水库大坝安全和水雨情监测系统解决方案

　　一、方案概述

　 通过对水库大坝主要技术数据的实时监测监控，巡线员数据的实时查询，监测数据的智能分析等。实时了解该坝体安全状态并做出预测预警，为科学决策提供依据。监测目的主要任务包括：

• ●采用实时监测技术，监测水库水位、降雨量、大坝的位移变形及渗流等变化情况；
• ●采用水利监测数据管理系统，用以对监测数据进行接收、管理、曲线成图、报警等；
• ●该监测数据管理系统满足水利数据管理中心和市局数据中心以及总站数据中心的数据共享，平台接入山洪系统、智慧水利系统、接入未来的省厅系统。

　　二、建设方案

　 2.1 总体架构
系统分为现场自动监测报警和分析发布两大部分，其中自动监测报警部分由传感器子系统、数据通讯子系统、数据处理子系统、监控报警子系统组成，分析发布部分由数据分析发布与信息共享系统组成：

　系统架构图

　方案示意图

　 2.2 系统主要功能
2.2.1 水利安全的监测分析功能

• ●系统具有稳定可靠的采集、显示、存储、数据通信、管理、系统自检和报警功能；
• ●系统具有远程控制功能，可通过串口利用网络对监控主机进行遥控监测，实现数据采集软件上的所有功能，并对数据采集软件中的历史数据有访问权限的进行提取；
• ●系统可监测水库大坝的状态变化，在发现不正常现象时及时分析原因，采取措施，防止事故发生，以保证周围人民生命财产安全；
• ● 系统可定期进行观测数据的整编，为以后的设计、施工、管理提供资料；
• ●系统可随时对观测资料进行分析，开展对泥石流状态进行技术鉴定，总结经验，为制定安全措施、评价水库大坝状态提供数据；
• ●能根据实时采集数据自动绘出水库大坝地下水位变化线并给出相关数据；能对山体沉降和水平位移进行分析，并根据分析结果对形变的发展做出预测；
• ● 系统能综合历史数据和实时采集的渗流、水位、形变等数据，按照国家有关标准进行相关过程线分析、位势分析、滞后时间分析、沉降分析、水平断面分析、纵断面分析、等值线分析、安全状态分析等有关该水库的安全分析；
• ● 系统具有良好的防雷抗干扰，确保系统不因雷击而损坏。

　 2.2.2 水利灾害安全报警与应急处置联动功能
监控系统设有自动预、报警功能，当监测参数有向危险状态演变时，系统将发出预警信息。当监测参数超过预设警戒值时，系统将发出报警信息。从而有效预防事故，为有关部门提供数据支持。 在预、报警发生时，系统将进行： 

• ● 语音提示预警、报警信息；

• ● 文字提示预警、报警信息;

• ● 光灯闪烁提示预警、报警信息；

• ● 手机短信提示预警、报警信息；

• ● 安全参数越限处置记录单；

• ● 自动调阅应急处置方案；

以上信息可同步传输到现场值班室、总调度室、以及政府水利部门等。

　 2.2.3 监测系统的运行保障管理功能
为了确保监控系统能长期可靠运行，必须对构成系统的监测设备，通信链路，监控设备，报警设备，配套建筑设施，电力供应，相关的操作人员各个环节进行随时(定期)检查校验，建立运行档案，发现任何影响系统运行的问题，及时处置。包括以下内容： 

• ● 仪器设备的自检记录

• ● 仪器设备的维修记录

• ● 通信状况的记录

• ● 防雷状态的纪录

• ● 相关建筑设施的巡视记
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　 2.3 水库水雨情测报系统
2.3.1 系统构成
大坝水雨情监测站典型结构组成如下图所示：

　 大坝水雨情监测站主要由翻斗式雨量计、雷达水位计、遥测终端机、安装支架（可拆卸）等设备组件构成。该监测站可有效进行数据采集，可以将采集到的数据无线传输至管理中心，管理中心控制人员可以根据采集到的流量数据进行其他业务性预判操作。

　 2.3.2 技术参数
2.3.2.1 遥测终端机（CK-RTU-360B）
CK-RTU-360B系列RTU遥测终端机是一款集数据采集与4G数据传输功能于一体，实现数据采集、存储、控制、报警及传输等综合功能的水利、环保、市政遥测终端机。同时提供翻斗式雨量计接口、RS232、RS485、模拟量输入、开关量输入和开关量输出、格雷码（预留）接口，锂电池（预留），内置高精度三轴陀螺仪。可满足各种不同水文/水资源及其它应用需求。该产品可广泛应用于各种水利信息化建设领域，如水文、水资源、水环境、水污染、山洪灾害、水库安全、大坝安全的远程测控领域。
产品图片：

