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[摘 要]水库大坝不仅起到防洪作用，而且在灌溉方面也起着无可替代的作用。本文针对水库大坝自动化观测系统的应用及存在的一些问题，并对观测自动化系统进行优化改造，旨在提高水库大坝的自动化观测能力，在提高现代化管理水平的同时，也为今后的其他水库大坝观测系统工作提供参考，确保居民生命财产安全。
[关键词]水库大坝 自动化观测系统
中图分类号：TB7 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）07-0231-01
一、前言
该水库工程是我国岩溶地区采用RCD筑坝技术修建的大型水利工程，坝高79米，坝长1103米。其内部观测项目包括应力、应变、温度、渗压和裂缝观测；外部观测包括大坝水平位移、坝体挠度、坝体倾斜、基岩变形及坝项、坝基、坝顶和近坝区沉陷等大坝变形观测，渗透流量、绕坝渗流及扬压力等渗流观测和库水位、水温及气温等水文观测。
二、观测系统存在的问题及原因
该系统从设计到生产研制、投入运行的时间跨度较大，数据采集可靠性差，同时系统分析软件落后，只能在DOS平台下工作，大坝观测数据只能存储在坝前监测终端微机，未实现与管理局后方计算机的实时共享，且数据丢失较多。从自动化观测设备的运行效果看，人工与自动测值相差较大，且系统经常出现问题，不能取代人工观测，并且相继处于瘫痪状态。其中集水井的自动化从开始就不能运行，垂线、引张线、量水堰自动化装置于2008年6月瘫痪，扬压力自动化观测系统于2011年6月瘫痪，内观自动化系统于2011年11月8日瘫痪，外部观测项目也完全依靠人工来完成。由于工作环境艰苦且工作量巨大，加之水库大坝结构复杂，人工观测精度低，不能满足现代化管理要求，整个系统亟待更新改造。由于水库大坝多在上世纪末建设，受到当时各项因素的影响，导致水库在施工时设置的观测仪器设备多数较落后，且埋设的电阻式传感器较老旧，不能满足当前的需求。加上该系统设计及投入使用的时间跨度相对较大，最终导致采集的数据信息缺乏可靠性及真实性，也就不能够为水库的管理提供可靠信息。同时观测系统软件并没有跟进时代潮流，较落后，极易与管理局后方计算机的实时共享，数据失较多，并不能够完全取代人工数据采集，系统时常出现问题。另外，由于工作环境相对较恶劣，工作量较大，水库结构复杂，使得人工观测也不能满足当前水库发展需求，为此，整个水库大坝的观测自动化系统需要进行改进。
从目前来看，使得水库大坝观测系统时常出现问题的原因主要有以下几方面：首先，设备更新较慢。近年来，信息网络技术不断发展，而水库大坝观测系统所使用的设备并没有跟上时代潮流，加上采集数据的线路过于老化，也就导致系统时常出现问题。其次，观测系统中所使用的传感器基本上已达到预期使用寿命，由于早年埋下的传感器，施工技术相对较低，也就导致了传感器跟不上先进的筑坝工艺。最后，观测方式不能够满足当前要求。长期以来，所采用的正垂线线体过长，晃动次数较大，进而导致测值不够稳定，影响测量结果。
（1）经过施工安装和水库运行，内部观测传感器埋设在坝体内十余年，传感器基本上达到预期寿命。另外，当年闸内生产的坝体内埋设的传感器基本是适合常态混凝土筑坝埋设方式，对于碾压式混凝土的施工方法难于满足要求，传感器落后于较先进的筑坝工艺，在施工过程中就有部分设备失效。
（2）随着时间的推移和设备内部状况的变化，陆续有部分仪器不能正常工作，再加上采集数据的线路老化和抗电磁干扰作用的降低，系统中控设备经常出现故障。
（3）垂线线体摆动，采用常规测量方法不能满足规范要求。由于正垂线线体过长，在每年的10月至次年的3月，线体晃动较大，导致测值不稳。原扬压力计采用的是差阻式仪器，扬压力的观测中近1/3的传感器误差较大，测值不可靠。
