尾矿库在线监测项目.docx

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尾矿库在线监测项目

尾矿库南副坝在线监测

及主坝监测系统扩展方案

2012年11月

一、前言

金矿尾矿库坝体底部地势起伏较大，主坝初期坝基长104m，现主坝顶长已经超过600m，造成大坝整体稳定性较差。

南部副坝长200米，三面环山的地形造成库区汇水面积达到1.45Km2，远远超过库区面积。

周围汇水区域内的山坡土壤渗透性能分布较为复杂，造成在一定降水条件下汇水区域内，地面径流和地下径流量及汇水时间分析较为困难。

其中，主坝已于2010年设计安装尾矿坝在线监测系统。

本项目的主要内容是对原尾矿库在线监测系统的扩展及南部副坝的在线监测。

2执行技术标准

《尾矿库安全技术规程》（AQ2006-2005）

《选矿厂尾矿设施设计规范》（ZBJ1-90）

《尾矿设施施工及验收规范》（YS5418-95）

《土石坝安全监测技术规范》（SL60－94）

《降雨量观测规范》（SL21-2006）

《视频安防监控系统工程设计规范》（GB50395-2007）

《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）

《岩土工程监测规范》（YS5229-96）

《碾压式土石坝设计规范》（DL/T5395-2007）

《碾压式土石坝施工规范》（DL/T5129-2001）

《工程测量规范》（GB50026-2007）

《国家三、四等水准测量规范》（GB/T12898-2009）

《国家一、二等水准测量规范》GB/T12897-2006）

《尾矿库安全监测技术规范》（AQ2030-2010）

3主坝监测扩展方案

原监测系统的传感器在主坝5~6个断面进行布置，同时浸润线位置、库区水位、坝体位移、滩顶高度与降雨量、库水位监测、干滩长度监测、坝体位移监测、坝体内部孔隙水压力监测、浸润线监测、构筑物变形监测、渗流水量及浑浊度监测、暗渠稳定性监测等，采集后由总线传输到自动采集箱，然后由无线传输模块传输到电脑控制中心。

其中，浸润线监测点为12个；浸润线监测点共计48个。

静力水准仪1套，分别设置6个变形监测点和1个基准点。

测斜仪布置4个断面，共9个监测点；沉降观测点3个；水位观测点1个；库水位观测点1个；排水构筑物稳定性监测系统；渗流水量监测系统，共计传感器80个。

《尾矿库安全监测技术规范》要求：

堆积坝坝顶、初期坝上游坡底、下游排水体前缘各布置l条铅直线，其间部位每20～40m布设1条铅直线，因现在堆积坝坝顶距安装的监测点已经新筑4级子坝，宽度超过40米。

因此设计在原断面基础上新增加2排渗压传感器，新增加传感器采用同原安装传感器相同通信协议，融入原系统。

4副坝监测系统

4.1系统组成

系统由库区传感器、数据采集装置、库区信号接收及处理装置、库区机房及计算机管理系统、光纤信号传输装置、企业调度指挥中心五部分组成。

其中：

企业调度指挥中心平台接收光纤网络传输的数据，实时通过软件管理平台展示相关信息及管理预警信息，处理结果等自动存储备份。

系统已建立开放的数据接口，通过专线网络或带宽允许的情况下走公用互联网，根据政府监管部门需要，适时接入或远程查看支持专家在线功能。

系统拓扑图

4.2监测剖面选择

选择原则根据尾矿库安全监测技术规范，坝体位移监测断面选在最大坝高断面、合拢段、有排水管通过的断面、地基工程地质变化较大的地段及运行有异常反应处。

坝体渗流压力监测横断面宜选在最大坝高处、合拢段、地形或地质条件复杂坝段；监测横断面上的测点布置，根据坝型结构、断面大小和渗流场特征确定，按照《尾矿库安全监测技术规范》AQ2030-2010确定。

