大坝渗流安全实时监测系统在杨埕水库大坝渗流监测中的应用.docx
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大坝渗流安全实时监测系统在杨埕水库大坝渗流监测中的应用
大坝渗流安全实时监测系统在杨埕水库大坝渗流监测中的应用
孔淑芹,单长河,刘风华,苏永军
【摘要】[摘要]为实时监测平原水库坝体渗流情况,河北省沿海新建的平原水库——杨埕水库首次在渗流观测方面采用的振弦式渗压计采集、远程自动化监测系统,经过近3年连续运用的实践表明:
该系统运行稳定、安全可靠、便捷、监测数据精度高。
【期刊名称】广西水利水电
【年(卷),期】2012(000)004
【总页数】5
【关键词】[关键词]平原水库;坝体渗流;实时监测系统;应用
1概况
河北省新建平原水库——杨埕水库是沧州市东部地区供水工程的核心工程,近期水源为黄河水,远期水源为南水北调水源。
2008年5月动工修建,2009年11月建成运用。
水库围堤长12.097km,占地面积10.9km2。
水库设计蓄水位9.0m,蓄水深度6.5m。
调蓄工程总库容为6568万m3,兴利库容5652万m3,死库容916万m3。
水库围堤为均质土坝,堤顶宽10.0m,堤顶高程10.5m,内坡坡比1∶3.5,在高程7.5m处设有5.0m宽平台,迎水面采用现浇砼板衬砌下铺复合土工膜结构。
围堤外坡坡比1∶4,在5.5m高程处设20m宽戗台,戗台外边坡设贴坡排水。
水库围堤工程勘察揭露20m地层内除第一层为素填土外,下部均为第四系全新统松散沉积物,地表土质以黄褐色壤土为主,厚度0.5-2.6m,大部分面积內为下伏较厚而又稳定的壤土及粘土层。
地基承载力为70-120kPa。
从库区的水文地质条件分析,坝基及筑堤土为粉质粘土、壤土及淤泥质粘土,垂直渗透系数2.05×10-4-3.16×10-6cm/s,水平渗透系数2.26×10-4-9.85×10-7cm/s,成库条件较好。
为了保证对大坝的安全运行提供实时、准确的预测与技术支持,最大限度地保障工程效益,设计首次采用了自动化远程安全监测分析预报系统,对水库的渗流情况进行实时监测。
2渗流监测系统设计
渗流监测系统包括数据采集系统、数据传输系统、数据处理及远程中央控制系统。
2.1数据采集系统
2.1.1采集设备
(1)传感器
传感器选用BGK4500SR型振弦式渗压计,它由透水体、感应膜、钢弦、激励与接收线圈、避雷器、温度计、电磁圈密封壳体等组成(见图1)。
杨埕水库蓄水深为6.5m,根据平原水库蓄水位低的特点,仪器选型时,选择了型号BGK4500SR满量程为35m的渗压计,在最大限度地满足工程需要的同时节约了设备投资。
渗压计除安装钢弦、激励与接收线圈外,在仪器内部还装有1个三级等离子浪涌避雷器,具有防止雷电过电压的功能,可防止峰值电压通过导线进入传感器内部。
振弦式传感器有测温功能,温度计采用半导体温度计,可以及时准确地采集任一观测时刻的温度值。
(2)渗压计技术指标
BGK4500SR型渗压计主要部件均采用特殊钢材制造,适合在各种恶劣环境中使用,主要技术指标见表1。
(3)传输电缆
振弦式渗压计的输出信号是频率,电缆电阻细微的变化、电缆的连接,不会影响读数仪对仪器的读数。
渗压计采用带有整体屏蔽的抗干扰芯线的BGK02-250V6四芯屏蔽电缆,将传感器数据输送至监测站测量单元。
2.1.2采集设备埋设
渗压计通过履带式百米钻机进行现场钻孔,然后将渗压计按设计要求埋置在坝体相应部位,为了使渗压计均匀受力,保证测量效果,在渗压计周围回填砂。
为避免形成渗流通道,需用一定量的膨润土阻水,埋设方式见图2。
2.1.3初步检验及率定
每支渗压计都提供了一份率定表,给出了每支仪器的率定系数,包括温度修正系数,安装前需按照安装使用说明中的要求对率定表中的参数进行校验。
现场的读数在压力和温度修正后应与工厂的读数基本上一致,读数偏差在±20。
每只仪器率定表中的数据为重要的仪器参数,必须妥善保管。
2.1.4创建零读数
振弦式渗压计不同于其他类型的压力传感器,每一支渗压计都有一个精确的零读数,而这个零读数将用于随后的数据处理[1]。
每个渗压计安装前均需使用BGK-408振弦式读数仪,按安装说明创建零读数。
读数时要使渗压计的腔体达到饱和,保证有15-20min使温度平衡,同时做好温度、气压记录,以便必要时进行修正。
2.2数据传输系统
2.2.1基本原理
渗压计采用振弦式传感器进行数据传输。
根据弹性体振动理论,一根金属弦在一定的应力作用下,具有一定的自振频率,当其内部的应力变化时,它的自振频率也随之变化。
