水利大坝自动化监测预警系统方案设计.docx

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水利大坝自动化监测预警系统方案设计

小浪底水利大坝安全自动化监测

预警系统设计方案

1项目背景

1.1项目概况

黄河小浪底水利枢纽工程位于河南省洛阳市孟津县小浪底，在洛阳市以北黄河中游最后一段峡谷的出口处，南距洛阳市40公里。

上距三门峡水利枢纽130公里，下距河南省郑州花园口128公里。

是黄河干流三门峡以下唯一能取得较大库容的控制性工程。

黄河小浪底水利枢纽工程是黄河干流上的一座集减淤、防洪、防凌、供水灌溉、发电等为一体的大型综合性水利工程，是治理开发黄河的关键性工程，属国家“八五”重点项目。

小浪底工程坝址控制流域面积69.42万平方公里，占黄河流域面积的92.3%。

水库总库容126.5亿立方米，调水调沙库容10.5亿立方米，死库容75.5亿立方米，有效库容51.0亿立方米。

小浪底工程的开发目标是以防洪、防凌、减淤为主，兼顾供水、灌溉和发电等。

小浪底工程由拦河大坝、泄洪建筑物和引水发电系统组成。

小浪底工程拦河大坝采用斜心墙堆石坝，设计最大坝高154m，坝顶长度为1667m，坝顶宽度15m，坝底最大宽度864m。

坝体启、填筑量5l.85万m3、基础混凝土防渗墙厚l.2m、深80m。

其填筑量和混凝土防渗墙均为国内之最。

坝顶高程281m，水库正常蓄水位275m，库水面积272km2，总库容126.5亿m3。

总装机容量180万KW，年发电量51亿度。

水库呈东西带状，长约130km，上段较窄，下段较宽，平均宽度2km，属峡谷河道型水库。

坝址处多年平均流量1327立方米/s，输沙量16亿t，该坝建成后可控制全河流域面积的92.3%。

泄洪建筑物包括10座进水塔、3条导流洞改造而成的孔板泄洪洞、3条排沙洞、3条明流泄洪洞、1条溢洪道、1条灌溉洞和3个两级出水消力塘。

由于受地形、地质条件的限制，所以均布置在左岸。

其特点为水工建筑物布置集中，形成蜂窝状断面，地质条件复杂，混凝土浇筑量占工程总量的90%，施工中大规模采用新技术、新工艺和先进设备。

引水发电系统也布置在枢纽左岸。

包括6条发电引水洞、地下厂房、主变室、闸门室和3条尾水隧洞。

厂房内安装6台30万kW混流式水轮发电机组，总装机容量180万kW，多年平均年发电量45.99亿kW.h/58.51亿kW.h（前10年/后10年）。

小浪底水利枢纽主坝为壤土斜心墙土石坝，上游围堰为坝体的一部分，坝基采用混凝土防渗墙，工程初步设计为斜墙坝型，后优化为斜心墙坝型，两者的主要区别在于前者以水平防渗为主，垂直防渗为辅；后者以垂直防渗为主，水平防渗为辅。

目前大坝的设计有以下几个特点：

1、适度地考虑了库区淤积的防渗作用,使坝基防渗效果更为可靠；

2、上爬的内铺盖改善了上游坝坡的抗滑稳定性,既实现了库区淤积的连接,又不会对坝坡产生太大的影响；

3、减少了上游围堰的土方填筑量及基础处理工程量,使截流后比较紧张的工期得以缓解；

4、与斜墙坝相比,混凝土防渗墙受力有所恶化,且造墙难度增加。

1.2水利大坝监测预警的必要性

黄河小浪底水利枢纽位于黄河中游豫、晋两省交界处，在洛阳市西北约40km。

上距三门峡坝址130km，下距郑州花园口128km。

北依王屋、太行二山，南抵崤山余脉，西起平陆县杜家庄，东至济源市（原济源县）大峪河。

南北最宽处约72km，东西长93.6km。

淹没区涉及两省4市（地区）所管辖的8个市（县），即河南省的孟津、新安、渑池、陕县、济源；山西省的垣曲、平陆、夏县。

库区属温带大陆性季风气候，年平均气温为12.4～14.3℃，昼夜温差大，元月平均气温最低，七月份气温最高；库区年平均降水量616mm，降水量年际变化较大，主要集中于夏、秋两季，而冬季雨量稀少；年平均蒸发量为2072mm，全年以夏季蒸发量为最大，冬季蒸发量最小；年平均湿度在62%左右。

