尾矿库安全监测系统设计方案.docx
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尾矿库安全监测系统设计方案
DT尾矿库安全监测系统
设计方案
（共35页）
北京数泰科技有限公司
2010年4月
DatatakerChinaLtd
北京数泰科技有限公司
1概述...........................................................................................................................................3
2目的...........................................................................................................................................3
3依据的标准与规范...................................................................................................................3
4监测项目...................................................................................................................................4
5DT尾矿库安全监测系统功能................................................................................................4
5.1系统硬件基本功能...................................................................................................4
5.2系统软件主要功能...................................................................................................5
6监测系统的组成.......................................................................................................................5
6.1现场信号监测仪器设备...........................................................................................6
6.1.1坝体浸润线及渗流监测仪器...........................................................................7
6.1.2坝体变形测量仪器设备...................................................................................9
6.1.2.1坝内位移测量仪器...............................................................................10
6.1.2.2坝面位移监测仪器...............................................................................11
6.1.2.3GPS坝体表面变形测量设备.................................................................12
6.1.3库水位及土壤含水量监测传感器.................................................................16
6.1.4干滩监测系统设备.........................................................................................18
6.1.5降雨量测量传感器.........................................................................................18
6.1.6地震监测（选用）.............................................................................................19
6.2远程监测单元（DTMCU）.................................................................................20
6.2.1数据采集器.....................................................................................................21