三、观测系统的几点改造策略
水库大坝的安全直接关系到附近居民生活及生命安全，为此，设计水库大坝观测自动化系统具有重要意义。鉴于以上存在的几个问题，特提出以下几点策略：
3.1 对外部监测系统进行优化设计
数据监测系统作为观测自动化系统的重点内容，做好数据监测具有重要意义。为此，在对数据监测系统进行设计时应坚持因地制宜及科学经济的原则，设计科学合理的外部监测系统。如：可采用直线段布置方式来进行张线的布置，实现大坝的水平监测，并通过垂线作为工作基点。由于基础廓道顶部潮湿度较大，适宜选择具有代表性较强的部位进行扫孔，重點对渗水处进行监测，预防水渗漏。
3.2 对内部监测进行优化设计
在监测自动化系统建设之前对内部监测仪器进行全面鉴定，一旦发现不合格应立即寻找原因，及时采取对策。将大坝体的温度设计在8层以上，并选取一支适宜的温度计纳入自动化水库大坝观测系统中，确保监测的安全性。另外，对于折向上游的大坝，适宜在折点位置将伸缩缝隙张开，在大坝的转折点处增设测缝计。颞部监测系统则可改用MCU精度高的技术，对该工程的各项参数进行设计。
（1）大坝变形监测可结合原有的监测设施和本工程的特点，按照重点突出、可靠性好、精度高、经济实用的原则进行设计。
（2）大坝水平位移监测采取在直线段布置3层引张线，并以垂线作为工作基点；在转弯坝段布视准线的方案基本合理，但必须论证倒垂线和视准线工作基点的稳定性。
（3）坝顶水平位移采用TCA2003全站仪观测方案，观测精度应满足误差小于或等于lmm监测规范规定。
（4）建议在垂线改造时充分与厂家沟通，选定合适的钢丝直径，在更换钢丝时，应注意新垂线和老垂线之间的衔接问题。
（5）对于233.25m的水平裂缝要有监测手段。裂缝的变化可通过对扬压力、垂直位移的监测来体现和了解。从设计方案的完整性考虑，应在条件成熟时在裂缝上埋设相关的监测仪器。
（6）增加坝基帷幕灌浆转折处（BL42-43）的横向扬压力监测断面。
（7）基础廊道顶部潮湿度较大，应选择代表性坝段如（F8所在的BL21-24、BL42）的代表性部位进行扫孔，重点监测渗水情况。
（8）要有坝体析出物对管口流量计的影响评价；做好集水井水位控制计的参数设定。
3.3 对水库监测软件进行优化设计
数据采集管理子系统及其他子系统均有相对独立性，其实是由不同专业单位来承担，均提高整个系统的实用性及其先进性。为此，其软件系统应注重实用、可靠及其经济的原则。应着重强调：内部仪器过程线，对于观测结果中含有温度测值的内部观测仪器的过程线则需要绘制同一时间坐标的温度及其监测量两幅过程线图，对所选择的侧点当前时段的测值进行回归性分析。另外，包括一维分布图和二维分布图，一维分布图主要是描述某一个空间方向上的同一监测，应对其进行重点强调。
3.4 内部观测与环境量监测设计
（1）水库大坝内部监测仪器安装埋设多年，仪器性能均有不同程度的下降，甚至损坏，所以在监测自动化系统建设之前宜对内部监测仪器进行一次系统的鉴定。
（2）坝体下游表面原设2组温度计，多年来获取得资料已经掌握了气温对坝面表层影响的规律，设计将2组仪器均纳入自动化系统必要性不大，所以建议改为1组性能比较好的温度计纳入自动化系统观测。
（3）坝体设8层温度计，设计在每一层选1支温度计纳入自动化系统是合适的。
（4）建议在大坝下游增设1支水位计，纳入自动化系统，以便于监测资料的分析。
（5）—般折向上游的坝，在折点处的伸缩缝容易张开，且容易漏水，建议在大坝折点部位的横缝增设测缝计。
（6）大坝上游坝面不同高程的水平裂缝，应是本工程的监测重点，但一直未布设监测仪器，建议有条件时，应补装监测仪器。
（7）内部监测组网方案选用的MCU精度等技术参数须满足本工程需要。