由于小浪底地处气候特征变化明显，对坝体坝区安全影响变化大，周边易发生坝体裂隙，坝堤安全影响极大。

水利坝区监测的必要性表现在如下方面：

1、水利水工建筑物的安全性监测，一当出现隐患将是灾难性的。

2、在洪水期，雨季等高水位时，坝体及其周边地质滑坡，崩塌险情易发，是安全的至关重要期。

3、气温变化显著，受热胀冷缩，材料变化特性影响，坝体安全性需要严密监测。

4、边坡岩体、地质活动情况等对坝体堤防都会造成一定影响。

综上所述，小浪底水利大坝堤防的安全性监测是关乎人民生命财产安全的首要环节，必须严格把关，监测工作意义重大。

2区域地理环境背景

地理位置

黄河小浪底水利枢纽位于黄河中游豫、晋两省交界处，在洛阳市西北约40km。

上距三门峡坝址130km，下距郑州花园口128km。

北依王屋、太行二山，南抵崤山余脉，西起平陆县杜家庄，东至济源市（原济源县）大峪河。

南北最宽处约72km，东西长93.6km。

淹没区涉及两省4市（地区）所管辖的8个市（县），即河南省的孟津、新安、渑池、陕县、济源；山西省的垣曲、平陆、夏县。

地质地貌

水库集水区处于峡谷地段，地势西北高东南低。

南岸为崤山东北余支，地势陡峻；北岸有太行、王屋山脉。

两岸地形起伏较大，西部、北部多1000米以上高峰，西阳河上游历山海拔2321m为区内最高峰。

区域内大面积分布着第四系黄土，以及前震旦系的变质岩、安山岩、寒武系灰岩、砂页岩、红色砂、页岩和粘土岩。

气候库区属温带大陆性季风气候，年平均气温为12.4～14.3℃，昼夜温差大，元月平均气温最低，七月份气温最高；库区年平均降水量616mm，降水量年际变化较大，主要集中于夏、秋两季，而冬季雨量稀少；年平均蒸发量为2072mm，全年以夏季蒸发量为最大，冬季蒸发量最小；年平均湿度在62%左右。

水文水资源状况

黄河由西向东穿过库区，水流湍急，流程130km，其间有较多的支流、支沟、毛沟汇入,较大支流计有18条，多数分布在库中区和库前区，如北岸的西阳河、逢石河、亳清河、沇西河和南岸的畛河、青河、北涧河等河流。

黄河三门峡至小浪底区间流域面积为5756平方公里，约占三门峡至花园口区间流域面积的14%。

支流来水流量一般较少，且经常出现断流。

汛期常有短时间暴雨洪水，一般每年出现3～4次。

环境量监测站网布设情况

小浪底的环境监测主要分三个部分，即库区、施工区、移民区，各部分监测项目、断面测点布设、监测频率各不相同。

库区水质监测包括地面水监测14个断面，底质监测4个断面；施工区监测包括地表水干支流6个断面、生活用水37个测点、河流底质12个点、生活污水和生产废水17个监测点、大气测点、噪声12个测点；移民区包括生活饮

用水28个测点和土壤28个采样点。

根据实际情况，监测时断面测点数和监测项目有所调整。

3大坝安全监测系统

水电站大坝的安全，不仅直接影响电厂自身效益，更与下游人民的生命财产、国民经济发展和生态环境密切相关。

随着电子技术的发展、数字通讯技术的推广应用，为监测自动化提供了保障。

目前全国电力系统的大坝监测自动化及其升级工作已全面展开，并朝向网络化、实用化方向发展。

大坝安全自动监测系统是充分利用现代检测技术、通信技术、网络技术和计算机技术的产物，通过相应传感器采集现场各大坝测压管的水位参数，并传递到工作与现场的远程终端单元RTU进行预处理和存储，根据系统数据传输体制要求，自动或在接收到处于远端的中心管理站的指令后将相关参数报送中心站，从而使大坝管理人员能够及时方便地了解大坝当前状况，提高大坝安全监测的实时性、可靠性和精度，为预报大坝承受能力和预报可能发生的事件，为及时采取措施保证大坝的安全运行提高良好的数据基础。

