高崖水库大坝渗流监测系统设计与应用

吕光强，李建伟，李 芳

（1.潍坊市高崖水库运营维护中心，山东 潍坊262400；2.潍坊市水利事业发展中心，山东 潍坊261061；3.山东浩博水利建设有限公司，山东 潍坊261021）

高崖水库位于潍河支流汶河上游，控制流域面积355 km2，水库总库容1.6亿m3，兴利库容6 545万m3，是一座集防洪、供水、灌溉、发电及生态保护等综合利用于一体的大（2）型水库。水库大坝为黏土心墙砂壳坝，坝长1 200 m，坝顶高程160.70 m，最大坝高26.70 m，坝顶宽7.50 m。

1 大坝渗压监测现状

高崖水库大坝渗压监测系统设置5个测压管断面（0+151、0+360、0+500、0+650、0+810），其中0+151断面设坝体管、坝基管各2支，其余各断面均设置坝体管3支、坝基4支，共32根测压管（坝基管18根，坝体管14根）。每个测压管安装静态投入式水位传感器和智能遥测终端。通过静态投入式水位传感器测量测压管内的水位情况，并将数据传输给智能遥测终端，通过分析、处理、转换，将数据转换成国家和行业规定的格式，通过预先设定的频率利用短信方式直接传输至控制中心短信接收设备，短信接收设备与控制中心主控计算机连接，实现大坝大坝渗压监测自动化管理。

随着建设时间年限的增加，原有大坝渗压监测系统逐步出现设备老化、自动化技术落后、监测数据不稳定、数据传输采用移动网络增加费用等问题，主要包括以下几方面：

1）部分断面出现数据异常，测量的水位数据偏差较大，监测设备存在不同程度的老化现象。

2）渗压数据处理分析计算机经常出现故障，计算机是大坝渗压监测系统初建时配置的，设备参数配置低，运行效率低，使用年限长、老化严重。

3）大坝安全监测软件采用C/S架构开发，数据远程查询管理及数据上传共享能力不够，系统功能缺少数据分析、资料整编等功能。

4）部分测压管存在淤积堵塞问题，在一定程度上影响了监测数据的准确性。

2 大坝渗压监测系统设计

2.1 设计原则

大坝渗流自动监测系统建设是水库规范化管理的重要组成部分，能推动水库管理规范化建设，提高管理和公共服务水平，顺应现代信息技术的发展趋势，在系统规划及建设中遵循以下原则：

1）统筹兼顾、突出重点。围绕大坝安全管理中心工作，特别是工程巡查、渗压监测、变形监测、资料整编等内容，完善物联感知、提升基础保障、完善业务应用，同时坚持统筹兼顾、急用先建，逐步推进大坝运行安全体系建设。

2）统一标准、资源共享。标准和安全是信息化建设的重要保障，加快推进标准化与规范化建设，全面推进水库信息资源的交互共享，提升信息资源利用效率和应用能力。

3）先进可靠、实用高效。采用成熟先进的技术，选用稳定可靠的设备，充分满足高崖水库大坝监测实际需求，建立全天候监测系统，确保系统建设的整体效益和可持续性。

2.2 总体框架

大坝安全自动监测系统充分利用现代检测技术、通信技术、网络技术和计算机技术，通过相应传感器感知大坝监测参数，现场远程监测终端通过有线光纤或无线网络的方式采集前端传感器的信号，并进行预处理和存储，根据系统数据传输体制要求，自动上报相关参数，在控制中心对数据进行处理、统计、整编、分析、预警等，提高大坝安全监测的实时性、可靠性和精度，为水库决策提供直观的图像信息。

2.3 监测原理

采用跟踪式监测控制技术，实时感知水面的位置并能跟踪水面变化，将水面的位置信息转换为水位数据显示上传。主要设备包括跟踪式智能渗压遥测仪、无线通信管理网关、保护装置等。按照每个测压管的管口高程、管底高程、变幅等数据确定监测设备量程，通过跟踪式智能渗压遥测仪监测测压管内的水位变化情况，并对水位数据进行分析、处理、转换，将数据转换成国家和行业规定的格式，通过通信网关传输至控制中心的数据库。

2.4 监测点布置

在高崖水库大坝坝体布置5个监测纵断面，在每个断面不同高程布置32个孔位，每个测压孔安装一套监测设备。监测点设备由跟踪式智能渗压遥测仪及无线中继管理网关组成，共配置32套跟踪式智能渗压遥测仪和6套无线中继网关。根据《土石坝安全监测技术规范》的要求实现对测压管渗压水位数据的自动测报。