4.3监测剖面及监测点总体布置

坝体竖向位移监测：

布置3个监测断面，每个监测断面在初期坝顶布设静力水准仪1台，在坝体外稳定的岩土体上设立3个基准点，共计6个传感器；

坝体内部水平位移监测：

建立3个测点，每个测点安装3个测斜仪，共计9个传感器；

浸润线监测：

建立三个监测断面，共布置6个监测点，6个传感器，每个观测点深度必须要求在浸润线以下1.5m~2m保证传感器的正常工作。

库区水位监测：

布置1个水位传感器，测点布置在1号溢水井处；

雨量监测：

建立1个监测点，测点布置在尾矿库区；

干滩监测：

建立15个观测点；

视频监控：

建立3路视频监测点，监控区域包括溢水井、干滩区域、拦洪坝、库区水位、坝体全貌、排水口等区域。

4.4坝体表观竖向位移监测设计

4.4.1《尾矿库安全监测技术规范》要求

断面选择和测点布置：

监测断面宜选在最大坝高断面、有排水管通过的断面、地基工程地质变化较大的地段及运行有异常反应处。

初期坝顶和后期坝顶各布设一排，每30～60m高差布设一排，不少于3排。

测点的间距，一般坝长小于300m时，取20～100m；坝长大于300m时，取50～200m；坝长大于1000m时，取100～300m。

各种基点均应布设在两岸岩石或坚实土基上。

4.4.2总体设计

对坝体位表观位移监测，采用静力水准仪对尾矿坝表面的竖向沉降进行监测。

在最大坝地基地形地质变化较大处，均参照《尾矿库安全监测技术规范》（2005-2006）（AQ2030-2010）布置监测剖面保守参照值，在初期坝顶设置3个位移监测点，在坝体周围稳定山体上选取一个基准点。

4.4.3竖向位移监测设备选型

竖向位移监测设备选用TS-JL10型静力水准仪，其主要技术参数如下：

量程：

200mm

分辨率：

0.01mm

温度范围：

-50℃~80℃

外围尺寸高：

800mm

4.4.4位移传感器安装

（1）测点选择

设备到场后采用大地引进基准法，将基准点固定在坝体以外相对尾矿库稳定的岩土体上。

测量点布设在三个监测断面的初期坝顶处。

（2）安装要求

基准点确定后采用混凝土桩埋入地表下0.5m或直接安装在基岩上，土层则要求穿过冻土层，固定方式采用预埋地脚螺栓固定。

4.5坝体内部位移设计

4.5.1《尾矿库安全监测技术规范》要求

监测断面的布置应视尾矿库的等别、坝的结构型式和施工方法以及地质地形等情况而定，宜布置在最大坝高断面及其它特征断面（原河床、地质及地形复杂段、结构及施工薄弱段等）上。