主要监测项目及设备

坝高

（M）

监测项目坝型

水平位移

垂直位移

渗流量

杨压力

坝体应力

坝体温度

钢筋应力

基岩变形

裂缝

接缝

土压力

泥沙压力

水库温度

水位

<70

拱顶

重力坝

支墩坝

船闸

泄水闸

>70

拱顶

重力坝

支墩坝

船闸

泄水闸

注：

“Δ”为必须观测项，“*”为建议观测项

3.1监测内容、方法

（1）位移变形监测

大坝变形是水电站大坝的重要监测项目。

又可分为水平位移和垂直位移2个子项。

大多数大坝设有坝顶水平、垂直位移观测,通常每个坝段设1对测点。

近几年对典型坝段的水平位移观测较为重视,一般沿坝高布置3个以上测点。

大坝变形监测设备可选择引张线、GPS、固定式测斜仪、静力水准仪等。

目前全自动网络在线监测系统的技术方案的成熟利用，GPS加北斗方案的联合解算，位移监测精度达到毫米级或是亚毫米级，使得GPS监测设备得了大力施展。

（2）渗流

大坝渗流也是水电站大坝的重要监测项目之一。

又可分为渗透压力和渗流量2个子项。

混凝土坝的观测设施设在基础廊道,扬压力每个坝段1个测点;渗流量测点根据排水沟集水情况确定,一般能测出分区流量和总量。

土石坝的渗流量都在坝趾渗水汇集处观测,渗压测点则根据具体坝型布置在坝体浸润线下面或趾板后等部位。

此外,大坝的左右两岸山坡还设置地下水位观测项目,以便监测绕坝渗流情况。

大坝渗流监测主要采用检测设备为渗压计。

（3）应力应变等内观项目

大坝应力应变等内观项目是水电站大坝的一般性观测项目，只有一些重要测点才纳入自动化监测,很多中低坝都已停测或封存这类观测项目。

应力应变等内观项目在大坝施工阶段应用较为普遍，常用的监测设备有埋入式应变计、钢筋计等。

（4）环境量观测项目

采用翻斗式雨量计测量降雨量和降雨强度。

采用温度计各个坝区分布，实时采集现场的气温变化，然后进行分析。

采用气压计分布各个坝区，采集大气压强值，指导安全监测。

（5）其它传感器项目

可根据实际需求，在监测范围内安装各种传感器。

一般常用的有：

混凝土应变计、应力计、多点位移计、测缝计、水位计、钢筋计、倾角计、测力计、压力盒等。

3.2系统组成

大坝安全自动监测系统主要由系统中心站、大坝（副坝）及周边岸堤安全监测站及远程数据通信网组成，并包括太阳能供电系统，避雷系统。

大坝安全自动监测系统中心站一般设置在水利大坝管理处（或其它上级管理部门）。

主要由系统实时监控计算机、可选的中心站计算机局域网及相关其它工作站和数据服务器、远程数据通信网前置通信处理器、数据通信设备及运行在系统实时监控计算机中的大坝安全监测管理软件等组成。

