我国大坝自动化安全监测现状200930201489周杰华我国大坝自动化安全监测的研究始于70年代末，80年代有了长足的进步，进入90年代中期以后，随着现代科学技术的迅猛发展，特别是传感技术、计算机和微电子技术、通信技术的巨大发展，我国大坝自动化安全监测技术的总体水平有了一个质的飞跃，监测自动化技术已渐趋成熟，大坝安全监测的实时性、稳定性、可靠性和实用性有了显著的提高。

可以说21世纪大坝自动化安全监测已进入了推广应用的新时代。

一、概述从1992年对83座水电站大坝开展了首轮水电站大坝安全监测设施更新改造工作开始，通过八年多的努力，绝大部分水电站大坝已完成以“完善化为主，着重配齐必要的监测项目，提高监测精度、稳定性和可靠性”为目标的更新改造工作，设置了必要的变形、渗流等监测项目，大坝安全监测设施的现状有了较大的改善，使这些大坝健全了监视其安全的耳目。

但是，通过调查发现:由于客观因素的限制和变化以及人们认识水平的不断提高，部分大坝的监测设施还存在一些问题。

如:有的大坝变形监测未设校核基点，或测点布置和结构不合理，或监测精度不能满足规范要求，或设备老化、受损，或自动化程度不高等。

在大坝自动化安全监测方面，根据对电力系统136座水电站大坝自动化安全监测调查情况看，有60座水电站大坝单个或多个监测项目采用了监测自动化技术，实现了数据的自动采集。

其中，有33座大坝的变形、渗流等主要监测项目实现了监测自动化，有18座大坝的变形监测实现了自动化，有6座大坝的渗流监测实现了自动化。

系统都有在线监测的功能(如数据的自动采集、传输、储存和处理)，大多数系统还有离线分析、建立数学模型、报表制作、图形制作等功能。

大坝自动化安全监测的实现，提高了监测精度，改善了监测条件，减轻了劳动强度，增强了对大坝的在线监测能力，为今后实现在线监控和在线管理打下了良好的基础。

同时对及时掌握大坝运行状态发挥了重要作用，也为大坝安全评价提供了科学依据。

从调查的资料中也可以看出，各大坝的监测自动化系统的规模、功能、稳定性、可靠性参差不齐，绝大多数基本能满足监测要求。

但也有一些系统，特别是1995年以前建成的系统问题较多，有的已处于瘫痪状态(如盐锅峡)，有的监测数据系列较差、精度低不能满足资料分析要求(如桓仁、回龙山的垂线，梅山的垂线，柘溪的垂线和量水堰、富春江的引张线，长潭的激光准直，枫树坝的采集单元等)，急需进行改造完善。

系统发生故障的原因主要有:传感器、设备元器件质量差，还有雷击、潮湿、鼠咬、浸水等外界因素。

二、下面分监测方法、监测仪器(传感器)、数据采集系统、监控管理系统四大部分对目前的监测自动化有关现状加以叙述。

1 监测方法选择有效的监测方法是取得良好监测效果的保证。

表1汇总了大坝自动化安全监测常用的监测方法。

垂线是一种量测大坝水平位移和挠度的简单实用、维护方便、直观可靠的监测手段，既便于人工观测，也易实现监测自动化。

垂线或垂线与引张线结合或垂线与激光准直结合的监测方法，在大坝水平位移监测自动化中应用最为广泛，有很多成功的例子。

因此，大坝变形监测设计时应首选垂线监测方法。

如:拱坝和一些坝轴线较短的混凝土大坝的水平位移可利用3~9条倒垂线或正倒垂线组来监测。

部分土石坝的变形采用了引张线法来监测，从技术上讲是“可行”，但考虑土石坝安全监测的特点以及价格性能比等诸多因素，必要性不大。

应将有限的资金用于渗流监测。

2 监测仪器监测仪器是实现大坝自动化安全监测的基础，其精度和稳定性直接影响到实测数据的可靠性。

我国从50年代开始研制和生产，经过几十年，特别是近10余年的不断努力，无论从仪器种类、性能和自动化程度等方面都有很大的发展，目前已有电容式、电感式、步进电机式、光电耦合阵列CCD、差动变压器式、钢弦式、差动电阻式等10余种。

