浅析石门子水库大坝安全监测系统运行维护与信息化远程控制衔接

浅析石门子水库大坝安全监测系统运行维护与信息化远程控制衔接

石梅

新疆维吾尔自治区昌吉回族自治州玛纳斯县水利局河湖管理中心

摘要：石门子水库建设于上世纪九十年代，是国内碾压混凝土拱坝在高寒地区建设的成功运用典型代表。工程建设期间即同步埋设安装了安全监测设施设备。经过近二十年的运行，部分设备老化，无法正常运行，且由于水利信息化的要求，部分功能不猛满足要求。为确保大坝安全监测的有效进行，投入300余万元对部分设施进行更新。通过该工程的实例，提醒工程建设者们，新建水利工程的安全监测设施设备尽量考虑一次性投入，尽量考虑与工程寿命一致，避免后期运行过程中设备更新等造成的资金投入。

关键测：石门子水库 安全监测系统 远程信息化控制

一、基本情况

石门子水库位于新疆昌吉州玛纳斯县西南塔西河中上游河段，距县城南62km。水库为塔西河梯级开发的第一级工程，以灌溉为主，兼顾防洪、发电，是一座综合利用的中型水利枢纽工程。工程的主要建筑物由碾压混凝土拱坝（主坝）、粘土心墙副坝、导流兼引水发电隧洞、电站厂房、坝顶溢洪道、坝身泄水孔等建筑物组成。

碾压混凝土拱坝坝高109.0m，坝顶弧长169.5m，坝顶宽度5.0m，厚高比为0.273，拱坝上游面略向下游倾斜，为碾压混凝土薄拱坝。水库设计正常蓄水位1390m，死水位1356m，校核洪水位1391.55m，总库容5010万m3，装机容量7.65MW，地震设计烈度为8度。农业灌溉土地面积54万亩，可供39000人安全饮用清洁水。

石门子水库拱坝工程等级为二级，是设有新型构造措施的碾压混凝土高拱坝，坝基岩体为软化系数不高的含有泥质胶结成分的棕红色砾岩，右坝肩岩体中有f6断层切割，左坝肩岩体中有f10断层切割，对坝肩稳定有影响。此外，坝址还处于寒冷地区及强地震区等不利条件。在上述复杂条件下，设置了原型观测设施对大坝进行安全监测，包括坝体外部变形观测、岩体变形观测、渗流观测、坝体应力应变观测和动力观测进行布置。

二、运行状况与问题

（一）监测设备与采集传输系统故障

从安全监测系统安装初期至今的观测测数据来看，安全监测仪器布置及运行情况良好，个别传感器失效无法获取数据。观测站自动化数据采集传输系统于2015年8月出现无法自动传输数据的故障，但工作人员携带计算机还可以到采集仪直接读取数据，但一年后就完全不能读数。主要存在问题如下：

1.坝体变形观测

主坝坝顶观测墩高度较低，坝顶不锈钢栏杆高于观测墩，导致视线遮挡，观测时利用脚手架辅助引出观测点，易造成观测误差。主坝下游坝面上有6个观测点，相应的2个工作基点位于主坝下游河道两岸，由于地形和树木的遮挡，无法正常通视。坝体垂线装置采用人工读数，精度较低、观测频率低且耗时耗力。

2.量水堰

大部分量水堰堰板锈蚀，堰板两侧水泥砂浆不平整并有钙质沉积物堆积，影响量水堰观测精度，排水沟内局部钙质沉积物堆积较多。1350m高程抗滑灌浆排水洞内有2个量水堰，该洞与其他排水洞无直接联系，量水堰采用人工读数，需要工作人员每天上山观测，精度较低、观测频率低且耗时耗力。