大坝监测系统网络图

1、数据采集子系统：

由GNSS接收机及其天线组成，GPS加北斗双系统的监测组合可以有效提供高精度的解算精度，达到亚毫米级精度。

2、数据传输通讯子系统：

根据现场情况，可以选择光纤、无线WIFI及GPRS方式进行现场的数据传输。

3、数据处理、分析子系统：

采用专用的SMOS解算软件进行自动化数据处理、分析。

4、辅助支持子系统：

系统具备完善的防雷系统（包括电力线防雷和直击雷的防护）和稳定的供电系统（太阳能、风能和市电的结合）。

3.2大坝监测工程选点

3.2.1监测点选择原则

针对小浪底水利大坝的的特点，结合现有监测系统的分布，针对监测设备类型进行监测点位布置，选点过程中把握了以下原则：

1、安全第一，安装方便。

首先是安装人员能安全到达并实现安装，其次是仪器设备的防护安全。

2、通讯、电力条件保障。

安装点必须满足监测仪器设备的通讯和电力条件。

3、准确性、持续性、有效性。

选点位置有利于准确获取大坝的水平位移和垂直位移变化信息，并在相当长时间内达到有效对其监测的要求。

4、在现有站点基础保存良好的情况下，可以作为GNSS变形监测的监测点站使用，只需要对设备，供电系统稍作修改完善。

本次踏勘选点过程中，严格遵循工作部署原则，进行选点工作。

3.2.2监测手段配置

GNSS双频坝体表面变形自动监测：

每个断面点均要进行坝体表面变形监测，每个接缝点也均要布设，一般在变形体内部不同特征部位及变形体外围附近可能遭受危害的对象区域设置监测站点。

4监测系统特点和功能

4.1系统特点

水利大坝安全自动化监测预警系统主要由三部分组成：

传感器及数据采集系统、数据管理系统和数据分析处理及预警系统。

传感器及数据采集系统由雨量监测站、坝体变形监测站、渗压计监测站等部分组成；

用户管理和数据库管理模块作为整个系统的公用平台，对系统的操作人员进行权限管理，同时采用先进的计算机技术，对数据的安全进行可靠保证。

无线通信网由GPRS/SMS通讯网组成，主信道采用SMS通信方式，备用信道采用GPRS/通信方式；

数据分析处理及预警系统由现场广播预警装置、无线预警LED显示终端、多台裂缝报警器、手机短信等多种方式进行地质灾害的预警预报。

图4-1系统架构示意图

4.2系统功能

1）信息采集监测

实时自动采集雨量、坝体表面变形、垂直位移渗压等信息，生成报文，通过GPRS/SMS/北斗卫星/3G/4G等通信方式及时把数据传输到监测中心。

2）水利大坝自动化监测预警系统

水利大坝自动化监测预警系统可实现区域内各类监测仪器监测数据的实时接收、存储、管理、维护、查询、统计分析和检索，对达到预警阈值的各类监测结果能够对指定的移动通信终端、无线预警广播站多点群发预警信息等功能，具有站点配置、管理、编辑功能。

3）无线预警系统

无线预警终端功能实现即时提供地质灾害预警信息，滚动发布各种监测设备的监测、报警信息和图文信息；

无线预警广播站安装在受害居民区，用于地方即时信号报警（支持语音、声音报警），对野外监测预警设备如坝体表面位移、裂缝变形等监测数据达到预定报警阈值时，即时发送报警信号至受危害居民点，通过中继仪、GPRS或卫星传输方式，在库区危害区通过电声警报器、扬声器等进行即时报警，并把预警信息即时发送到相关联络人员和监测中心。

