某水库大坝安全监测自动化系统设计与施工
摘要：本文重点从某水库大坝的安全监测自动化系统的实施，谈到了对测位的布置、信号传输及设计、施工，同时也对防雷等问题做了分析。

关键词：水库大坝；监测；自动化；设计实施
0 前言
在土石坝安全监测自动化系统中，基础土建是其重要组成部分，往往由于认识的不足和工程应用研究较少，造成系统脆弱，成为水利自动化推广普及以及向深层次发展的屏障。

为此，应重视并研究水利自动化系统的基础土建问题，为新建、改建及扩建的自动化工程建立可行的基础条件。

１测位布置
测位的布设原则是在满足大坝安全监测需求的基础上与自动化建设过程及长期稳定运行相适应的综合建设体系。

某水库枢纽工程由土坝、溢洪道、输水洞和水电站等组成。

土坝坝型为粘土心墙坝，最大坝高63m，坝顶长267m。

目前实施的主要测点及监测项目有：大坝渗流压力、浸润线、绕坝渗流、上游坝坡渗透压力、心墙渗透压力、坝基渗透压力、排水导渗降压效能、地下水位、渗流量、库水位、温度场等。

主要监测方法为测压管传感器法。

主要监测设备为测压管、渗压计、投入式压力传感器、超声波水位流量计、电磁流量计、铂电阻温度传感器等。

自动化系统的设计要求是将各测点采集的监测数据传送到监测中心站，由监测中心站完成数据处理与存储过程，实现土坝安全监测的自动化。

2 信号传输
大坝安全监测自动化系统是国内外近年来发展较快的应用技术，其系统的土建设计与施工目前还缺乏想应的行业规范，实施中遇到的主要问题有传输路径研究、设备保护、线路防护等，防护过程包括防止人为破坏、气候因素造成的破坏、电磁干扰及雷电轰击等。

过去的水库管理中，曾有过自动化的雏形，如单一的远传水位计或坝体内预埋传感器等，信号传输路径通常是线路直埋或配合部分架空敷设，多数设备不可避免地在外力场、温度及电磁场的作用下很快夭折。

总结其破坏形式，主要是外力破坏（如剪刀、拉力等）、生物破坏（如鼠嗑、虫灾等）、雷击破坏等；而内力破坏则不多见。

这种系统一般只适应单测点的场合，而且不能改变结构，极易造成系统报废。

当前实施的土石坝安全监测自动化系统是一个具有相当规模的综合系统，是集多项目、多测位和多传感器于一体的自动化工程系统。

从国际坝工管理发展趋势和我国水库水资源在现化国民经济中的重要地位考虑，在一改过去粗放型管理模式，朝着美化、细化和人文化的方向发展的基础上，建立经济、可靠、运行稳定的实用型信号线敷设和传感器仪表箱设计安装等方面是值和研究的。

从多种传
输模式比较来看，在大坝距管理监测中心相对较近处建立大量的无线传输点，在现阶段显然是不适合的。

大坝监测主要采用有线传输方式，对于距离较远且测位分散的点一般采用无线方式建点再并网运行。

信号传输及其路径是为实现测位与中心站的连接即数据传输而设计，是实现各测点与中心站数据信号连接的基本手段和必由之路，系统传感器至测控单元（MCU）至中心站主要采用有线传输。

3 土建设计与施工
3．1线路土建
3．1．1 线路走势
线路走势采用最短距离和尽量不破坏或少破坏原建筑结构的原则确定监测点之间的线路。

视监测点的数量，一般以一个断面为一个点组，当两相邻断面相距较近且点数较少时，可将两个断面或几个断面从电连接上归并成组，其中一个断面的测点归至另一断面处理，使总体上形成树形。

