器信号的传输网、传输卫星定位信号、传输部门内外部数据的互联网络等手段。基于物联感知与控制技术，建设形成大坝安全监测智能感知体系，实现对水库运作过程的及时、全面、准确、稳定的监测、监视和监控。标准规范是保障大坝安全智能监测的各个组成部分能够协调一致地工作，是保障各类信息互联互通，是保障项目建设过程和运维管理的规范、有序、高效的重要基础。标准规范充分利用已有国标和行标，参考引进国际上的先进标准，补充建设部分必要的项目标准。在全面分析和评估省水库管理各要素的价值、风险、脆弱性及所面临的威胁基础之上，遵照《中华人民共和国网络安全法》和等级保护制度的要求，结合水库实际，构建智慧水库信息安全体系，保障系统安全、运行稳定可靠。监测自动化系统设计遵循“实用、可靠、先进、经济”原则，满足水库现代化管理需要。监测自动化系统由监测仪器、数据采集装置、计算机及外部设备、数据采集和管理软件、通信线路及装置、电源线路及装置、防雷装置等组成。该系统具备巡测、选测和定时测量功能，现场网络数据通信与远程通信功能，数据存储、管理及备份功能，掉电保护功能，网络安全防护功能，自检、自诊断功能，防雷及抗干扰功能以及数据异常报警功能。同时，仪器设备在满足准确度的前提下，系统结构力求简单、稳定、维护方便，易于改造和升级，大坝表面位移监测、绕坝渗流监测、坝肩渗漏量监测等保留人工测量设备。数据采集装置的基本性能应该满足以下要求：（1）测量准确度不低于《混凝土坝安全监测技术规范》（SL601-2013）对测量对象准确度的要求；（2）采样时间小于30分钟，单点采集时间小于30秒；（3）数据存储容量不小于50测次；（4）平均无故障时间（MTBF）大于6300小时；（5）数据采集缺失率不大于2％；（6）掉电运行时间不小于3天（需强电驱动控制的设备除外）；（7）防雷电感应不小于500瓦特；（8）防潮、防锈蚀、防鼠、抗振、抗电磁干扰等。监测管理站配置的数据采集与管理软件应具有在线监测、图表制作、离线分析、信息管理和网络系统管理等功能。根据大坝安全监测规范，水库大坝必须监测9项项目，并增补或改造后共监测12项。由于水库大坝是砌石拱坝，扬压力监测项目现场不具备增补条件，且坝体表面位移、渗流量等监测项目仍采用人工测读，管理层不能及时掌握大坝监测数据，影响在台风、暴雨、洪水等工况下对大坝安全情况的研判。因此，结合现有条件，考虑水库大坝自身特点和最新大坝安全监测相关规范要求，实现大坝安全智能监测的要求。目前，坝体表面位移监测任务由管理处委托专业测绘单位，采用全站仪人工观测，每个月观测1次（早先每3个月观测1次）；观测时间挑选天气较好的时段。然而，在台风、强降雨、洪水、溢洪道过洪、夜间等不良工况和不利天气条件下，往往无法得到及时的坝体表面位移监测数据，影响对大坝安全状态的及时掌握。因此，有必要对坝体表面位移监测项目进行自动化改造。为了满足现今大坝的大规模安全监测要求，传统的监测方法已难以满足需求。因此，采用现代化的监测技术和监测仪器，及时准确地获取位移数据，对大坝进行科学管理，实现对大坝形态的综合评价和实时监控，已成为大势所趋。为此，采用了GNSS和测量机器人两种自动化监测方案。GNSS技术作为当今最先进的定位手段之一，在大地测量、地壳形变监测、精密工程测量等领域得到了广泛应用。它具有全天候工作、点位间可以互不通视、能够实现动态监测等优势，特别适用于进行动态和静态安全监测以及在较大工程区域内满足现代施工所需的复杂测量工作。虽然其监测精度略有不足，但可以很好地识别相对位移，对于大坝的安全判别和下游预警有着不可代替的作用。