每个监测断面上布设1～3条监测垂线，其中一条布设在坝轴线附近。

监测垂线的布置应尽量形成纵向监测断面。

监测垂线上测点的间距，应根据坝高、结构形式、坝料特性及施工方法与质量等而定，一般2～10m。

每条监测垂线上布置3个测点。

最下一个测点应置于坝基表面，以监测坝基的沉降量。

有条件时，可参照上述要求布设内部竖向位移监测。

4.5.2总体设计

建立3个测点，每个测点安装3个测斜仪，共计9个传感器。

4.5.3设备选型

竖向位移监测设备选用TS-CX10型滑动式测斜仪，其主要技术参数如下：

量程：

±30°

精度：

0.01°

使用温度：

-30℃～80℃

安装方式：

埋入式

坝体内部水平位移计算方法：

一般计算公式：

Si=Li×Sin（a+b×Fi+c×Fi2+d×Fi3）

式中变量：

Si—被测结构物在第i点与铅垂线（水平线）的倾斜变形量，单位为mm；

Li—第i支固定测斜仪两轮距间的标距，单位为mm；

Fi—第i支固定测斜仪的实时测量值，单位为F；

a﹑b﹑c﹑d—第i支测斜仪的标定系数。

4.5.4安装方法

第一步测点确定，利用勘探钻机打孔，孔径要求直径为89-110mm，孔深视具体地质条件定，孔底深入基岩不小于2m。

成孔完成后在孔内安装70mm直径的ABS测斜管。

安装侧管时底部要求锥形底座安装，防止泥沙涌入管内，侧管垂直安装，接出地表200mm后利用混凝土四周防护顶部加装盖板。

第二步将测斜仪导向轮对应测斜管倒槽垂直向下安装，对应方向为坝体下游方向。

第三步传感器初始值测试，利用便携式读数仪测读当前传感器的现有度数，利用读数仪进行传感器的初次调零，调零后传感器进行三次测试三次测试结果显示为零时表明传感器调零完毕即可连接系统进行正常数据监测。

4.6浸润线监测设计

浸润线即渗流流网的自由水面线，浸润线监测的目的是为了了解尾矿坝坝体内浸润线的位置和变化情况，以判断坝体是否处于稳定状态，确保坝体的安全运行并验证设计。

浸润线的高度直接关系到坝体稳定及安全性状，浸润线高于设计要求时，尾矿库随时都有塌垮的危险。

因此，对于浸润线位置的监测是尾矿库安全监测的重要内容之一。

4.6.1《尾矿库安全监测技术规范》要求

监测横断面宜选在有代表性且能控制主要渗流情况的坝体横断面以及预计有可能出现异常渗流的横断面，一般不少于3个，并尽量与位移监测断面相结合。

监测横断面上的测点布置，应根据坝型结构、断面大小和渗流场特征确定。

宜在堆积坝坝顶、初期坝上游坡底、下游排水体前缘各布置l条铅直线，其间部位每20～40m布设1条铅直线，埋深参考实际浸润线深度确定。

在渗流进、出口段，渗流各向异性明显的土层中，以及浸润线变幅较大处，应根据预计浸润线的最大变幅沿不同高程布设测点，每条铅直线上的测点数一般不少于2个。

4.6.2总体设计

在3个监测断面上，共布置6个监测点，6个传感器，每个观测点深度必须要求在浸润线以下1.5m-2.0m保证传感器的正常工作。

传感器的水平间距不大于40m；

4.6.3设备选型

选用TS-SY06型渗压计，其主要技术参数如下：

量程：

0.6Mpa

分辨率：

0.01KPa

温度范围：

-20℃～80℃

4.6.4传感器安装

在3个监测断面的初期坝顶处每个测量点上先打ф89mm孔，将ф63mm测压管（塑料管PVC）埋入孔中，测压管的透水段长2m，外部包扎足以防止周围土体颗粒进入的无纺土工织物，透水段与孔壁之间用反滤料填满。

测压管的导管段应顺直，内壁光滑无阻，接头应采用外箍接头。

管口应高于地面，并加防止雨水进入和人为破坏的保护装置。

随坝体堆筑施工埋设时，应确保管壁与周围土体结合良好和不因施工遭受破坏。

4.7水位监测

4.7.1《尾矿库安全监测技术规范》要求

库水位监测点的布置根据坝型、筑坝及排尾方式确定，设置在库内平稳水位，并能满足工程管理和监测资料分析需要的地方，布置在库内排水构筑物（排水井、排水斜槽等）上。

4.7.2测点布置

根据规范要求测点布置选择在水位波动比较平稳地段，由于库区水质存在大量的腐蚀沉淀物再测点布置时使用直径70mm的ABS透水管，管的高度原则上高于现有水平面即可，管底口密封，采用PVC螺纹帽进行泥沙的防护并且利用标识牌标识所在位置，以便后期维护安装。

安装时要求传感器垂直固定，传感器低端采用透水石过滤防止堵塞。

4.7.3设备选型

选用TS-SW03型水位计，其主要技术参数如下：

量程：

30m

分辨率：

0.01mm

精度：

0.1m（无气压校正）；0.01m（大气压校正后）

温度范围：

-50℃～80℃

4.7.4传感器安装

确定好安装位置，传感器安装之前对传感器进行初步校准，垂直固定到被测点位置，传感器外部采用直径70mm的ABS透水管，管材底部要求埋入水下1m位置固定，管口要求高于现有水平面。

