黄飞龙
广西桂能工程咨询集团有限公司 广西 南宁 530000
摘要：为了确保大坝安全，对其安全监测体系进行了全面和有针对性的设计研究，所取得的成果不仅对土石大坝的安全施工和运行的实现起到积极作用，作为借鉴也对土石大坝安全监测设计具有重要的参考价值。本文综述了土石坝安全监测设计的相关内容和各个项目，重点阐述了其安全监测项目的选定，大坝表面变形监测，坝体内部变形监测，渗流监测，水文气象监测，监测技术的实施和自动化系统的设计与应用，对仪器设备的选择、安装埋设技术要求和观测要求等也进行了概述。
关键词：安全监测设计，土石坝
1954年建成的法国马尔巴塞双拱坝在没有必要的安全监测设施的条件下，在1959年12月2日突然溃坝。短短的45分钟，致使坝下游一有500名士兵的军营和一城镇毁于一旦，造成直接损失6800万美元。大坝作为一种特殊的建筑类型，具有结构复杂，设计、施工难度大，施工期长，投资和收益巨大，失事后造成灾难性后果等特点。了解大坝的施工安全和运行安全就必须进行大坝安全监测工作，其重要性不言而喻。安全监测设计的主要目的就是为了保护大坝安全和下游群众的生命财产安全，确保在意外发生之前能提前预警，对事故预先采取有效的措施，将大坝失事所带来的损失降低。[1]
一、监测项目选定与设计
1布置原则
结合实际工程概况，遵循经济、可靠、耐久、实用、高效、先进的原则，采取统筹兼顾的方式，力求设计简单而精巧，以方便自动化系统的实施。在仪器设备埋设安装，观测读数，资料整编与分析研究等工作均严格按照《土石坝安全监测技术规范》（SL551-2012）中要求。监测项目设置强调了针对性、相互协作与同步，同一测点的仪器能够互相校正，在重要和关键的部位除了采用自动化采集之外，还采用了人工监测的手段进行校对测量结果，以保证获得准确、真实的数据资料。整个系统具有操作简单，数据反馈及时，设备易于维护等特点。
2监测项目的选定
根据《土石坝安全监测技术规范》（SL551-2012）中按照大坝的级别对各个安全监测项目的明确规定及相关要求和土石坝的实际情况及需要，拟定以下安全监测项目：
（一）变形监测：表面变形监测、内部变形监测
（二）渗流监测：坝基坝体渗流压力监测、渗流量监测
（三）水文气象监测：大坝水库上游水位、雨量、气温和气压
（四）其他监测项目：压力（应力）、地震反应监测为一般项目，可根据需要选设。
二、监测断面选择和测点布置
1测点布置
（1）表面变形监测是在大坝坝体表面布设多个固定的监测点，[2]对表面变形进行的观测。[3]在进行观测时，竖向位移和水平位移观测是相互配合进行的，同时也对上、下游的水位进行监测。按照《土石坝安全监测技术规范》（SL551-2012）中表面变形监测断面的相关选择要求和测点的布置要求规定，联合水库的地质条件、科研计算结果、技术难点研究分析成果和实际需要等特点进行布置。表面变形的观测方案可以采用的观测方法有视准线法、三角网法、测边网、测边测角网法或倒垂线法。[4]（2）内部变形监测的相关监测内容包含有分层竖向位移、分层水平位移、界面位移及深层应变观测等。[5]根据《土石坝安全监测技术规范》（SL551-2012）内部变形监测项目中断面的选择要求布置。（3）土石坝渗流观测项目包括坝体浸润线、渗流压力、绕坝渗流、渗流量及渗流水质等。（4）根据《土石坝安全监测技术规范》（SL551-2012）和土石大坝安全监测及观测资料分析的要求，有必要对土石大坝进行水文气象监测项目布置。其中主要的监测项目有上游水位观测、降雨量观测和气温观测。（5）其他监测项目布置。
2监测仪器的选定与安装埋设
监测仪器选择依据先进性、实用性、可靠性、可扩展性、环境适应性、经济性与便于安装的基本原则。
表面变形监测项目主要布设表面变形测点，测量分别使用光学经纬仪和自动安平水准仪。坝基坝体渗流监测仪器选取渗压计，在渗流量堰上水头监测中建议使用的观测仪器为超声波水位计。水文气象监测项目主要使用的仪器分别为差压式水位计、遥测雨量计、自记温度计、气压计。
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所有仪器安装均符合《大坝安全监测仪器安装标准》（SL601-2013）的相关要求。