四、结语
新的观测自动化系统的应用，为水库大坝的安全运行、水库优化调度提供强有力的技术保障和提升现代化管理水平的同时，也将对碾压混凝土坝的设计、施工及科研起到重要的参考与借鉴作用。
[关键词]水库大坝 自动化观测系统
中图分类号：TB7 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）07-0231-01
一、前言
该水库工程是我国岩溶地区采用RCD筑坝技术修建的大型水利工程，坝高79米，坝长1103米。其内部观测项目包括应力、应变、温度、渗压和裂缝观测；外部观测包括大坝水平位移、坝体挠度、坝体倾斜、基岩变形及坝项、坝基、坝顶和近坝区沉陷等大坝变形观测，渗透流量、绕坝渗流及扬压力等渗流观测和库水位、水温及气温等水文观测。
二、观测系统存在的问题及原因
该系统从设计到生产研制、投入运行的时间跨度较大，数据采集可靠性差，同时系统分析软件落后，只能在DOS平台下工作，大坝观测数据只能存储在坝前监测终端微机，未实现与管理局后方计算机的实时共享，且数据丢失较多。从自动化观测设备的运行效果看，人工与自动测值相差较大，且系统经常出现问题，不能取代人工观测，并且相继处于瘫痪状态。其中集水井的自动化从开始就不能运行，垂线、引张线、量水堰自动化装置于2008年6月瘫痪，扬压力自动化观测系统于2011年6月瘫痪，内观自动化系统于2011年11月8日瘫痪，外部观测项目也完全依靠人工来完成。由于工作环境艰苦且工作量巨大，加之水库大坝结构复杂，人工观测精度低，不能满足现代化管理要求，整个系统亟待更新改造。由于水库大坝多在上世纪末建设，受到当时各项因素的影响，导致水库在施工时设置的观测仪器设备多数较落后，且埋设的电阻式传感器较老旧，不能满足当前的需求。加上该系统设计及投入使用的时间跨度相对较大，最终导致采集的数据信息缺乏可靠性及真实性，也就不能够为水库的管理提供可靠信息。同时观测系统软件并没有跟进时代潮流，较落后，极易与管理局后方计算机的实时共享，数据失较多，并不能够完全取代人工数据采集，系统时常出现问题。另外，由于工作环境相对较恶劣，工作量较大，水库结构复杂，使得人工观测也不能满足当前水库发展需求，为此，整个水库大坝的观测自动化系统需要进行改进。
从目前来看，使得水库大坝观测系统时常出现问题的原因主要有以下几方面：首先，设备更新较慢。近年来，信息网络技术不断发展，而水库大坝观测系统所使用的设备并没有跟上时代潮流，加上采集数据的线路过于老化，也就导致系统时常出现问题。其次，观测系统中所使用的传感器基本上已达到预期使用寿命，由于早年埋下的传感器，施工技术相对较低，也就导致了传感器跟不上先进的筑坝工艺。最后，观测方式不能够满足当前要求。长期以来，所采用的正垂线线体过长，晃动次数较大，进而导致测值不够稳定，影响测量结果。
（1）经过施工安装和水库运行，内部观测传感器埋设在坝体内十余年，传感器基本上达到预期寿命。另外，当年闸内生产的坝体内埋设的传感器基本是适合常态混凝土筑坝埋设方式，对于碾压式混凝土的施工方法难于满足要求，传感器落后于较先进的筑坝工艺，在施工过程中就有部分设备失效。
（2）随着时间的推移和设备内部状况的变化，陆续有部分仪器不能正常工作，再加上采集数据的线路老化和抗电磁干扰作用的降低，系统中控设备经常出现故障。
（3）垂线线体摆动，采用常规测量方法不能满足规范要求。由于正垂线线体过长，在每年的10月至次年的3月，线体晃动较大，导致测值不稳。原扬压力计采用的是差阻式仪器，扬压力的观测中近1/3的传感器误差较大，测值不可靠。
三、观测系统的几点改造策略
水库大坝的安全直接关系到附近居民生活及生命安全，为此，设计水库大坝观测自动化系统具有重要意义。鉴于以上存在的几个问题，特提出以下几点策略：