传感器安装好以后，进行自校准确定初始水位高程即可正常使用。

4.8.1测点位置

尾矿库降雨量是影响其安全的最重要的环境因素，在排水井处设置一个（也可在固定在建站房顶部）监测点，要求视线开阔上部无遮挡，放置雨量计。

通过雨量计自动获取雨量数据，以及根据降雨量的情况预测库水位发展变化趋势，绘制历史曲线图。

4.9干滩监测

4.9.1《尾矿库安全监测技术规范》要求

尾矿库滩顶高程的测点布设，沿坝（滩）顶方向布置测点，当滩顶一端高一端低时，应在低标高段选较低处监测2个点。

滩顶高程测量误差小于2mm，各测点中最低点的标高作为尾矿库滩顶标高。

滩顶高程根据滩顶上升情况，定时做好检测，随时掌握滩顶高程，汛前必须检测一次。

4.9.2测点布置

沿滩顶均匀布设3个监测点。

4.9.3设备选型

选用TS-CJ02型物位计，具体参数如下：

分辨率：

1mm

测量范围：

30m

电子部分精度：

满量程+/0.25%

工作温度：

一体式-50℃~80℃

4.9.4安装方法

确定测点位置采用立杆固定安装。

立杆高度不小于3米，采用底座固定安装方法安装。

管材上端处突出固定支架安装传感器，传感器固定好利用自校准方式进行调零测试。

4.9.5干滩长度预警值设置

为了能对潜在的危险进行有效的可靠预警，干滩长度的三级预警阀值按大于３等尾矿库最小干滩长度、３等尾矿库最小干滩长度、４等尾矿库最小干滩长度值三个等级确定。

干滩长度预警值

报警值类别

颜色指示

干滩长度

一级预警

黄色预警

100M

二级预警

橙色预警

70M

三级预警

红色预警

50M

4.10尾矿库运行状态影像监控

在初期坝顶、回水泵房等处设置4台高清摄像机，通过现场摄像头实时拍摄并快速传输至控制室的显示屏幕上，能够直观的显现尾矿库放矿及筑坝运行等情况。

存储服务器采用先进视讯硬盘录像机，要求影像数据存储时间不小于60天。

5系统功能

数据发送到监控中心，软件自动对测量数据进行换算，直接输出监测物理量利用光纤网络进行数据传输或者内部局域网方式，完成对传感器数据的采集和监控。

传感器通过光纤接入INTERNET网，软件可设置上限报警命令，手机短信报警能够时时掌控，PC接入INTERNET网络就可进行数据采集和监控。

5.1数据采集终端软件

数据采集终端软件是通用的管理各种采集库水位、浸润线、孔隙水压力、坝体位移、渗流视频等监测设备的信息系统。

数据采集终端软件负责配置采

集设备的基本信息及采集频率，即支持定时采集，又采用主动式触发数据发送模式，即保证了数据的实时性，又保证了数据的有效性。

在系统初始化的过程中，数据采集终端软件可以快速的完成设备的调试工作。

5.2信息发布平台

信息发布平台主要功能包括在线监测、数据分析、矿方管理、预报预警系统管理五大部分。

在线监测：

以尾矿库平面图、模拟数据图在线视频等多种方式，全方位体现出尾矿库的实际运行参数情况，保证了监测信息全面、及时、准确。

数据分析：

针对尾矿库运行中的各项指标集中分析，提供了历史数据查询及多个安全指标数据对比的功能。

矿方管理：

对尾矿库及其相应的预案信息、基础资料、周边环境、数据报表等进行集中管理，使矿方在尾矿库管理上更加信息化、自动化。

预报预警：

实时分析和解读各监测数据，做出单项或多项对比报警功能，对出现的预报预警情况进行在库区机房声光报警和联动短信群发平台，并在预报预警的处理过程中建立消除机制，保证预报预警得到及时的处理。