振弦自振频率的拾取通过激励线圈完成,利用钢弦的自振频率与钢弦所受到的外加张力关系式测得各物理量[2],钢弦的振动频率与其张力之间的关系为:
式中:
f——钢弦的自振频率,Hz;
σ——钢弦的张力,kN/m2;
ρ——钢弦的材料密度,kg/m3;
l——钢弦的有效长度,m。
2.2.2渗压力计算公式
根据振弦式渗压计的基本原理,智能数据采集仪可以将钢弦的振动频率转换为频率模数,按下式自动计算出监测点的渗压力:
式中:
K——温度系数,MPa/℃;
G——直线系数,MPa/Digit;
R0——初始仪器读数值;
T0——为初始温度值;
R1——测点仪器读数值;
T1——为实测温度值。
实际应用中还可采用多项式计算,以提高计算精度,传感器承受的水压力计算公式为:
式中:
A、B、C——多项式系数。
若大气压有较大变化时,除对处理数据进行温度补偿修正外,还要进行气压修正。
经验证,直线式与多项式计算均能满足工程精度需要。
2.2.3数据传输
远程中央控制监测中心(CCU)设在水库管理处的调度中心,监测中心的服务器上运行着庞大的应用软件系统,各监测站的通讯采用环形拓扑光纤通讯网络。
监测站采用多功能智能监测箱来构建现场各采集单元MCU,MCU直接和传感器相连,监测站间通过信号转换设备采用RS485光纤连接。
系统总体框架如图3所示。
各测量控制单元MCU自动控制监测仪器自动检测渗流、压力等数据,将采集到的实际数据格式化,通过光纤通信网络传给实时监测平台,动态显示数据。
实时监测平台自动通过中心网络设备,访问后台的分析/算法代理、综合分析代理和其他代理,产生分析结果和判断结果,并通过数据代理将数据保存到后台SQL数据库中。
2.3数据处理及远程中央控制系统
水库共布设了9个监测数据采集站,配套控制机柜,设有MICRO-40智能数据采集仪。
系统运行时,由安装在控制柜上部的太阳能板提供电源,通过渗压计传感器采集输出频率信号,经BGK02-250V6四芯屏蔽电缆输送到智能数据采集仪中进行信号转化,转化为光信号后,再通过环水库围堤布设的RS485光纤传输到水库管理处中央控制监测中心的计算机上,经过计算机的BGKLoggerv3.1.9软件系统进行数据处理。
软件总体框架如图4所示。
根据监测中心命令,采集系统自动采集现场仪器仪表的实时数据,通过数据接口进入数据库系统中的自动采集数据库。
将监测仪表数据采集、光纤传输、监测数据存储、进行预处理,进入监测资料整编数据库。
整编数据可以输出,也可以运行图形/图像代理,将整编数据形象地用图形表示输出或存入图形/图像库。
将监测信息图形化表示,便于了解大坝各种性状及变化趋势。
也可以调用模型库、知识库、分析/算法库中的知识、模型和分析/算法进行各项分析,然后结合设计资料运用专业知识及判别标准进行综合分析,全面了解大坝安全性状、变化规律,指导大坝安全运行。
数据采集及处理通常按监控主机设定的测量时间自动定时观测,用于日常常规测量。
根据特殊需要还可随时通过监控主机对任一监测仪器进行监测,该监测方式的优先权高于其他方式,主要用于在特殊情况下加密测次,及时对重点监测部位实施任意频次的测量[4]。
另外,数据采集系统还具有现场操作功能。
测量模块预留有与便携式微机接口,可实现现场标定、数据采集以及调试等功能。
2.4主要附属设施
2.4.1供电系统
在河北省沿海平原水库中首次采用太阳能光伏发电系统作为数据采集及输出电源,发电功率50W,蓄电池为24Ah,可以保证5天连续阴天的监测设备用电。
选用的高性能太阳能板技术先进,具有高效、环保、节能等特点。
通过大阳电池进行光电变换,运行成本低,几乎不需要维护,可自动运行。
太阳能电源系统不包含任何运转部件,可连续工作。
输出的直流12V电压十分稳定,供电系统不会出现断电影响数据采集的情况。
2.4.2系统防雷
(1)电路设计
在电源系统、通信线路接口、模拟输入引线等环节设置了抗雷击电路。
安装了信号防雷器和电源防雷器。
对易受过电压破坏的设备加装过压保护装置,在设备受到过电压侵袭时,保护装置能快速动作泄放能量,从而保护设备免受损坏。
(2)光纤传输
监测站数据输出的信号是以光纤为载体的光信号,为无电传输,完全电绝缘,可有效抵抗高电压、高电流冲击。
(3)现场无强电
太阳能电源输出电压为12V的直流电,监测现场无强电,且所有传感器及仪器都设有接地措施,减少了强电雷击的影响。
(4)监测站防雷
为了保证采集系统防雷效果,设备安装时屏蔽线连在一起接地,监测数据采集站柜体进行可靠接地。
下部埋设钢管焊接而成的接地体,接地电阻小于2Ω,远低于相关标准的4Ω。
柜体外部安装有钢制保护网,并设有引下线,单设接地体。