3.测压管

由于设备故障问题于2017年全部进行了压力表和渗压计更换，但更换后的压力表和渗压计仍无法正常自动传输，水库管理站进行了多次故障查找，但一直未找到原因，目前采用人工读数。1350m高程抗滑灌浆排水洞内有2个测压管，由于该洞与其他排水洞无直接联系，需要工作人员每天上山观测，精度较低、观测频率低且耗时耗力。

4.地表地下水观测孔

地表地下水观测孔分布于库区山体上，需要工作人员每天上山观测，人工读数精度较低、观测频率低且耗时耗力。目前1号、5号和8号地下水观测孔内堵塞。

5.岩体测斜孔

右坝肩f6断层两侧各有1个测斜孔，位于右坝肩岩体上，2个测斜孔共用1台滑动式测斜仪，采用人工读数。设备沉重，上山路径不便捷，且人工读数精度较低，工作量大且数据及时性不能满足大坝安全监测需要，长期无现场监测数据。

6.加速度计

1340m高程交通廊道和右坝肩1394m灌浆排水廊道内的2组三向加速度计都已失效。

7.观测站

由于设备长期处于潮湿的环境中，导致采集仪电路板出现锈蚀短路等情况，2015年后观测站数据无法传输至水库管理站，需要携带电脑到观测站读数，2016年后观测站彻底无法读数，停止使用。

数据自动采集传输装置停止使用后，目前仅对库水位、量水堰、测压管、垂线、地下水位进行人工观测，需要携带设备，操作不方便，测量精度不够且不能实时监测和传输数据。

（二）集水井与闸门无远程自动控制装置

1289m高程灌浆排水廊道内的集水井汇集1289m和1340m高程两层廊道的渗漏水量，每天需人工开启和关闭水泵，无自动控制和水位超限报警装置。

溢洪道与底孔的闸门控制目前采用现场控制的方式，不能远程进行监控，增加了防洪安全管理的难度，无法保证闸门管理的及时性、实时性和安全性。

（三）未接入上一级信息管理平台

水库现有安全监测系统相对处于独立、分散的状态，没有形成统一的数据接收、数据管理和信息服务上报体系。由于信息采集范围小，外部相关的信息未能实现共享，本地的应用系统无法满足生产运行的需要，信息化管理水平还需改善和提高。目前州、县水利信息管理系统平台已建立，石门子水库信息也需接入管理信息平台，形成全县、全州、全区乃至全国的水利信息化整体，实现资源共享、统一管理、统一标准。同时，还需要联系相关的业务管理部门，如气象局、电力公司、安全联防、交通指挥等部门，实现信息共享与互联互通。

三、目前水利信息化发展方向

新一轮信息化浪潮正在席卷全球，各行业的管理模式与服务方式都发生了深刻的改变。随着“云物移大智”即云计算、物联网、移动互联网、大数据、人工智能等新一代信息技术的广泛普及和深度应用，信息现代化，行业数字化，是社会发展的必然趋势。经过20年的发展，科学技术发生了巨大的进步，推动了智能观测设施的发展，各种电子测量仪器相继出现，突破了传统仪器的测量范围和精度，可以精确、自动的测量。加之网络技术的发展，能够实现快速、实时的数据传输。因此，通过监测系统改造与升级更新，达到以下要求：

先进性：系统的自动化功能、技术性能和总体技术水平满足现有先进水平；

准确性：系统监测项目的监测准确度满足安全监测的要求；

适用性：数据采集和传输方式满足大坝正常情况和非正常情况下安全监测的需要。

四、系统改造与升级更新措施

石门子水库大坝安全监测系统于1999年开始建设，于2002年开始投入使用，石门子水库安全监测系统已运行20年，由于设备故障，此次设计根据目前监测系统情况对其进行改造与升级。