主干线路布设需考虑与各结点组之间搭配连接，尽量取消或减少引接线路。

在不增加总线路长度的原则下，尽可能选在便于施工又不影响美观、土层电阻率较低且没有积水、靠近坝脚的坝坡较低处布设。

当遇有局部沟壑，尽量采取绕行布线而放弃沿沟底或架空布线，以避免雨水冲刷和雷击。

图1是某水库的布线设计图。

3．1．2 线路敷设
3．1．2．1 结构
从几年的工程运行情况看，较理想的方式是穿护管地埋敷设。

这种敷设方式是一种“活”的结构，如果系统需要增容、更改电气结构、更换线路以及系统结构升级等，不需要重新进行土建或仅进行增容土建。

3．1．2．2 选材
护管材料的选择，通常以铁磁质材料的镀锌管为宜，它不仅能起到很好的防鼠、防虫作用，更能起到良好电磁屏蔽作用。

3．1．2．3 敷深
线路敷设设深度依施工地的土层及地下水状况确定。

对于地下水位较高、冬季地下水常位于冻层以上以及冬季形成冻层的土料区域，线路埋深一般要在冻层以下，防止冰胀拉断线路。

对于不存在冰胀的区域，如砂砾料坝坡、坝顶、冬季地下水位低于冻层的砂砾石料区域以及南方地区，埋深仅需考虑地面防护，一般在700mm左右；对某些不易开挖的坝坡，管线敷设可考虑利用纵横向排水沟等结构明敷，但要与整体美化相结合。

3．1．2．4 管线施工
沿设计走势开挖线缆沟，新建及改扩建的坝面施工均与筑坝加高工程配合进行，避免二次启开坝面护坡石。

达到设计挖深经有关方面检测合格并作好隐蔽工程记录后，敷设管路。

护管安装前其端面需经过机械加工或人工倒角倒圆，用螺纹管接头连接，防止穿线时割破线缆。

在有接头的两管段间跨螺纹管接头，对称焊接两个直径8mm左右的钢筋，并涂防护漆保护，以确保两管间的电气连接。

护管敷至测压管附近时，按电缆要求的弯曲半径做冷煨弯延至地面与测压管口平齐，再与测压管进行焊接固定，实现电气连接。

通信电缆管路设计时应考虑对通信电缆的修复问题，沿线路间隔50m左右设一电缆井，井体由砌筑砖混结构组成。

电缆井结构见图2。

电缆井结构设计时考虑防雨水进入，且井内不允许存水，井口用盖板盖严后敷土埋设。

3．1．2．5 可靠性
线缆敷设系统设计取消或减少线路施工接头，特殊出现的接头均专门处理，以降低接头处的信号散射和杂波干扰。

土建设计与线缆敷设施工设计配合，仅有的接头只出现在电缆井中，以便于日后维护。

3．2防护设计
3．2．1线路防护
线路防护主要是防止人为破坏，防止线路受外力作用断，如冬季受冻胀拉断、受剪力切断、鼠嗑破坏等。

施工时，线路通过坝顶、防浪墙、公路、桥涵、渠塘等时，视现场情况对管线进行加固。

过公路时，用大一级的套管防护并留出扩容
余地。

穿防浪墙的管线施工时进行封堵防涌。

过桥梁时一般用钢拉线固定，同时需检测拉线的接地状态。

3．2．2防雷设计
进行自动化系统设计应确保防雷接地系统的设计，国内外许多自动化系统出现故障或破坏，均因防雷设施欠妥所致。

系统采用多重防雷设计和等电位接地技术，护管施工时（参见3.1.2.4节），沿管线全程间隔15m~30m向地下打入不短于2m的接地极，形成全线致密的加强型接地施工（网），在跨手井盒的部位焊接不少于2条导流筋。

除管线系统（穿线管形成大面积接地体）的自然接地外，在监测中心附近建设专用接地系统，并与穿线管可靠焊接，形成全面的法拉第笼，使接地体面积足够大，接地电阻小于1Ω，能够有效地防止直击雷、感应雷等造成的雷击。

3．2．3其他防护
测压管孔口浇筑混凝土基台，用于固定护管及安装防水仪表箱。

在坝上及大坝附近使用时，有效地防止人为撬动破坏，以及防止雨水进入测压管影响监测精度。

夏季可防止高温对现地仪表的影响。

秋季箱内产生大量的水汽能自动排出。

箱内还设有防护装置，冬季能有效地防止测压管内结冻。

起到很好的防护作用。

4 结束语
在保证最优性比的基础上实现自动化系统的可持续性，有线传输是多年来普遍采用的方式之一，是大坝安全监测系统中的重要组成部分。

在近距离、不便或不需要进行无线传输的场合，有线传输是一种价廉、可靠、理想、的工程传输方式，合理的土建设计是系统成败的关键之一，考虑系统防雷的需要，尽量采取地埋布线方式。

经过几年的应用总结，经受了夏季雷电及人为破坏的考验，取得了满意的应用效果，值得在一些地区推广。

参考文献：
1 彭凯忠，李长龙，庞毅，等。

南城子水库防洪调度系统及决策模型分析。

辽宁省防洪加固工程专刊，2001
2 GB50168—92电气装置安装工程电缆线路施工及验收规范。

1992
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。