系统管理：

为信息发布平台提供了良好管理支持，使信息发布平台更加灵活、更易扩展。

系统软件功能结构

5.3巡检管理系统

巡检管理系统包括系统管理、设备管理和采集管理三大部分。

主要负责采集设备的管理和设置。

系统管理：

对设备的预警信息进行详细的设置，数据备份为用户提供定时的数据自动备份保证了数据安全。

设备管理：

对所有的采集设备进行统一的管理，在管理上更加集中、方便。

可实时检测各个设备的运行状态，发现异常，及时在库区机房主机上声光报警。

采集管理：

对系统采集的原始数据进行了集中预处理，使其在信息发布系统中更加快速、直观的展示。

采集管理提供了很强大的扩展功能，使整个系统能够更好的兼容各种采集设备，具有良好的扩展性及兼容性。

5.4预警方法及预案管理

基于矿山企业尾矿库的安全管理系统，在尾矿库的运行过程中，除了应及时掌握各种监测技术指标的最新数据外，还要有尾矿库安全与否的预警技术和响应方法。

结合尾矿库定量安全评价方法，通过对尾矿库运行期的安全评价和监测指标数据安全度分析后，可以建立尾矿库运营管理的预警技术和响应方法。

6防雷系统

6.1直击雷防护

在设备的最高处单独布设全局覆盖的避雷针，避雷针具备提前放电功能。

提前放电避雷针主要激发器从自然界的电场中吸收并贮存能量，避雷针针尖与大地有良好的电气连接，处于等电位状态。

雷电发生前，电场强度会迅猛增大，激发器与针尖之间的电位差大致相当于雷云与大地之间的电位，它们之间的电压降迅速增加会造成尖端打火，并使尖端周围的空气离子化，形成尖端放电现象，从而产生一个早期的上升先导去引导，改变雷云的向下先导的走向，将落雷点精确的引到自身上来并迅速、安全地将雷电泄放到大地，避免了传统避雷。

采用传统避雷针作为直击雷防护装置也是较常见的方式，提供可靠的保护并且不影响正常的设备使用通信，避雷针的保护半径和设备线缆的布置

滚球法计算避雷针的保护半径：

rx=h（2hr-h）－hx（2hr-hx）

式中：

rx—避雷针在hx高度上的保护半径（m）；

h—避雷针高度

hr—滚球半径（m），按照二类防雷建筑的规范取hr=45m；

hx—被保护物的高度（m），比如天线的高度。

所有现场设备及线缆的位置，确保处于按照上述方法计算得出的避雷针在相同高度上的保护半径之内。

天线的安装位置，滚球法计算确定而处于接闪器的保护半径之内。

天线位置与接闪器的保护半径的确定。

接闪器和天线的布置图

避雷针高度h=2m，天线高度视通信需要而定，若天线高度需要hx=1m，将上述条件代入滚球法计算，则rx=1.2m，一组1m高的天线，距离塔杆1.2m，避雷针至少要高出天线顶端1m以上；或换言之，一组10m高的天线，当避雷针高出天线顶端1m时，天线距离塔杆不能超过1.2m，基于接闪器以及塔杆对天线所发信号吸收影响的因素考虑，天线与塔杆距离取nλ为宜，按照目前1800MHz的工作频率计算，

λ=0.167m，则n≤7。

安全距离

按照滚球法，在不影响通信的情况下，天线紧贴塔杆安装似乎更为合理，以确保处于接闪器的保护半径之内，但国家规范规定，为了防止雷击电流流过防雷装置时所产生的高电位对被保护的对象发生反击，应使防雷装置与这些物体之间保持一定的安全距离。