6.2.2电源系统.........................................................................................................22
6.2.3GPRS/CDMA无线数据传输终端......................................................................23
6.2.4防雷器件及接地装置.....................................................................................25
6.2.5密封保护机箱.................................................................................................26
6.3监测单元的配置容量.............................................................................................27
6.4监测中心数据处理与分析系统.............................................................................27
7DT尾矿库安全监测系统的先进性分析...............................................................................35
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1概述
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北京数泰科技有限公司
我国现有一定规模的尾矿库超过12,000座,每年排出尾矿近3亿吨,需要耗水3.5亿吨以上。
在这些尾矿库中正常运行的库不足70%，有的行业大约44%的库处于险、病、超期服务状态。
近年来发生了一系列的尾矿库事故，给国家、企业及广大人民的生命财产造成了巨大的损失。
我国大部分尾矿库的管理是采用人工观测，不仅观测精度受人员的经验及天气等自然因素的限制，不能进行全日实时的预警，存在安全隐患。
同时，资料数据的整理分析往往会滞后于生产运行，影响了安全生产。
随着现代高科技的发展，尾矿库的日常监测管理面临着更新换代。
具有信息化、实时化、网络化特点的尾矿库自动化监测系统的出现解决了现有的问题，投入使用自动化监测系统，可以及时直观的掌握坝体的实际动态，进行安全评价、预警预报，为加固工程设计、管理及消除隐患提供依据，为尾矿库的安全监测与管理决策提供有力支持，发挥工程效益，实现安全生产。
我公司开发的DT尾矿库安全自动化监测系统，具有功能全面、精度高、性能稳定、可靠性高、适应恶劣环境等特点，满足尾矿库实时、有效的安全监测需求。
2目的
通过对尾矿库进行自动化的安全监测，分析坝体的结构健康状态，及时发现不正常现象并提出警示，评估结构的可靠性，为尾矿库的管理与维护等提供数据依据。
3依据的标准与规范
整个系统的规范标准的制订完全遵照国家规范标准和有关行业的规定要求，参照的标准和规程规范为：
1）《尾矿库安全技术规程》AQ2006-2005
2）《尾矿库安全监督管理规定》（国家安全生产监督管理总局令第6号）
3）《土石坝安全监测技术规范》SL60-94
4）《岩土工程勘察规范》GB50021-2001
5）《岩土工程监测规范》YS5229-96
6）《碾压式土石坝设计规范》DL/T5395-2007
7）《工程测量规范》GB50026-2007
8）《国家三、四等水准测量规范》GBl2898-91
9）《国家一、二等水准测量规范》GB12897-91
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4监测项目
对于尾矿库，主要的监测项目有以下几项：
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1）坝体浸润线及渗流监测，主要针对浸润线监测点的孔隙水压，坝体渗流压力及
渗流量。
2）坝体变形监测，包括坝体内部变形和表面变形。
3）尾矿干滩监测，主要针对沉积滩的干滩长度监测。
4）水文参数监测，包括库水位及土壤含水量监测。
5）气象参数监测，包括降雨量、温湿度等。
6）地震监测，包括振动数据波形及分析。
根据实际情况，还可以增加必要的监测项目。
5DT尾矿库安全监测系统功能
由于尾矿库空间结构层次较多、野外环境复杂，想获得反映整个尾矿库安全状态的参数，必须在各个重要测点安装很多测试相关仪器设备，数据采集设备不仅具有一定远距离数据采集和传输能力，还要有适于野外长期监测的各种功能，具备准稳、低功耗、防雷、安装快捷、数据无线传输等特点。
硬件及软件系统需采用模块化、开放式结构设计，系统设计力求较高的稳定性、可靠性、灵活性、可操作性和可扩展性。
我公司按以上基本要求制定了尾矿库安全监测系统的设计方针，为尾矿库安全监测提供较全面的、最优惠的解决方案，从测量仪器设备到监测中心软件，力求整个监测系统性能稳定、可靠性高，测试精度满足要求，并可进行长期不间断地监测。
5.1系统硬件基本功能
1）可根据客户提供的监测模型，确定监测参量，配备尾矿库安全监测所需的各种测试仪器设备，满足测试项目的需求和测试精度。
2）配备远程监测单元（MCU）和其他监测设备的机箱、电缆及接口装置以符合实际监测环境，系统具有电源保护装置、避雷装置等硬件设备，把信号受干扰程度降至最低，尽量减少系统的安装误差。