三、安全监测自动化系统
1自动化系统的硬件功能
系统的结构
自动化系统采用分布式采集结构模式，这种模式是一种将采集工作分散到测控单元，将观测数据集中到主机管理的结构，该系统将测控单元分布在传感器较多处，而测控单元具有模拟量测量、A/D转换，数据自动存储和与上位机进行数据通讯等功能。该系统的优点是：可标准化设计，配置多变，软硬件通用，减少设备维护采购成本，由于采集站和传感器相距较近，信号的强度高，数据的可靠性好，线路传输的为数字信号，抗干扰性强。[6]
系统功能设计
A.可实时采集各类传感器中输出的信号，并且可将模拟量转化为数字量发出。B.可以管理电源，其中所含功能有转换供电源、调节电源、控制电源、可以以电池为供电电源使用，在脱机的情况下可完成采集和存储的设定。C.可在掉电发生时启动保护功能，同时时钟选项可选定任意时间进行启动。D.可使用主机的命令设定对时钟和监控参数作修改。E.可与主机互相通讯，可实现常规巡测、定时巡测、常规选测、人工测量。F.可接连接便携式仪表完成现场测量工作。[7]G.具有防雷装置。H.具有自检、自诊断功能。
2自动化系统的软件功能
网络结构及系统软件
中心站计算机网络采用基于局域网的分布式多机系统。计算机系统采用Client/Server（客户机/服务器）结构，采集工作站选用工业控制计算机，中心控制仪连接到计算机上接收所有测点信号。本系统的网络结构采用的是当今最流行的Ethernet（以太网）网技术，网络互连采用工业标准TCP/IP协议。系统的操作系统选用微软公司的Windows Server 2012操作系统，数据库管理系统采用Sybase(赛贝斯)公司的SQL Server，数据自动化采集系统采用GEOMATION（基美星）公司的2350系统。
系统软件功能设计
A.系统管理与维护：a.系统管理员（sa-role）b.系统安全管理员（sso-role）c.操作员（oper-role）； B.系统的实时监测功能；C.数据的管理与综合查询；D.报表的绘制及打印功能；E.离线分析功能；G.远程服务与在线帮助；F.测值预报功能；H. 系统软件的其它设计。
3自动化系统的系统通讯
系统中MCU与监测站之间的通讯采用无线通讯。而为了保持模拟信号量的稳定性和可靠性，传感器和采集站采用有线连接。
结语
为了对工程安全进行有效的监测，检验设计水平和施工工艺、验证理论研究成果和提高建坝水平，设置了相对完善合理的安全监测体系，形成了以自动化、现代化为标准的大坝安全监测系统。在设计中将坝体表面变形、坝体内部变形、坝体坝基渗流压力、渗流量等监测项目作为主要的监测研究项目，力求做到设计合理，监测项目有针对性，工程设置实用简单。在大量资料研究和实地调研的基础上，部分采用了更具优势和先进的安全监测手段，对大坝安全监测前沿问题展开了较为深入的研究。
参考文献
[1]《岩土工程安全监测手册》（第三版）中国水利水电出版社2013年10月1日.
[2]杨海琴等.《张峰水库大坝安全监测设计》.《吉林水利》2007年1期.
[3]祖美热.《水工程设施观测内容与方法分析》.《现代农业科技》2011年24期.
[4]《关于发布土石坝安全监测技术规范-docin.com豆丁网》http://www.docin.com/p-88034529.html.
[5]韩哲.《中小型水库土坝安全监测系统及预测分析》.《湖南大学》2011
[6]《第七章安全监测自动化.doc》.http://www.docin.com/p- 505896337.html.
[7]《郑州天诚水利信息化水库,灌区,信息化,闸门监控,自动化控制,水量调度,水情监测,水资源测控,大坝安全监测,水位雨情,泵站自动化,水资源管理,水位监测,水资源监控,水文监测,水位测量,水情测报,信息采集,移动巡检,GPS,三维,地理模型,GIS,国资管理》.
论文作者:黄飞龙
论文发表刊物:《防护工程》2018年第11期
论文发表时间:2018/10/12
标签：大坝论文; 土石论文; 项目论文; 系统论文; 水位论文; 自动化系统论文; 表面论文; 《防护工程》2018年第11期论文;