大坝安全监测

浅谈大坝安全监测及其自动化系统 摘要：大坝安全监测具有重要的工程意义，只要建立合理的大坝安全监测机制，溃坝

事故时可以避免的。如何通过安全监测及时提供大坝性态及其变化信息，降低大坝风险已成为大坝安全管理者最关心的问题。 关键词：大坝、安全监测、自动化

大坝安全监测的内涵及意义 通常，通过仪器观测和巡视检查对水利水电工程主体结构、地基基础、两岸边坡、相关设施以及周围环境所作的测量及观察，界定为大坝安全监测。监测，既包括对建筑物固定测点按一定频次进行的仪器观测，也包括对建筑物外表及内部大范围对象的定期或不定期的直观检查和仪器探查。 大坝监测与大坝检测在某种意义上有相同之处，均为对水利工程工况及运营性状进行量测。同时，两者也有不同之处，监测重点放在实时监视测量上，检测则重点以规则标准对量测结果作出评判。监测常表现为持续不断的对水利工程性状监视记录，检测多表现为某一时段的检测结果评判。 正在运行的大坝， 由于受到各种自然因素的影响， 其工程状态和运行情况都在随时变化，所以必须对大坝进行系统全面地检查， 随时掌握工程状态， 分析判断大坝及基础、岸坡是否能安全运行，予报工程发展趋势及安全度。 可以说，安全监测(包括检查、观测)是大坝安全管理的耳目，是判断水库能否安全运用充分发挥效益的前提， 也是检查施工质量、验证设计是否正确的手段， 它能为水利科学试验研究供给宝贵的原型观测资料，也为水库除险加固设计和水库调度维修养护提供依据。①总之大坝安全监测是了解大坝安全性态、对大坝安全实施科学管理必不可少的重要手段。 大坝安全监测主要项目 大坝安全监测的范围应根据坝址、枢纽布置、坝高、库容、投资及失事后果等进行确定, 根据具体情况由坝体、坝基推广到库区及梯级水库大坝。大坝安全监测的时间应从设计时开始直至运行管理。大坝安全监测的内容不仅是坝体结构及地质状况, 还应包括辅助机电设备及泄洪消能建筑物等。② 根据大坝安全监测的目的，监测的主要项目有：变形、渗流、压力、应力应变、水力学及环境量等。其中变形和渗流监测是最为重要的监测项目，因为这些监测量直观可靠，可基本反映在各种荷载作用下的大坝安全性态。对大坝的内部性态进行监测也是比较重要的，其监测成果可以用来反馈和检验设计、施工质量。 1.变形监测 大坝在自重、水压力、扬压力、泥沙淤积压力及温度等荷载作用下，会产生变形，变形监测是了解大坝工作性态的重要内容，主要包括表面变形、内部变形、挠度、倾斜、裂缝和接缝，以及岸坡位移等。 变形监测是通过人工或仪器手段观测大坝整体或局部的变形量，可以通过变形监测量掌握大坝在自重、水压力、扬压力及温度等环境量的作用下的变形规律，了解大坝在施工和运行期间是否稳定安全，研究有无裂缝、滑坡、滑动、和倾覆等趋势。③ 2.渗流监测 渗流监测是指对在上下游水位差作用下产生的渗流场的监测，主要包括渗流压力、渗流量及其水质的观测。渗流观测主要包括坝体渗流、坝基渗流、绕坝渗流和渗流量。 渗流监测是通过人工或仪器的手段观测大坝整体或局部的渗流场变化情况，可以通过渗流监测掌握大坝在水压力、扬压力及温度等环境量的作用下的渗流规律，了解大坝在施工和运行期间是否稳定安全，以便采取正确的运行方式或进行必要的处理和加固。③ 3.压力（应力）、应变及温度监测 压力监测主要包括对孔隙水压力、扬压力、土压力和接触土压力等进行的观测。应力应变及温度监测项目主要包括混凝土应力、应变、锚杆应力、钢筋应力、钢板应力、基岩应变及温度场等监测 土石坝的压力（应力）监测主要包括孔隙水压力、土压力（应力）、接触土压力以及混凝土面板应力等； 混凝土坝的应力监测主要包括坝体（坝基）应力、应变、锚杆应力、钢筋应力、钢板应力及温度等。③ 4.水力学监测 水力学监测主要是输、泄水建筑物的监测项目。当输、泄水建筑物进出口水位差超过80~100m时，应进行水力学监测。水利工程输、泄水建筑物的水力学检测项目主要包括水压力、水流流态、水面线、泄流量、流速、空蚀及消能观测。 5.环境量监测 为了解水库大坝上、下游水位、降雨量、温度等环境量的变化，对坝体变形、应力、渗流等情况的影响，提供环境量资料，应进行水库大坝的环境量监测。 环境量监测主要包括大坝上下游水位、降雨量、气温、水温、波浪、坝前淤积和冰冻等。环境量监测应遵循《水位观测标准》《降水量观测规范》《水文普通测量规范》《河流冰情观测规范》。环境量监测设施应在水库蓄水前完成施工。③ 大坝安全监测自动化系统 大坝安全监测系统是是融汇电子技术、传感器技术、通信技术、遥测遥控技术和计算机技术等实现对水库和水电厂的大坝安全进行监测的自动化系统。③监测系统由电缆、传感器、采集站、监测分站、监测总站和管理中心组成。大坝安全监测自动化系统能够快速、准确地进行大坝安全参数测量、数据采集和传输，并能进行自动资料编整和分析，监测资料的同步性好，能大大减少人为因素的不确定性。因此，建立大坝安全监测系统是非常必要的，同时提高了水利工作的现代化管理。 20世纪70年代中期，我国在龚嘴大坝上安装了第一台应变计自动化监测装置，距今已有近30年的历史。目前我国已在数十座大坝上安装了自动化监测设备。 从监测内容上来看，大致可分为三类：内部检测仪器的自动化监测、大坝变形自动化监测设备和综合性自动化监测系统。在国内普遍使用的是第二种，主要用于垂线和引张线的观测，在激光准直方面也有发展。 大坝安全监测系统的控制方法分为集中控制系统和分散控制系统，也有结合两者的混合型控制系统。④ 集中控制模式的监测系统主要是由工业计算机作为中央控制装置配合监测设备共同组成。它可以实现对被测对象的数据采集、分析、处理、数据存储、显示、超限报警等功能，这些功能一般集中于一个庞大的一体化的监控设备之中。集中式系统是将传感器通过集线箱或者直接连接到采集器的一段进行集中观测。所有的采集器都集中在主机附近，有主机存储和管理各个采集器数据。 集线箱 各类 监测中心 控制、电源、信号电缆 大坝 计算机 集中测控单元 集线箱 监测 传感 集线箱 器