测量机器人监测精度较高，可以弥补GNSS的监测精度的不足，但对环境能见度要求较高，并要求所有的监测点互相通视。其监测易受天气、昼夜影响，监测频率受测量机器人转向马达影响，目前其监测频率还无法设置成很高的。因此，综合两种监测方法的优势，采用GNSS和测量机器人两种自动化监测方案，两种方法互补不足，相互验证，可以满足坝体表面位移自动化监测需求，并为智能研判提供必要数据。总之，采用GNSS和测量机器人两种自动化监测方案，可以及时准确地获取位移数据，实现对大坝形态的综合评价和实时监控，为大坝安全提供必要数据支持。采用数据通讯网络实时传输监测数据到控制中心，保证实时监测和数据处理。同时，监测设备还支持本地存储功能，以备不时之需。通讯方式采用4G网络，保证数据传输的稳定性和可靠性。在网络信号不稳定的情况下，监测设备还支持断网自动存储和恢复传输功能，确保数据的完整性和准确性。为实现全面覆盖和高密度监测，测量机器人监测系统布置在大坝表面，每个监测点距离不超过50m。同时，监测点的选择应考虑坝体结构、地形地貌、坝体变形规律等因素，以保证监测数据的准确性和可靠性。（3）数据传输测量机器人监测系统采用4G无线和光纤通信相结合的方式，保证监测数据的快速传输和实时监测。同时，为了保证数据安全，系统采用加密传输方式，并设置多重备份，以防止数据丢失或泄露。（4）供电监测机器人和全站仪系统均采用电池供电，为保证供电稳定和可靠，系统还设置了充电设备和备用电池，以确保监测数据的连续性和稳定性。（5）系统软件测量机器人监测系统采用专业监测软件进行数据处理和分析，实现对坝体表面位移的实时监测和分析。该软件具有高精度、高效率、易操作等特点，能够快速准确地获取监测数据，并进行数据分析和预警处理。同时，该软件还具有数据可视化功能，方便用户进行数据分析和决策。为了实现渗流量的自动化监测，我们在大坝下游左右岸坝肩共布置了4座微型量水堰。其中，1#量水堰位于大坝左岸坝肩▽76，2#量水堰位于大坝左岸坝肩▽62，3#量水堰位于大坝右岸坝肩▽90，4#量水堰位于大坝右岸坝肩▽70。同时，我们还在原右岸测量工作基点加盖了一个右岸观测房，并在坝顶和坝后人行桥上游侧新增了10个观测墩，以及利用原左岸测量工作基点作为左岸控制点。为了确保测量精度，我们专业配备了温度气压传感器，可以自动测定现场的温度和气压，并通过相应的软件进行严格的气象改正。同时，我们采用了光纤的有线通讯方式，以最大程度地保障数据的安全性和可靠性。监测机器人采用专业的监测软件，支持数据分析和处理，并且可以图形化的展示监测点的位移趋势。配套土建工作包括新建观测房和6个观测墩，同时还需要建设人行便道、电源、照明、通讯光纤、空调、防雷等设施。监测频次按规范要求为2次/月~1次/月，可以根据需要增加监测频次。监测精度需要满足规范要求，径向±2.0mm、切向±1.0mm。为了实现渗流量的自动化监测，我们布置了4座微型量水堰，并采用自动化监测方案。同时，我们还对新建观测房进行了安全防盗措施建设，包括防盗门、防盗窗、室内监控摄像头和室外监控等设施。为了满足规范要求，需要对4座微型量水堰进行自动化改造。原先的人工观测方式不仅观测频率不够，而且观测时人员绕行较长距离，劳动强度大，每次强降雨后还需要人工清理细渣。因此，需要安装容积式流量计作为监测设备，并采用标准ModbusRTU协议进行通讯，实现智能采集。同时，为防止细渣淤积，需要在左右两坝肩附近边坡采取工程措施，如布置排水沟和挡墙，并在量水堰之上的边坡采用喷射混凝土护面。