这对于不能与防雷装置直接相连的金属物体（比如天线）十分重要。

安全距离Sa的计算：

Sa=IRi/ER+L0·hx·/EL

式中：

Ri—接地装置的冲击接地电阻（Ω）；

hx—被保护物的高度（m），比如天线的高度；

参考IEC-TC81，二类防雷建筑采用的雷电流参量：

—雷电流陡度（kA/μs），取150kA/μs

I—雷电流幅值（kA），取37.5kA；

L0—引下线单位长度电感（μH/m），取1.5μH/m；

ER—电阻电压降的空气击穿强度（kV/m），取500kV/m；

EL—电感电压降的空气击穿强度（kV/m），取3000kV/m。

上式简化为：

Sa=0.075（Ri+hx）

现场直击雷防护模式中，天线支架部分为绝缘材料，支架的长度满足安全距离的要求，如安全距离超出避雷针的保护半径时，避雷针的高度相应增加。

安装独立的天线和独立避雷针，并保持二者之间足够的距离，

接地电阻

现场防雷的接地电阻应≤10Ω。

采用电阻率测试仪进行现场电阻率测试

当接地系统引入干扰时，接地电阻应尽可能的小。

接地体采用热镀锌钢材。

接地示意图

避雷针说明：

型号：

LC-ZGZ-200-1.5

参数如下表：

型  号

LC-ZGZ-200-1.5

雷电通流流量（In）

200KA

幅值衰减率

8/20us

陡度衰减倍率

8/20us

抗风强度

40M/S

接闪针数

4针

高度（M）

0.3

重量（KG）

0.5

避雷针安放方法:

将避雷针下部连接件插入预先准备好的支撑管内，将它们的连接孔（2-7）对正后，装入2个M6*40螺栓，最后将螺栓固紧。

新型底座为70mm法兰，由4个直径为8mm的螺钉在直径为55mm的圆上均匀对接固定。

注意事项：

避雷针的接地必须良好，其接地电阻值不大于10欧姆。

6.2感应雷防护

简单功能的节点设备均采用总线串联稳压直接供电，多数总线供电大电流设备也使用开关电源直接供电，MCU直接与总线连接。

芯片的输入极限耐压高达55V，因此设备主要考虑怎样防止CPU的程序混乱的问题。

使用滤波网络及设备屏蔽对于总线系统的众多节点是非常不适合的，众多的滤波网络的容抗和感抗会严重影响通讯的可靠性，小设备的屏蔽会使设备结构复杂制造成本猛增。

总线系统采用二级防护措施进行防雷设计：

（1）自动采集无线传输系统防雷设计

在自动采集无线传输系统处，必须架设符合防雷要求的避雷设施。

如避雷针等。

监测室房顶安装高5米左右避雷针，在采集室周围建专用接地网，接地电阻小于5Ω；并在房内预留一个接地桩，接地桩的留出部分备有直径≥M8螺纹，（螺纹长度不小于三个螺母）以便由两个螺母将监测系统可靠接地。

总线采用专用屏蔽水工电缆，在屏蔽层接地良好的情况下具有良好的防护功能，如需要还可使用金属屏蔽管道，并保证管道接地良好。

在出口、入口和室外设备人口加装防雷装置，使用瞬态抑制管完成入口防护功能。

（2）传感器防雷设施

传感器入口处具有气体放电管、电子保险丝、瞬态抑制管等防护措施。

传感器电路板在设计使用双层板的情况下，采用单面走线，另一面覆铜的设计能有效增加设备的抗干扰能力，这种方法已经被电磁兼容要求极高而只使用塑料外壳的电子式电能表行业普遍采用，获得了良好的效果。

此方法的要点是使所有地覆铜有效闭环连接（多用过空），禁止在覆铜外沿布线。

控制器是系统的心脏，当节点发生软故障时，可由控制器关闭总线进行硬件复位。

而控制器出现软故障系统必然陷入瘫痪，因此控制器的电磁兼容特性是系统可靠工作的关键，控制器采用工业级高性能控制器。

数据存储采用串行的EEPROM完成数据存储及备份功能，数据交换使用校验方式保证其可靠访问。

传感器采用外部看门狗，以防MCU硬件死锁。

总线采用二级防雷措施，可防雷1～3区，具有极强的防雷性能，适于野外的恶劣环境中的自动化监测应用。

目保质期。