刘国良

(费县许家崖水库管理中心，山东 临沂 273400)

1 引言

水库工程建设具有较为显著的防洪、经济、社会效益，在我国早期发展过程中，修建了数量较多的水库工程[1-2]。受限于水库工程修建时期的经济、科技发展水平，诸多水库工程建设质量较为低下，配套设施不齐全，对后期的正常使用造成了许多不利影响，为了改善这一现状，对这一类水库进行提升改造是十分必要的[3-5]。大坝是水库工程的重要组成部分，其安全对下游居民的安全影响较大，同时，大坝的情况对水库效益的发挥也有较大的影响，加强监测对于分析大坝安全、及时发出预警信息有重要作用[6-8]。因此，针对早期修建的监测设施配置不全的水库进行监测提升工程改造具有良好的效益。

2 水库工程基本概况

许家崖水库是一座大(2)型水库。水库加固前总库容2.7957 亿m3，兴利库容1.67 亿m3。控制流域面积580 km2，干流河道长度54 km，干流比降0.00157。许家崖水库采用心墙坝，最大坝高31.60 m。

目前，许家崖水库安全监测设施不完备，除险加固工程设计采用人工观测，监测频次得不到保障，无法及时掌握水库运行状况，实施及时有效的指挥调度。因此，提高水库监测水平，是十分必要的，对水库效益发挥、安全保障有重要作用。

3 监测设施现状布设情况及目标

3.1 监测设施现状

2013 年水库除险加固工程后，建设了大坝位移监测系统。许家崖水库已建位移观测采用视准线法。下游坝坡两排工作基点、校核基点设在左岸岩石上。因受地形条件制约，坝肩两排工作基点、校核基点布设在坝左端岩石上，水平位移工作基点共计6 个，水平位移校核基点共计6 个。配合1 套蔡司Ni010(J2 级)型精密经纬仪用于水平位移测量。

大坝的水平位移通过综合标进行观测，分设在大坝桩号0+050、0+150、0+250、0+350、0+450、0+550、0+650、0+750、0+900 对应断面上，共设27 个测点。

溢洪闸以含云母砂质页岩为基础持力层，砂质页岩承载力较高，稳定性良好，一般不会产生较大的沉降变形，对溢洪闸工程安全施工和运用具有重要的保障作用。为了提高监测点的利用效率，将水闸的水平位移观测与沉降观测结合起来，在闸墩各设测点，共计6 个测点。

目前，大坝表面位移监测主要由人工观测，自动化程度低，导致观测连续性、实时性较差。水库监测主要的编辑、分析也由人工进行，资料分析深度不够，且工作量较大、容易出现错误，导致分析结果与实际情况不符，同时具有一定的滞后性，数据分析效率较为低下。

3.2 系统预期目标

许家崖水库自动化监测系统建设主要是为了实现以下目标:

(1)通过部署新一代的大坝变形观测设备，全面提高大坝变形测量精度、稳定性，从而为管理人员即时提供可靠的观测结果，

(2)通过建立变形观测系统，可实现24 h 不间断变形监测，即时外界环境较为恶劣，亦可实现观测。提高监测频次，有利于即时发现异常情况，通过设置的阈值，及时发出预警信息，告知管理人员立刻采取相关措施，预防事故发生，提高工程的安全效益。

(3)通过自动化监测系统建设，建立统一标准实现信息的互联互通，系统建设过程中需提供多种数据接口，在保证数据接入的同时，预留水库已建系统的数据接口。数据格式采用标准格式，实现和水库管理平台的无缝接入。

4 项目总体设计

4.1 总体框架

采用无线网络传输系统，各观测点具备较强的独立性，可有效避免因雷击、断电等造成整体瘫痪事件发生，易于维护。主要设备包括GNSS 监测型接收机、GNSS 天线、太阳能供电系统等。数据转换成国家和行业规定的格式，传输至管理控制中心的大坝安全监测运营维护中心的数据库。

图1 大坝监测系统框架

4.2 功能框架

系统结合水库大坝安全自动监测现状和国家对水库规范化标准化要求，充分利用传感器物理感知、信息智能测控、物联网、GIS 地理信息、移动互联网、云平台、大数据及计算机编程等技术，实现对大坝的变形监测、渗流监测、环境量监测、数据管理和在线分析、大坝安全评判预警和辅助决策功能;同时，提供大坝基础资料及业务资料整编、巡视检查痕迹式管理等业务管理功能。系统提供本地及云端、计算机端(PC)和移动端(APP)相结合的大坝安全监测信息管理系统，全面提升大坝安全运行的数字化、精细化、智能化、规范化管理水平。系统功能框架见图2。

4.3 主要建设内容

(1)管理处软硬件环境建设

系统利用现有的办公环境及网络，新建一台工控机，同时增加监控终端以及移动终端，部署数据库软件，部署大坝安全自动监测信息管理系统软件，预留巡视检查、变形监测、压力(应力)监测、环境量监测等接入功能，全面提升大坝安全信息化规范化管理水平。

(2)大坝表面位移监测系统建设

根据大坝的长度、分布等现状，部署4 处基准点，15处监测点(其中溢洪闸6 处，大坝9 处分别位于0+250、0+350、0+900 断面)。建设可靠、高速的数据传输网络，实现各测站数据与中心的实时传输。

4.4 大坝表面位移监测系统设计

4.4.1监测点布置原则

大坝变形监测网主要由基准点、工作基点、变形观测点等组成。其中基准点应选取在变形影响区范围外的位置，每个工程基准点数量不应少于1 个。工作基点需选取在稳定、使用方便的区域。变形观测点需设置在可以反映大坝变形特征的位置。变形监测基准网由基准点、工作基点组成，基准网需半年复测一次。

4.4.2站点设计

许家崖水库大坝周围地质环境较为良好，为稳定性较好的基岩，因此，在基岩区域设置4 个监测基准点。许家崖水库溢洪闸局部存在裂缝、冲沟等情况，在这类较为特殊的区域，布置15 个变形监测点(其中溢洪闸6 处，大坝9 处分别位于0+250、0+350、0+900 断面)。许家崖水库大坝自动监测系统主要由空-地-用户系统组成。其中空为空间部分，即卫星;地为地面监测系统;用户则为信号接收设备。为了保证监测效果，在监测点部位设置牢靠的观测墩安装GNSS接收机，并设置强制对中器。接收器信号通过无线传输系统，传输至控制中心。

4.4.3基准站设计

基准站的设置是为了保证长期、连续观测卫星信号，并为各观测点提供高精载波相位差分数据和起算坐标信息。为了保证监测精度，需要定期对基准站进行复核。

基准站位置需要选取在大坝变形影响范围以外，稳定性良好的区域。同时，需要避开大功率的无线电发射源、高压输电线通道，以减少其对接收数据的干扰。

5 结语

许家崖水库大坝自动化监测系统的建设，可以实现任意间隔、连续监测，与人工测量相比具有精度高等优势。通过建立自动化监测系统，实现不间断数据采集、恶劣天气下信息采集，同时，可完成数据的实时传输和分析处理，根据设置的报警阈值，也可实现自动报警。自动化监测系统建设后与现状的监测条件相比，在精度、连续测量等方面具有明显优势。