表2所列是在国内大坝安全监测中应用效果较好具有代表性的常用监测仪器。

此外，国产差动电阻式、钢弦式、压阻式渗压计和光电耦合线阵CCD垂线坐标仪、引张线仪，以及用于边坡监测的多点变位计、锚索测力计等仪器，经过近几年的不断改进和完善，其精度和长期稳定性已有很大提高，在逐步推广应用中。

3 数据采集系统我国大坝安全监测数据自动采集系统的研究始于70年代末，实施自动化的技术路线与国外有所不同。

首先实施的是内部监测仪器的数据采集自动化，先后于1980年和1983年在龚嘴和葛洲坝安装了大坝内部监测仪器数据自动采集装置，但其数据处理和安全管理功能很弱。

进入90年代以后，随着现代科技的进步，特别是计算机和微电子技术、通讯技术的巨大发展和国外先进设备的引进，研制出了多种型号的可用于大坝变形、渗流等监测的大坝安全监测数据自动采集系统。

目前，国内大坝安全监测数据自动采集系统按采集方式可粗略分为三类:即集3.1集中式集中式结构的特点是测控装置只有一台，安装在远离测点的监测室，在测点和测控装置之间常设置一些分组汇集的切换装置。

其具体结构见图2.3。

这种集中式遥测系统所采集的是模拟量，加上设备本身均存在问题，如抗干扰性能差，故障率高，可靠性低，监测资料不完整、不连续，数据采集受自然条件影响大，所测资料难以作为安全评估的依据，在国内的应用效果并不理想。

3.2分布式分布式监测系统目前在国际上应用较为广泛，它采取分散采集、集中管理的结构，具有可靠性高、准确性好、采集速度快、可扩展性强等优点。

主要由数宇化、模块化的采集装置，一般称为测量与控制单元或数据采集模块(Data AcquisitionMedule，DAM)，负责测点的数据采集、存储与控制，并通过现场总线把所测数据直接传送到监测中心。

3.3网络式网络式结构具有标准化、开放化的特征，充分利用现场总线的优势，把不同仪器设备，例如智能传感器、遵守同一协议规范的传感器，通过以太网、因特网等构成综合化的系统。

网络式的典型应用是流域级大坝安全远程监测系统，其具体的网络拓扑结构见图2.5。

传感器数据从最底层的采集现场通过总线网络到达水电站监测中心，水电站监测中心再通过因特网与流域监测中心进行数据交互。

数据库应用程序流域监测中心其他职能部门现场模块”监控现场web用户3系统中具有代表性的有电力自动化研究院的DAMS型系统、南京水利水文自动化研究所的DG型系统、西安联能自动化工程有限责任公司的LN1018型系统和南京电力自动化设备总厂的FWC型系统。

这些系统通过工程实践的不断改进和完善，技术已渐趋成熟，使大坝安全监测数据自动采集系统的实时性、稳定性和可靠性有了显著的提高，并具有较强的抗干扰、抗雷击和防潮等性能，可采用双绞线、光纤、无线等传输介质对采集设备进行连接，可接入多种类型的传感器。

此外，还有一些单项自动化数据采集系统，如武汉地震研究所的遥测静力水准系统和长春市朝阳监测技术研究所的真空激光准直系统等。

另外，在引进和应用国外先进技术方面也取得了成功。

如:美国Geomation公司、Sinco公司的产品在国内都得到了较好的应用。

这些产品的成功应用，不仅引进了先进的设备和技术，而且对我国大坝安全监测技术的发展起到了积极的促进作用。

4、监控管理系统我国开展监控管理系统的研究和开发始于80年代中期，进入90年代，随着计算机硬软件及网络通信技术的高速发展，大坝安全监控管理系统在功能和性能上有了较大的增强，国内多家单位正在开发或初步开发了界面友好、形象直观、功能较强的大坝安全监控管理系统，但在工程实际中成功应用的实例较少。