3）选用适当的数据通讯方式，可采用有线和无线两种方式与监测中心通讯。
对于有线
方式，可采用一般电缆通讯或光纤通讯，可实现串口通讯、网络通讯或其他有线通讯方式。
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对于无线方式，可实现GPRS或CDMA网络通讯的数据传输，数据采用全透明方式，同时具有报警管理系统，简捷得知设备运行状况，完成远程控制的需要。
4）保障DT尾矿库安全监测系统各个仪器设备的正常运行，满足今后系统在硬件节点的增加等要求。
5.2系统软件主要功能
1）可实时监测尾矿库的各测点传感器，可自定采集时间，并对原始数据进行滤波、计算等处理,数据以数字或相应曲线、图等形式实时显示、记录和打印。
2）监测数据能够保存在多种数据库内，并可进行历史数据查询，生成选定时间段内的传感器最大最小值，还可以直接生成EXCEL或其他形式报表。
3）软件界面清晰直观，工具条与按钮操作。
以主界面和各子界面形式显示，各界面间切换灵活，界面图案可按客户要求绘制改动。
4）数据可以各种图形方式显示，包括浸润线、库水位、坝体内部变形、降雨量等的时间历程曲线图、X/Y坐标图、模拟图、直方图等形式，同时可存储与处理视频图像。
5）具有数据越限报警设置显示功能，现场即时上传报警信息时，主机会出现明显的报警画面和报警信息，同时还可提供各种声光报警等多媒体提示或手机短信报警。
6）能对系统中的每一用户进行口令和操作权限的管理，能对不同的用户分配不同的系统访问、操作权限级别。
用户登录后的操作将写入系统日志，保障运行系统的安全性。
7）系统满足开放性标准的要求，方便系统功能的添加、删除、维护、修改、扩展。
兼容当前流行的多种数据库，包括Access、SqlServer、Oracle，并满足数据库容量的扩充、系统软件功能的增强等方面的要求。
6监测系统的组成
DT尾矿库安全监测系统主要由现场信号监测仪器设备、远程监测单元、监测中心数据处理与分析三部分构成。
技术构架图如下所示：
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6.1现场信号监测仪器设备
现场监测仪器设备按监测项目参数的性质主要有以下六个部分：
1）坝体浸润线及渗流测量传感器，可采用孔隙水压力计结合量水堰计。
2）坝体内部变形测量传感器，可采用固定式测斜仪。
坝体或地表变形位移测量，可采用水平、沉降位移传感器或GPS位移监测系统。
3）库水位测量传感器，可采用适于水位量程的水位计。
土壤含水量测量可选用含水计。
4）干滩长度监测系统，采用GPS高程监测系统结合水位计。
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5）对于气象测量，降水量的测量可采用雨量计。
其他气象仪器还有温湿度计等。
6）地震监测设备（根据实际地带选用），可采用振动加速度计及地震数据记录仪。
以下介绍了一些可应用在尾矿库安全监测系统中的性能可靠的监测仪器设备，在实际应
用中还可根据实际的环境、范围以及使用成本选用适合的仪器。
6.1.1坝体浸润线及渗流监测仪器
1）坝体浸润线的监测对于坝体浸润线的监测，一般选择尾矿库坝上最大断面或者一旦发生事故将对下游造成
重大危害的断面为监测剖面。
大型尾矿库在一些薄坝段也应设有监测剖面。
每个监测剖面应设置5个以上的监测点，并应根据设计资料中坝体下游坡处的孔隙水压力变化梯度灵活选择监测点。
一般采用在坝体内钻孔埋设测压管的形式进行监测，测压管内放入孔隙水压力传感器，实时采集管内水位数据，根据监测到的数据，由系统软件自动绘出坝体浸润线分布状态，并对浸润线，在超出设定或发生突变时及时给出预警、预报。
可选用加拿大ROCTEST公司的PW系列弦式孔隙水压力计测量孔隙水压力。
PW型孔隙水压力计是一个振动膜压力传感器，传感元件是把柔软的压力膜焊接在坚固的圆柱体空腔上而组成的，除振弦外的所有部分都是由高强不锈钢组成，高强度的振动弦一端夹在膜的中间，其另一端夹在空腔的另一端，在制造过程中振弦预紧到一定的张力状态然后密封确保寿命和稳定。
传感器安装有防水保护：
防水接头、陶瓷、带O型线圈的防水头见下图。
使用过程中，压力导致膜的变形而使弦的张紧度和共振频率改变，采用孔隙水压力计的压力计算公式便可以计算压力。
PWL型孔隙水压力计直径较小，可以安装在土体和混凝土中或者安装在钻孔中，甚至直径小到38mm的管内。
孔隙水压力计内有压力传感器和温度电阻（下图），其一端装有高通或低通过滤器，另一端是电缆接口，用环氧密封。
所有部件都由不锈钢制造而成。
孔隙水压力计的过滤器用O型线圈密封，由于有过滤器的隔离作用，压力膜可以免遭外界微小
颗粒的破坏，传感器就仅仅可以测量到液体的压力。
在需要率定和浸润饱和时过滤器可以很
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容易卸开，当作为压力传感器使用时，可以用管螺纹接头代替过滤器。
技术规格见下表。
测量范围
0.1~70Mpa或15~10000psi
分辨率
0.01μs或0.1L.U.（MB-6TL）
0.1Hz.（PALMETOVW）
0.1℃
精度
±0.1%F.S.（±0.5%和±0.25%选项）
温度飘移
±0.1%F.S./︒C
最大超载
两倍量程范围
型号
PWSPWPPWCPWF
外壳
袖珍型推进式EW螺纹螺纹式厚壁式
材料
不锈钢
外径（mm）
19331928
长度（mm）
200260213225
透水石
50微米低气压烧结的不锈钢式
16微米高气压的陶瓷式
测量范围
-40~65︒C
精度
±0.5%F.S.