表5-1  安全监测系统需改造升级的设备汇总

通过改建观测墩、增装固定式CCD垂线坐标仪、设置深部位移监测站、更新振弦式渗压计、振弦式量水堰计、建立地下水位监测站等设施，接入库水位监测雷达水位计、库水温监测设施温度计，增装智能型、多通道、多功能化的地震和振动监测仪，及接入水雨情测设系统，集水井自动化控制装置，自动化数据采集与传输系统，实现远程监控。PLC控制器在水闸启闭系统中，通过网络传输，可以实现远程中央计算机的监控。减轻人员的劳动强度，实现集控室的远程监视并相应进行相应操作即可，现场不需值班人员，只需不定期巡视，减少了劳动强度。技术先进，稳定可靠，闸门定位精度高，避免了人为误操作等可能造成的设备损坏，增强了系统运行的安全性，可以保证系统稳定可靠地运行。

实时与远程计算机进行数据交互。大坝安全监测自动化系统由监测设备、采集仪、计算机及配套软件组成，要求布置在现场的监测仪器设备能够在恶劣环境下长期可靠运行，有备用电源，有可靠的防雷抗干扰保护措施，可采用多种通讯方式，便于系统组成和扩展。实现以下几方面功能：

（1）监测功能

能够对水库大坝坝体位移、岩体位移、渗流、应力应变、温度等进行监测，具备合适的量程和精度，满足大坝安全监测指标控制要求。

（2）存储功能

系统具备数据自动存储和数据自动备份功能，同时实现现地存储和远程存储。在外部电源突然中断时，保证内存数据和参数不丢失。

（3）显示功能

系统能显示监测布置图、过程曲线、监测数据分布图、监测控制点布置图、实时反映数据异常情况以及监测设备工作状态的报警提示窗口等。

（4）操作功能

从现场管理计算机上可实现监视操作、输入／输出、显示打印、报告现在测值状态、调用历史数据、评估运行状态；根据程序执行状况或系统工作状况发出相应的信息；修改系统配置、系统测试、系统维护等。

（5）管理功能

监控主机具有监测数据监视操作、输入/输出、显示打印等一般管理能力，存储系统所有监测数据，对监测数据的原始测值进行初步处理，供运行人员进行浏览、检查、绘图、打印等，并有数据越限报警功能。

（6）通讯功能

系统应具备数据通讯功能，包括数据采集装置与水库管理站的计算机之间的双向数据通讯，以及管理站同系统外部的网络计算机之间的双向数据通讯。

（7）安全防护功能

系统应具有网络安全防护功能，确保网络安全运行。

（8）自检功能

系统具有自检能力，对现场设备进行自动检查，能在计算机上显示系统运行状态和故障信息，以便及时进行维护。

（9）系统供电

系统采用220V交流电源或太阳能电池。地下水位观测站和深部位移观测站配备太阳能装置和蓄电池，能保证现场监测单元在每天采集2次的频次下至少连续工作7天。

（10）系统应具有较强的环境适应性和耐恶劣环境，具备防雷、防潮、防锈蚀、防鼠、抗振、抗电磁干扰等性能，能够在潮湿、强电磁干扰条件下长期连续稳定正常运行。

（11）人工比测

系统应具有方便可操作的人工比测专用设备，以满足规范对于人工比测的要求。备有与便携式检测仪表或便携式计算机通信的接口，能够使用便携式检测仪表或便携式计算机采集检测数据，进行人工补测、比测、获取测站暂存数据，防止资料中断。

结语：通过以上措施，在工程运行阶段结合进行经常的及特殊情况下的巡视检查和观测工作，对监测系统和全部观测设施的检查、维护、矫正、更新、补充、完善，以及监测资料的整编、监测报告的编写和监测技术档案的建立。另外，水库管理单位还应根据巡视检查和观测资料，定期对水库的工作状态进行分析和评估，为水库安全鉴定提供依据。通过信息化改造，方便了上级管理部门及时掌握水库运行状况，为上级部门正确决策提供了依据和保证。实现资源共享，提高水利工程现代管理水平。系统的建成，提高了信息的可靠性和科学性，促进了信息交流和资源共享，同时也提高了水利工程现代化管理水平和工作效率。

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