2.5 主要设备选型原则

1）跟踪式智能渗压遥测仪。设备要具备性价比高、监测数据准确、稳定、无漂移；抗雷击、维护方便、数据采集传输组网灵活可靠、环境适应性强、安装维护方便等特点。

2）无线通信管理网关。网关要有强大的网络转换管理能力，支持无线自组网与移动公网跨网安全传输，可同时支持ZigBee物联网、全网通、4G、3G等全线网络，为客户的项目建设提供更多选择。支持多数据中心备份传输及多数据中心同步传输，可适用较大规模的信息传输。

2.6 通讯与供电设计

1）通讯系统。为满足实时传输稳定地提供数据服务，本项目采用无线传输方案，测压管监测点与控制中心通过无线通信管理网关实现跨网安全传输，最大程度降低施工难度，方便后期维护管理。

2）供电系统。测压管监测点及通信网关设备均采用太阳能及后备锂电池供电系统，满足设备自身运行需要。太阳能供电系统包括太阳能电池板、电池、太阳能控制器，以及其他配件。太阳能供电时，需根据日照时间、阴雨天气多少来配置电池板大小以及电池容量，确保电池能够持续给设备供电。电池板制作安装支架，朝向正南，倾角在20°~5°之间，根据当地太阳高度角来确定。注意不要有任何遮挡，否则无法充电。电线走线选用国标；太阳能板接线要牢固，裸露在外面的线要穿管，美观而且耐用。

2.7 自动监测信息管理系统设计

水库经过多年信息化建设，信息化基础保障环境基本健全，此次部署利用现有的办公环境及网络，安装数据库软件，升级大坝安全监测系统软件，实现对坝体渗压、坝基渗压等监测点自动监测、数据采集、数据存储、数据查询、数据报表功能。

1）监测数据采集管理。实现对水库大坝沉降、位移、渗流（压）信息的自动监测数据的采集入库管理。

2）水库水位、降雨量、温度等其他已建系统数据的融合接入。

3）数据库建设。

4）数据统计分析：实现大坝安全各相关数据的查询、统计、报表、数据分析、异常情况预警预报功能。

5）图表绘制展示。过程线、浸润线、趋势曲线绘制展示等功能。

6）资料整编分析。实现对考证资料、监测记录资料、监测成果统计资料、监测成果图等资料的汇总、整编功能。

7）手机APP移动客户端数据查询、信息推送等管理功能。

3 大坝渗压监测系统建设

3.1 项目建设内容

安装监测管理软件系统1套、自动渗压监测设备（跟踪式智能渗压遥测仪）32套、无线通信网关4套、32处井口保护装置改造及测压管清洗等。

1）大坝安全监测系统软件部署。升级大坝安全监测系统软件，在保证信息安全的前提下，增加系统远程管理、增强大坝安全智能分析、预警预报功能；同时，预留巡视检查、变形监测、压力（应力）监测等接入功能，全面提升大坝安全信息化、规范化管理水平。

2）大坝安全监测系统前端设备升级改造。对水库大坝5个监测断面的32处渗压监测点进行梳理排查，对管口保护设施进行改造，更换新一代大坝渗压智能监测设备，改造原有数据传输网络，建设高可靠性高速度的自组网络系统，实现对32处渗压数据的采集及无线传输。

3.2 监测系统运行情况

高崖水库大坝渗压监测系统于2018年建成投入使用，至今整体运行情况良好。通过系统更新改造前后几次自动观测数据同人工观测校核的数据对比分析，更新后系统监测数据的准确性更高，能更好地反应测压管水位变化情况，数据传输稳定性好，监测成果达到了设计要求，满足实际使用需要。

4 结语

大坝安全监测是利用现场检查、仪器检测与分析手段对大坝安全信息进行采集和分析的过程，是了解大坝运行形态和安全状况的有效手段。高崖水库大坝渗压监测系统的实施，一是解决了原有检测设施陈旧、功能不全、数据不准等问题，提高了大坝渗流监测准确度；二是提高了数据分析能力，为及时发现和解决大坝安全问题提供了有力支持和可靠依据，提高大坝的安全程度；三是满足工程安全运行管理的需要，推动大坝管理工作逐步规范化、高效化和智能化；四是取得了较好的应用成果，为同类工程实施大坝渗压检测积累了很好的经验。