形成两道防线,互相配合,可将雷电流直接引入地下泄散。
(5)控制机房防雷
中央控制中心机房设置在水库管理处办公楼上,结合建筑物整体防雷,增加机房防雷,机房内沿墙四周地面均布铜排环网,进一步保护中控室的计算机。
建立联合接地系统,形成等电位防雷体系。
将防雷地、电源地、信号地、屏蔽地、安全保护地等采用同一大楼底层的接地体。
3渗流监测断面(点)设置
在工程施工期,沿水库围堤布设了6个坝体渗流观测横断面,每个断面上设置了5个钻孔,共布设12个渗流监测点(见图5)。
在供水泵站、进水涵洞及泄水闸3个建筑物处设置了3个渗流观测横断面,在围堤内侧设置了2个水库水位观测点。
水库围堤共安装有88支振弦式渗压计。
4监测成果分析
4.1水库蓄水位观测
杨埕水库的蓄水位采用投入式液位器进行观测,可以进行实时观测,在供水泵站控制室的终端电脑上进行数据输出。
通过对2009年12月水库蓄水至2011年11月底的观测数据进行分析,共蓄水2次,第一次从空库开始蓄水,最高水位达到7.49m。
第二次蓄水从3.72m水位开始,最高蓄水至6.16m水位,部分时段的水位过程线见图6。
水库水位观测除安装自动监测系统外,还在水位监测处及建筑物上安装了测量水尺。
根据自动化监测资料分析,水位资料和人工测量数据一致,水位变化情况与实际运用情况相吻合。
4.2水库大坝渗压监测
水库自2009年12月建成蓄水以来进行了连续观测,2010年10月22日前设定的观测时间为每小时整点观测一次,2010年10月23日以后,设定为每日14时观测一次。
中央控制监测中心计算机自动生成每个测点设定时间的观测数据,包括仪器读数、计算后的渗压值、当时的温度读数等。
同时生成了一系列的数据表格,并显示出观测点的渗压变化曲线及温度变化曲线等。
图6为根据水库大坝4号观测横断面上的渗压力绘制的渗流压力过程线。
4.3监测成果分析
根据大坝渗流原理,坝体渗流与库水位具有相关关系。
当水库水位下降时,浸润线水位随之降低,且上游断面的渗压力大于下游断面的渗压力。
经过对渗压监测过程线分析,水库水位降低时,监测点渗压力也随之减小,浸润线水面下降,下游监测断面渗压力小于上游断面,监测数据表明符合浸润线变化规律。
监测系统提供的数据具有连续性,可以完全按照管理人员的指令获取需要的观测数据,为水库的安全管理提供了第一手资料,及时、准确,为工程管理决策起到了关键性作用。
也为其他平原水库的管理提供了有价值的参考。
5结语
杨埕水库大坝渗流安全实时监测系统采用理论与实践相结合、模型控制与实验数据相结合,硬件设计与软件研发相结合的技术路线,建立了平原水库大坝运行参数的实时监测和分析决策支持系统。
经过近3年运用,采集了大量实时监测数据,技术先进、精度高、稳定性好、安装使用方便,所测数据具有连续性,为工程安全运行管理提供了决策支持。
其主要特点有:
(1)具有远程控制和数据采集功能。
无须亲临现场即可对测量模块和监测仪器仪表控制并获取数据。
采用的智能仪表,系统性能稳定、自动化程度高;
(2)振弦式传感器是目前在测力应用方面最为先进的传感器之一[3],技术先进、数据准确。
由于输出的是频率信号,因此其抗干扰能力强,温漂、零漂小,受电参数影响小,性能稳定可靠,能适应恶劣条件下长期观测和远距离测试[4];
(3)太阳能光伏发电系统的运用,节能、高效、环保、性能稳定;
(4)采用RS485光纤连接,数据传输误码率低、效率高。
光纤传输光信号,完全电绝缘,本身安全可靠,不受电磁环境干扰;
(5)其大坝渗流安全监测系统具有多传感器采集、多任务处理、数据传输并集成远传处理功能,并有效地解决了平原水库长距离电源线的防雷、抗干扰问题;
我国已建成数万座水库,很多水库缺少系统的连续监测资料。
杨埕水库采用的远程监测系统自动化程度高、运行安全、稳定性好、价格低廉、安装方便,不仅可以为其他平原水库大坝安全管理提供借鉴,也可在渠道大堤等工程的渗流监测中推广应用。
参考文献
[1]张晓廷,刘佳,赵景飞,等.大坝坝基中振弦式渗压计安装[J].水利水电施工,2011,(6)∶82.
[2]贺虎,王万顺,田冬成,等.振弦式传感器激振策略优化[J].传感技术学报,2010,
(1)∶74.
[3]竺长安,张屹,李胜利.振弦式传感器非线性补偿设计[J].传感器技术,2001,20(11)∶24.
[4]庞晓莹.大坝渗流监测系统在姚曲坡水库中的应用[J].陕西水利,2008,(S2):
60.
(责任编辑:
周群)
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- 大坝 渗流 安全 实时 监测 系统 水库 中的 应用