4）系统预警参数、预警阈值设定

根据设备特点及工作区气象、水文等相关资料，借鉴区域地形地貌、气候条件相类似地区的参数取值，结合各滑坡具体情况，对各监测预警仪器的预警参数、预警阈值进行初步设定。

5预警系统建设

5.1信息采集监测站建设

信息采集监测站主要负责现场原始监测数据的采集，具有以下功能特点：

◆自动采集雨量、坝体表面变形、深部位移、渗压、应力应变等信息，通过GPRS/SMS/北斗卫星/3G等通信方式及时把数据传输到监测中心。

◆采集终端设备主备电源设置自动切换。

◆支持中心下发指令：

实时采集召测、远程配置管理等功能。

◆低功耗设计：

工作状态<70mA、休眠<8mA，平时处于休眠状态，支持远程唤醒、短信唤醒。

◆支持太阳能锂电池、太阳能板供电、在无日照情况下支持90天供电。

◆终端数据现场处理，以结果形式上传至信息发布平台。

◆大容量存储，实现数据海量存储。

◆现场监测站统一进行电源和通信通道分配，结构合理，避免冲突。

5.1.1前端采集站

5.1.1.1功能简介

水利大坝自动化监测预警系统针对水利大坝堤防库区存在隐患，结构变异大，崩塌潜在区这些风险较高的地方。

在每个地灾点设置一个前端采集站，作为监测设备管理和控制中心。

前端采集站建设有统一的供电系统和网络通讯模块，统一控制管理整个监测站的设备运行。

对于较小的大坝堤防，如果检测设备较集中，数据链路稳定的情况下，可以不用考虑前端采集站，这部分可以省略，可以直接由监测终端将监测数据信息发回服务中心进行处理。

对于大型大坝堤防，如监测区数据传输质量受到影响，则可以考虑使用前端采集终端进行初步处理。

前端采集站作为次级服务平台，还担负着现场数据采集管理和初步解算等功能。

现场数据中心，它还有以下三大功能：

1）数据接收、存储：

每处滑坡点的设备终端采集的原始数据都直接传送至现场站，并存储。

2）数据初步处理：

主要是考虑到GNSS等终端设备原始数据量较大，直接通过无线网络模块远程传输对数据的稳定性、安全性有着显著的衰减。

将原始数据直接现场存储、解算，最终以结果的形式上传，通过这一方式，一者避免了大量数据直接上传的影响；二者对于提高系统数据的完整性也很有保证。

3）自动维护：

在现场市电供电切断的情况下，能够自动跳转至备用电源。

并能够远程控制滑坡点设备终端的重启开关。

5.1.1.2设备介绍

前端采集站作为大坝监测站点的控制中枢，它由以下设备构成。

表5-1前端采集站设备构成

设备名称

备注

IMC智能监测数据采集终端

负责大坝监测点终端设备的数据采集、存储等

通讯模块

负责数据的整体上传和远程控制

电源模块

负责大坝监测点电源的引入和所有设备终端的供电

防雷设备

为前端设备提供防雷保护

备用电源

在市电断开的情况下保障大坝监测点终端设备的供电

软件

负责原始数据的解算等

1）IMC智能监测数据采集终端

IMC是集监测数据采集、解算、海量存贮、3G实时自动连线功能为一体的智能终端，广泛应用于各结构体健康监测项目。

通过有线的方式实现与每个监测站设备的通讯连接，并通过监测终端管理软件控制设备数据的采集、解算和上传等功能。

经过监测终端管理软件处理后数据将变得更小、方便数据的传输，并将原始数据保存在IMC智能监测数据采集终端上，进一步提高系统的稳定性。

图5-1IMC智能监测数据采集终端

2）通讯模块：

负责将单个监测点初步处理后数据传输至信息平台或发布平台，实现监测点与信息平台之间的通讯链接。

采用无线通讯方式，借助移动通讯网络传递数据。

3）电源模块：

每个监测点采用市电供电方式，就近在居民点引入电网电源。

通过现场采集站统一配供，并对现场监测设备进行统一管理。

4）备用电源：

考虑到存在断电等突发情况，在前端采集站布置不间断供电系统，并可将UPS电池组接入到本供电系统，保证在断电情况下本系统所有的在线监测设备不少于3个小时的不间断供电，以应对突发情况。