为了减少运行管理人员的劳动强度，需要在量水堰的上部、接近坝顶位置布置排水沟和挡墙，防止地表水顺坡冲下来。同时，在略高于量水堰的位置，需要设置一道拦渣坎，共4座，并在坎的底部设通水孔，安装土工布，拦住砂石。在4座微型量水堰，每个位置布置1台套容积式流量计。1#量水堰布置于大坝左岸坝肩▽76，2#量水堰布置于大坝左岸坝肩▽62，3#量水堰布置于大坝右岸坝肩▽90，4#量水堰布置于大坝右岸坝肩▽70。监测仪器设备选用容积式流量计，其技术参数包括量程为0.6～12L/min，综合精度≤5%，正常工作环境为-10～+50℃，相对湿度为100%。同时，配套的采集设备包括自动集线箱和光端机等，自动集线箱的技术参数包括通道数量为32个，通讯接口为RS485，供电电源为AC220V，功耗＜3W，机箱为不锈钢防潮机箱，防潮等级为IP65，工作环境为温度-10℃～+50℃，湿度≤95%，系统防雷电感应为1500W。光端机技术参数：采用RS485串行接口，供电电源为220（1±15%）VAC，功耗约为0.25W（静态）和0.6W（发送），光输出功率大于0.5mW（-3dBm），接收灵敏度小于-15dBm，传送距离大于20km，工作温度范围为-10℃～+60℃，储藏温度范围为-20℃～+70℃。设备安装：光端机安装在堰板外侧底板上，与仪器引水管和底板之间要有400mm距离，引水管应接入堰板出水口，且尽量缩短引水管长度。坝前水温监测（自动化监测）：根据相关规范，本工程大坝级别下坝前水温监测项目为可选的监测项目。但由于库温度对砌石拱坝的坝体变形和应力影响较大，原先大坝坝体未布置温度监测。因此，在大坝上游面增加布置6只温度计，观测电缆接入采用自动化采集模块，实现自动化监测。监测布置：在坝左0+028.49、坝顶启闭房右侧边，布设在正常蓄水位97.0m之下共6支，间距8m。这6支温度计分别为96、88、80、72、64、56m，以监测不同深度的库水温。监测设备：监测仪器设备采用电阻温度计，其量程为-30～+70℃，测量精度为±0.3℃，温度系数为5℃/Ω，耐水压为0.5MPa。设备安装：安装上游面的库水温度计时，应使温度计轴线平行于坝面，并距坝面5～10cm。温度计绑定在保护管内顺大坝启闭房侧边，安装到指定位置并固定，电缆用保护管保护，引入左侧启闭房集线箱内。大坝应变监测（自动化监测）：根据相关规范，本工程大坝级别下大坝应力应变温度监测项目为可选的监测项目。但为了解本工程砌石拱坝的受力敏感部位的应力应变，分析大坝安全状态，故需要增加大坝应变监测项目。在左右两坝肩处增设大坝应力监测仪器，拟设置4只应变计，接入采用自动化采集模块，实现自动化监测。监测布置：在大坝坝顶左右岸坝肩，各布置2组二向应变计组每组各2支应变计。这4只应变计的布设位置为：坝左0+079.63，设计编号为S2-1；坝右0+105.61，设计编号为S2-2。其X向朝上游面方向，Y向朝左右岸边坡方向，以监测坝肩应力应变。监测设备：监测仪器设备采用带有温度测量功能的振弦应变计，其量程为±1500με，分辨力为0.5～1.0%F？S，测量精度为0.25%F？S，温度测量范围为-20～+60℃，温度测量精度为±0.5℃，耐水压为0.5MPa。设备安装埋设：为了安装仪器，我们采用地质钻的方法在左右岸坝肩中间位置开挖0.5m×0.5m×深度2.0m的坑槽。首先，我们需要浇筑混凝土安装支架，等待其凝固后再安装二向应变计。其中，X向朝上游面方向，Y向朝左右岸边坡方向。安装完成后，我们再浇筑C15混凝土，并进行人工振捣密实