3.1 对外部监测系统进行优化设计
数据监测系统作为观测自动化系统的重点内容，做好数据监测具有重要意义。为此，在对数据监测系统进行设计时应坚持因地制宜及科学经济的原则，设计科学合理的外部监测系统。如：可采用直线段布置方式来进行张线的布置，实现大坝的水平监测，并通过垂线作为工作基点。由于基础廓道顶部潮湿度较大，适宜选择具有代表性较强的部位进行扫孔，重點对渗水处进行监测，预防水渗漏。
3.2 对内部监测进行优化设计
在监测自动化系统建设之前对内部监测仪器进行全面鉴定，一旦发现不合格应立即寻找原因，及时采取对策。将大坝体的温度设计在8层以上，并选取一支适宜的温度计纳入自动化水库大坝观测系统中，确保监测的安全性。另外，对于折向上游的大坝，适宜在折点位置将伸缩缝隙张开，在大坝的转折点处增设测缝计。颞部监测系统则可改用MCU精度高的技术，对该工程的各项参数进行设计。
（1）大坝变形监测可结合原有的监测设施和本工程的特点，按照重点突出、可靠性好、精度高、经济实用的原则进行设计。
（2）大坝水平位移监测采取在直线段布置3层引张线，并以垂线作为工作基点；在转弯坝段布视准线的方案基本合理，但必须论证倒垂线和视准线工作基点的稳定性。
（3）坝顶水平位移采用TCA2003全站仪观测方案，观测精度应满足误差小于或等于lmm监测规范规定。
（4）建议在垂线改造时充分与厂家沟通，选定合适的钢丝直径，在更换钢丝时，应注意新垂线和老垂线之间的衔接问题。
（5）对于233.25m的水平裂缝要有监测手段。裂缝的变化可通过对扬压力、垂直位移的监测来体现和了解。从设计方案的完整性考虑，应在条件成熟时在裂缝上埋设相关的监测仪器。
（6）增加坝基帷幕灌浆转折处（BL42-43）的横向扬压力监测断面。
（7）基础廊道顶部潮湿度较大，应选择代表性坝段如（F8所在的BL21-24、BL42）的代表性部位进行扫孔，重点监测渗水情况。
（8）要有坝体析出物对管口流量计的影响评价；做好集水井水位控制计的参数设定。
3.3 对水库监测软件进行优化设计
数据采集管理子系统及其他子系统均有相对独立性，其实是由不同专业单位来承担，均提高整个系统的实用性及其先进性。为此，其软件系统应注重实用、可靠及其经济的原则。应着重强调：内部仪器过程线，对于观测结果中含有温度测值的内部观测仪器的过程线则需要绘制同一时间坐标的温度及其监测量两幅过程线图，对所选择的侧点当前时段的测值进行回归性分析。另外，包括一维分布图和二维分布图，一维分布图主要是描述某一个空间方向上的同一监测，应对其进行重点强调。
3.4 内部观测与环境量监测设计
（1）水库大坝内部监测仪器安装埋设多年，仪器性能均有不同程度的下降，甚至损坏，所以在监测自动化系统建设之前宜对内部监测仪器进行一次系统的鉴定。
（2）坝体下游表面原设2组温度计，多年来获取得资料已经掌握了气温对坝面表层影响的规律，设计将2组仪器均纳入自动化系统必要性不大，所以建议改为1组性能比较好的温度计纳入自动化系统观测。
（3）坝体设8层温度计，设计在每一层选1支温度计纳入自动化系统是合适的。
（4）建议在大坝下游增设1支水位计，纳入自动化系统，以便于监测资料的分析。
（5）—般折向上游的坝，在折点处的伸缩缝容易张开，且容易漏水，建议在大坝折点部位的横缝增设测缝计。
（6）大坝上游坝面不同高程的水平裂缝，应是本工程的监测重点，但一直未布设监测仪器，建议有条件时，应补装监测仪器。
（7）内部监测组网方案选用的MCU精度等技术参数须满足本工程需要。
四、结语
新的观测自动化系统的应用，为水库大坝的安全运行、水库优化调度提供强有力的技术保障和提升现代化管理水平的同时，也将对碾压混凝土坝的设计、施工及科研起到重要的参考与借鉴作用。