集中式监测数据自动采集系统 分布式控制系统由集中操作管理单元、分布的测控单元和通信网络构成。它是在网络技术、大规模集成电路和嵌入式技术的基础上发展起来的，其主要特点有：可将复杂的系统分解为相对简单的独立模块，系统层次清晰。分散式系统式把数据采集工作分散到靠近较多传感器的采集站来完成，然后将所测数据传送到主机，在这种系统中采集站多布置在较集中的测点附近。分散式系统观测方便、准确可靠、同步性高，故应用广泛。

测控单元 监测中心 计算机

分散式监测数据自动采集系统

大坝安全监测应用实例 二滩双曲拱坝坝高240m，坝顶弧长778.9m，拱冠坝底宽度55.7m，坝冠坝顶宽度11m。坝身有七孔溢洪表孔，六孔溢流中孔和两孔底孔。 坝内安全监测项目有位移、挠度、坝基基岩位移、混凝土应力应变、钢筋应力、闸墩预应力锚索张力、缝隙开合度、坝体坝基不均匀沉降、倾斜、坝基扬压力、坝体温度等。

电源、通信总线 测控单元

测控单元

各类大坝监测传感器 使用的监测仪器设备有应变计、测缝计、压应力计、锚索测力器、钢筋应变计、倾斜仪、垂线、岩石位移计、渗压计、温度计、引张线仪和静力水准仪等。（压应力计在混凝土浇筑时埋设的，钢筋计需要在安装钢筋计的钢筋上截掉一段然后把钢筋计的两端焊上去。应变计、钢筋计、渗压计、测缝计等仪器在计算物理量时都需要进行温度修正，所以需要同时测出仪器本身温度。） 大坝安全监测的发展 对大坝进行安全监测时, 人工巡视检查和仪器监测要结合起来。要尽可能利用当今的先进仪器和技术对大坝物别是隐患进行检查, 以便做到早发现早处理, 如土石坝的洞穴、暗缝、软弱夹层等很难通过简单的人工检查发现; 人工巡查必不可少的原因是由于大坝的特殊性和目前仪器监测的水平所决定的。 国内外大坝安全监测经过近几十年来的不断发展,已就有了长足的进步,主要表现在: (1)从原型观测发展为安全监测到现在的安全监控,研究领域和监测对象进一步扩大; (2)大量程、高精度、智能化、无线化的观测仪器不断被应用,自动化监测系统发展日趋成熟,监测手段更加先进; (3)安全监测数据处理在线实时监控和处理技术得到应用,监控分析的数学模型中统计模型、确定性模型和混合模型等传统模型不断被改进,时间序列、灰色理论、模糊数学、神经网络等多种新方法被引入大坝安全监测资料分析; (4)在大坝安全性态的评价研究方面,从单测点分析向多测点、多项目、多物理量的综合分析和评价发展,专家系统和人工智能技术为决策提供了更加准确及时的依据; (5)大坝安全监测反馈分析的深入研究,有力地推动了坝工设计和施工技术的发展。⑤ 结语 大坝安全监测使人们能准确掌握大坝性态，有利于更好地发挥工程效益、节约工程投资，是人们了解大坝运行性态和安全状况的有效手段。大坝安全监测不仅对能帮助监测坝进行安全评估,还有助于对其他大坝的分析。大坝安全监测自动化是现代技术发展的必然结果，是大坝安全监测发展方向。分散型控制系统作为较理想的自动化采集系统，将得到大力的推广和发展。 总之, 大坝安监测就是利用一切手段, 确保大坝以较少的投入保证长期、稳定、安全的运行, 实现效益的最大化，能及时、准确地采集数据，有条件地建立统计模型, 从而初步判断大坝安全状况。

参考文献 [1] 刘绍青.浅谈大坝安全监测. 江西省水利厅.1990 [2] 王静.水库大坝安全性分析及安全监测.东平县东平镇人民政府.2008 [3] 何勇军、刘成栋、向衍、范亚光.大坝安全监测与自动化.中国水利水电出版社 [4] 邵乃辰.水电工程安全监测技术文集.中国水利水电出版社.2009 [5] 张进平、黎利兵、卢正超.大坝安全监测研究的回顾与展望.中国水利水电科学研究院 .2008