　 2.3.2.2 翻斗式雨量计（CK-YLJ-180）
本仪器为降水量测量一次仪表，其性能符合国家标准GB/T 21978.2－2014《降水量观测要求》要求。 本仪器的核心部件翻斗采用了三维流线型设计，使翻斗翻水更加流畅，且具有自涤灰尘、容易清洗的功能。 本仪器由外壳、过滤器、集雨器、漏斗、翻斗、接线端子、腿部支架、干簧管、雨量计底座等组成。其中，雨量计底座上安装有翻斗轴、圆水平泡、干簧管支架和信号输出端子。与其它翻斗式雨量计不同，本仪器的翻斗轴套为一体化定位结构，翻斗通过翻斗轴安装在轴轴承中，本仪器出厂时内部结构装配完成，不需要再进行内部结构的现场安装，给现场安装带来了方便。 本仪器的翻斗为三维流线型设计，并设计有下垂式弧面导流尖，其造型美观流畅、翻水性能更好且易清洗维护。 本仪器的翻斗上装有恒磁钢，干簧管支架上装有干簧管，仪器出厂时磁钢与干簧管均已调整在合适的耦合距离上，使仪器输出信号与翻斗翻转次数有确定的比例关系。

　 2.3.2.3 雷达水位计（CK-SWJ-680）
CK-SWJ-680雷达水位计，是指工作在80GHz的调频连续波(FMCW)雷达产品。产品最大量程可以达到120m, 盲区在20cm以内。由于它工作频率更高，带宽更大，测量精度更高。产品提供支架的固定方式，使得安装便捷简易。
主要特点：

• ● 基于自研的CMOS毫米波射频芯片，实现更紧凑的射频架构，更高的信噪比，更小的盲区。
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• ● 5GHz 工作带宽，使产品拥有更高的测量分辨率与测量精度。
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• ● 最窄6°天线波束角，安装环境中的干扰对仪表的影响更小，安装更为便捷。
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• ● 一体化透镜设计，体积精巧。
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• ● 显控和液位计采用分离设计，可定制。
• ● 支持 NB 无线传输，可配置上传周期。
• ● 低功耗运行，寿命大于 3 年。
• ● 水位超上、下限（可配置）上传报警信息。
• ● 支持手机蓝牙调试，方便现场人员维护工作（后续版本支持）。
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2.4 水库大坝安全监测系统
2.4.1 大坝安全检测系统构成

2.4.2 渗压监测
在重力坝、水闸等建筑物底面布置测点，埋设观测设备， 对浮托力和渗透压力所形成的总水头进行量测和分析， 以掌握建筑物所承受的扬压力大小、分布和变化过程。由于扬压力是一种不利于水工建筑物抗滑稳定的荷载， 难以在设计时准确计算和试验测定。因此，观测扬压力的大小和分布对于估计水工建筑物抗滑稳定性， 保证安全运行十分重要。同时， 根据扬压力实测资料还可检查灌浆帷幕和排水的实际效能， 并对设计中的扬压力计算进行验证。 监测原理：采用振弦式渗压计，通过在预留好的测压管，把渗压计放置在管内。通过测量渗压计的压力，再转化为水头高度（高程），结合安装深度、孔口高程、库水位综合计算，可得到坝基的扬压力监测值。测量精度取决于渗压计的精度。

2.4.3 坝体渗流量监测
在渠道内安装量水堰槽，对量水堰堰上水头细微的水位变化进行精确测量，测得堰槽中的水位细微变化，由于堰的缺口或槽的缩口比渠道的横截面积小，因此，渠道上游水位与流量的对应关系主要取决于堰槽的几何尺寸。同样的量水堰槽放在不同的渠道上，相同的液位对应相同的流量。量水堰槽把流量转成了液位。通过测量量水堰槽内水流的液位，再根据相应量水堰槽的水位-流量关系，反求出流量。 GL型量水堰计适用于量水堰堰上水头及其它需要对细微的水位变化进行精确测量的场合。采用数字式原理制造的精密量水堰计，各种性能非常优异。主要部件均采用不锈钢制造，适合各种恶劣环境中使用。仪器带有一根通气电缆以克服大气压力对测值产生的影响。

2.4.4 沉降监测
静力水准仪是一种高精密液位测量系统，该系统适用于测量多点的相对沉降。在使用中，多个静力水准仪的容器用通液管联接，每一容器的液位由传感器测出，传感器的浮子位置随液位的变化而同步变化，由此可测出各测点的液位变化量。在静力水准仪的系统中，所有各测点的垂直位移均是相对于其中的一点（又叫基准点）变化，该点的垂直位移是相对恒定的或者是可用其它方式准确确定，以便能精确计算出静力水准仪系统各测点的沉降变化量，因此静力水准仪可对坝体表面纵向某水平高度线上的垂直位移进行监测。

2.4.5 大坝表面位移监测
本系统采用GNSS自动化监测方式对库区边坡，大坝表面位移进行实时自动化监测，其工作原理为：各GNSS监测点与参考点接收机实时接收GNSS信号，并通过数据通讯网络实时发送到控制中心，控制中心服务器GNSS数据处理软件HCMonitor实时差分解算出各监测点三维坐标，数据分析软件获取各监测点实时三维坐标，并与初始坐标进行对比而获得该监测点变化量，同时分析软件根据事先设定的预警值而进行报警。 GNSS表面位移监测的误差水平为±2mm+1ppm，高程方向为±4mm+1ppm。