5）防雷设备：

防雷保护系统包括电源线路防雷保护、通讯线路防雷保护、室外设备直击雷防护及接地系统四部分。

本系统采用了避雷针、天馈防浪涌、信号防浪涌及电源浪涌保护器，对接入前端采集站设备以及通讯、供电设备进行全面防护。

采取的具体措施如下：

电力线进入UPS之前以及进入设备之前，加装单相电涌防护设备，隔离UPS和电力线。

设备选型为电源浪涌保护器。

图5-2电源浪涌保护器及接地装置

接地系统直接影响避雷防雷的能力，对于接地系统有如下具体要求：

1）接地原则联合接地共地不共点，直击雷接地与设备箱弱电接地、采用联合接地方式，但各自接地线不能直接汇流一点入地；

2）接地分为设备箱弱电接地和直击雷接地：

设备箱弱电接地，一端在地脚笼坑基础上打入地，一端采用10平方铜线为接地汇流线与设备箱接地相连；直击雷接地，一端打入地、另一端与避雷针基座相连；

3）快装接地级、地脚笼等接地体联合接地，利用16平方铜线（去皮）为3水平接地体，利用10平方铜线4水平接地体实现三个接地体的各自接地；

4）所有水平接地引线和接地体之间的连接采用压接方式。

接地注意事项：

1）防雷接地必须小于10欧姆。

2）两个独立地之间距离必须大于3米，否则在两地之间加装等地位均衡。

3）信号防雷器地尽量与直击雷地分开，目的是防止直击雷从地线反击信号设备。

4）室外接地引线必须与埋地接地装置采用焊接，并作防腐处理（刷沥青等）

5）接地引线线径：

机房到室外接地装置引线（圆钢直径要大于10mm，扁钢截面大于80mm2）。

6）铜线与扁铁必须采用焊接或机械式连接，并作防腐处理。

5.1.1.3设备安装调试

前端采集站包含软、硬件设备的安装及调试，具体内容如下：

软件部分：

前端采集系统软件运行环境安装、数据库安装、采集软件安装等；

硬件部分：

GPRS通讯模块、防雷设备、电源模块安装及工控机组装固定等；

调试部分：

通讯模块调试、前端系统软件调试、电源模块测试。

5.1.2坝体表面位移自动监测站

5.1.1.1设备简介

项目采用的GNSS双频表面位移自动监测站广泛应用于地质灾害监测、地面沉降监测、尾矿库坝监测、桥梁健康监测、大坝健康监测，大型建筑健康监测等领域，配套监测软件能提供精确的数据参数，报表，趋势分析，报警输出等功能。

由GNSS天线、GNSS接收机、通讯供电避雷等部分组成，通过多点GNSS高精度解算技术来解算GNSS观测点的坐标，从而达到实时地表变形监测（如位移方向、位移速率、累计位移等）

图5-3GNSS位移监测系统结构图

5.1.2.2技术指标

考虑大坝所处地形地理位置，监测主机接收卫星信号的特点，建议采用北斗、GPS、GLONASS三星多频型GNSS定位设备，以保证精度。

监测接收机性能参数：

GNSS性能规格

接收类型：

GNSS多频RTK带载波相位

可接收信号：

GPS，GLONASS，BeiDou，Galileo和QZSS

通道数：

372

GPS灵敏度：

-142dBm

SBAS跟踪：

3通道，并行跟踪

更新率：

1Hz标准，10Hz或20Hz可选

水平精度：

平面精度：

2mm+1ppm

高程精度：

5mm+1ppm

授时（1PPS）精度：

20纳秒

冷启动：

<60秒

温启动：

<30秒

物理尺寸：

108mm*90mm*40mm

监测仪表箱：

物理指标：

机箱尺寸（CM）：

长X宽X高；30X10X40

太阳能板尺寸（CM）：

100X100

支架高度：

2米（用户可根据需要定制）

底部金属脚板（CM）：

30X30

技术指标：

同时可兼容使用无线网桥、光缆、电台通讯。

国外原装进口OEM主板。

太阳能电池板功率：

100W

蓄电池100AH，12V

工作环境：

无太阳光补充的情况下运行5-7天。

工作温度：

-25°~60°

工作湿度：

95%

图5-4现场安装图

图5-5示意图

5.1.2.3设备安装调试

水利大坝表面位移变形监测系统采用单基点解算方式，在大坝外围稳定区设置2-3个基准站和，在大坝体上断面区，受水压力区，接缝区等设置多个变形监测点位。

在基准点上将天线固定在安装支架或监测墩上，基准站主机安装在现场站内；监测点的位置通过地质勘查确定，在距离合适的情况下将主机安装在前端集成站内，方便保护。

1）选点

GNSS观测站选址的流程主要包括踏勘和分析两个阶段。

踏勘工作主要是在拟选位置实地察看观测条件，是否具有良好的卫星跟踪条件，测站视场是否开阔，高度角10°以上有无障碍物，是否有站址周围地形地貌的图纸资料等。

分析工作主要包括进行高度角10°以上成功跟踪卫星数据百分比测试、数据完整性测试、周跳测试、接收机时钟测试、多路径测试等工作。

其中，基准站的要求选在远离大坝堤防之外，点位稳固的地方；监测站点要结合大坝和设计要求合理分布。

2）GNSS天线安装

观测墩顶上安装强制对中器顶端加工有5／8英制螺旋以固定GNSS天线，天线柱下端通过螺栓与GNSS天线底座牢固连

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