在60座实现监测自动化的大坝中，绝大多数只具有在线监测(如数据的自动采集、传输、储存、处理)和离线分析、建立数学模型、报表制作、图形制作等功能，缺乏在线监控和大坝安全综合评判的功能，没有体现自动化快速、准确、高效的特点。

以下用大坝安全监控与管理系统在横江水库的建设与应用说明监控管理系统的功能：4.1.在线监控系统。

（1）水雨情监测、防洪警戒和大坝安全实时监控。

水雨情监测信息是水库安全管理、泄洪监控、防汛、水库兴利运用以及区域防汛、防旱统一调度的重要依据。

系统设置1个水位遥测点，用来测量库区水位，在引水涵闸门启闭房上设置遥测雨量计、遥测大气温度计。

这些测点与设置在引水闸的现场监控终端PLC连接。

此外，保留现有人工观测的蒸发量仪，观测数据由人工输入计算机。

监控机执行值班监控时定时（汛期每隔5～10分钟，非汛期每隔20～30分钟）采集水位和降雨量，定时或当水位、雨量有单位值变化时启动数传电台向市三防发报（备留功能）；将实时水雨情数据存入网络数据库。

定时进行水情预报作业。

水雨情实时监控界面通过实时监测水雨情，实行防洪警戒。

当预测来水量和坝前水位要超过警戒值时，监控机声光示警，驱动防洪决策支持模块，进行调洪演算，给出泄洪方案，包括泄洪流量、闸门开度、泄洪历时以及应采取的安全措施，同时为管理员提供修改泄洪方案有关数据资料。

泄洪方案经批准后，监控机连接闸门自控系统，对泄洪闸进行控制。

在泄洪过程中对水情和泄洪数据进行过程监控。

需要时管理人员可中途人工干预改变泄洪状态。

监控机值班过程中还对大坝安全关键监控点定时监测，实时安全预报和评判安全度，超安全监控指标时发出警报。

（2）渗流监测。

通过渗流监测和分析，判定大坝稳定性以及防渗、排水和反滤设施的运行状况。

积累监测资料建立安全监控模型后，结合水情监测进行实时安全监控。

当监测值超出安全监控指标时，系统将发出警报。

此时需要结合坝面位移监测资料，分析坝坡稳定性。

判定有异常现象时，要加强巡视，注意渗流出逸点状况。

通过浸润线监测，可判断大坝渗流是否正常，坝坡是否稳定，防渗设施是否有效，坝体内是否出现裂缝，并可验证大坝加固工程施工后的效果。

浸润线监测利用大坝近期除险加固时新建的3排浸润线断面共9个测压孔。

各测压管在坝体与岸坡接触面以下为进水管段。

进水管段下端应伸入至岸坡弱透水层内。

进水段以上孔壁与测压管外壁之间须回填粘土封堵。

其余有关钻孔、埋管技术要求与浸润线测压管相同。

采用采用了一种新型的渗压监测设备测量测管内的渗压水位。

4.2.闸门控制系统。

闸门监控对象包括：溢洪道泄洪闸四扇弧门（8.2×10）、发电引水涵洞一扇深水平板门（2.7×2.7）和灌溉引水涵洞一扇深水平板门（1.86×2.6）。

控制装置包括手动控制装置、可编程控制器、卷扬机供电装置等。

控制系统具备闸门控制、故障诊断、闸位监控、机电设备工况监测、数据初步处理、报警等功能。

闸门控制分二级权限：第一级手工操作具有较高优先级，终端只完成数据采集与上报；第二级控制由上位机发送指令，对闸门进行操作。

系统依据水情监测与预报信息、闸门运行操作规程以及横江水库的调度预案，由防洪调度模块给出泄洪调度方案并经核准后，监控上位机将闸门开度等信息传送给闸门控制系统，驱动闸门控制系统执行自动调控，需要时管理人员可通过计算机直接下达指令对闸门进行控制。