热感应电阻热常量
1分/︒C（2分/︒F）
电缆
标准
双绞线22AWG，IRC-41屏蔽式
备选
双绞屏蔽线，中心有合成纤维（2PK-13或2PK-15）
浸润线监测仪器埋设位置的选择，应根据《尾矿库安全技术规程》（AQ2006－2005）中规定的计算工况所得到的坝体浸润线位置来埋设。
2）坝体渗流监测坝体渗流监测主要包括渗流压力和渗流量的监测，应根据坝型和坝基地质条件、渗漏水
的出流和汇集条件以及所采用的测量方法等确定渗流量监测仪器的布置。
对坝体、坝基、绕渗及导渗（含减压井和减压沟）的渗流量，应分区、分段进行测量，所有集水和量水设施均应避免客水干扰，对排渗异常的部位应专门监测。
当下游有渗漏水出逸时，应在下游坝趾附近设导渗沟（可分区、分段设置），在导渗沟出
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口或排水沟内设量水堰测其出逸（明流）流量。
当透水层深厚、地下水位低于地面时，可在坝下游河床中设测压管，通过监测地下水坡降计算出渗流量。
渗流压力可以使用孔隙水压力来测量，渗流量的测量一般采用量水堰计。
推荐一款国产量水堰计。
该量水堰计适用于长期测量河流、湖泊、水库、坝体堰槽、坝体测压管等的水位，是监测水位变化稳定性好的监测设备。
量水堰计采用磁光编码原理进行测量，其测量精度高、稳定性好、没有温漂和时漂的影响，信号可接入远程监测单元或直接接入计算机，实现水位变化的自动监测。
主要技术参数：
测量范围：
mm
0～800
灵敏度：
mm
≤0.5
测量精度：
F.S
±0.1%
信号输出方式：
格雷玛，RS485
报文方式：
自报,招测
组网数量：
台
20
调试方式：
自带显示屏，地址码和波特率自设定
6.1.2坝体变形测量仪器设备
尾矿库坝体形变是在某一时间段内发生的位移速度比较缓慢的水平方向、垂直方向沉降的变形。
由于溃坝形式有浅层滑动、深层滑动和整体滑动等多种形式。
因此，可设置坝内位移和坝面位移监测，形成坝体空间位移监测网络。
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6.1.2.1坝内位移测量仪器
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尾矿坝深部位移测量孔位置示意一尾矿坝深部位移测量孔位置示意二
对于坝体内部变形，一般在最大坝高处、地基地形地质变化较大处均布置监测剖面。
每
个剖面上根据坝的高矮，在坝坡表面从上到下均匀设置4～6个监测点。
最下面一个点应设置在坝脚外5～10m范围内的地面上，以用于监测尾矿坝发生整体滑动的可能性。
可选用美国AGI公司的906littledipper双轴固定测斜仪来测量坝体内部变形。
906littledipper双轴固定测斜仪由一个玻璃瓶和装入瓶内的5个内置电极组成，当传感器倾斜时，电极的浸入深度不同，电极之间的直流电阻就不同，因而四个象限的电极就可以测量平面X和Y方向的倾斜。
输出信号为直流电压，并且和倾斜量及温度成正比。
固定测斜仪可以多个串接安装，固定测斜仪的导向片可以用于保证传感器在管内的安装方向，通常
安装在孔深小于45米的浅孔内监测结构位移。
主要技术参数见下表。
轴数
2
分辨率
20弧秒（0.01mm/m）
角量程
±12.5°
响应时间
0.15秒
工作温度
-10°~+50°
输出电压
±2.5VDCor0-5VDC
比例因子
大约4°/V
温度传感器
输出为0.1℃/mV，0mV=0℃精度：
±0.75℃
输出电阻
270ohms，短路保护
电源要求
8~24VDC/7mA，最大纹波Vp-p=250mV
外部连接
多芯镀锡铜线电缆
尺寸及重量
33mm×208mm，最大规格长3米
现场安装示意图及906littledipper双轴固定测斜仪图片如下：
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