小型水库安全监测感知技术应用对比分析

2023-11-06付婷吴浩贺天强

治淮 2023年10期

付婷，吴浩，贺天强

（1.丰城市水利局，江西宜春 331100；2.中国水利水电科学研究院，北京 100048）

0 引言

全国小型水库近9.4 万座，数量众多，且小型水库溃坝数量占到全国溃坝总数的96%，是水库安全管理的高风险点。小型水库安全感知能力不足，导致无有效的信息化手段对水库大坝安全运行进行管理，在当前极端天气频发的情况下难以保障水库安全运行[1]。为此，“十四五”期间，水利部明确了小型水库管护目标任务，构建小型水库运行管理信息化系统。各省根据地域特点、气候条件、分布情况、经济状况等多种因素进行了小型水库信息化方案设计，其中大坝安全监测是重要关键内容，资金投入占比较高。分析对比湖南、广西、江西、云南、山东等多个省份小型水库信息化建设方案发现，小型水库安全监测技术手段大多仿照大中型水库安全监测设计，对小水库的特点针对性偏少。此外，《小型水库雨水情测报和大坝安全监测设施建设与运行管理办法》要求有条件的地区可结合实际探索新技术、新装备，提高建设标准和监测信息化水平。

本文结合当前先进实用的感知技术，综合论述小型水库信息化建设中大坝安全监测-渗流压力、渗流量和表面变形等3 个关键参数感知设备的应用现状，分析每种仪器设备原理，明晰不同设备应用场景，以期为小型水库安全监测建设提供参考。

1 渗透压力

坝体渗流易引起坝体渗漏、管涌、滑坡甚至危及大坝安全，对小型水库而言，一般在最大坝高处和渗流隐患坝段设置监测断面，每个断面宜设置2～3 个测点。在大中型水库，当前应用最为广泛的渗流监测方法是“测压管+渗压计”组合的方式，多个省份方案照搬了此类设计。而在山东、浙江等小型水库信息化、标准化开展较早的省份，采用了一种“测压管+智能遥测渗压仪”的组合形式。

1.1 渗压计

渗压计种类众多，国内广泛使用的主要为振弦式渗压计，振弦式渗压计由透水体（板）、承压膜、钢弦、线圈、壳体和传输电缆等构成。当测压管内静水压力荷载作用在渗压计上，引起承压膜的变形，其微小变形量可用振弦元件的张力和振动频率来测量。振动频率的平方正比于膜片上的压力。传感器共有两个线圈，分别紧靠钢弦对称放置。使用时，一个变频的脉冲信号（扫描频率）加到线圈上，这就使钢弦在它的固有频率上振动。激励结束时，钢弦还继续振动，但固有频率的正弦信号在线圈上逐渐减弱，并传输到读数仪上，并在此被解调和显示。

振弦式渗压计输出的是频率信号，抗干扰能力强，精度高，理想状态下温漂、零漂小，性能可靠稳定，适合远距离传输。该仪器在大中型水库广泛应用，长期监测成果良好。但就小型水库而言，存在两方面弊端[2]：一是仪埋成本高。渗压计经电缆接入数据采集仪（MCU）实现自动化，电缆敷设需挖沟、套管、回填等工序，各水库情况、施工难度等各异，该项工作人、材、机成本控制难度大，易超出预算。二是维护成本高。①小型水库本身避雷措施不完善，尤其是在山地丘陵区域，接入自动化的渗压计可通过MCU 串通在一起，单点受到雷击易导致整个系统损坏；②测压管内泥沙多，若维护不周，造成透水石的淤积，长期来看数据不稳定；③由于各点都是用长距离电缆连接，某一点数据异常，排查原因困难。

1.2 智能遥测渗压仪

智能遥测渗压仪是一体化集成设备，主要包括超低功耗电路控制主板、电机驱动机构、水面跟踪传感器、线缆、采集模块、传输模块、电源模块、防雷模块等[3]。水面跟踪传感器采用电容感应液体原理，表面密布水位触点，置于测压管内水中，管内水面变化时传感器采集的信息通过线缆传递至控制主板，控制主板进行一系列的逻辑分析对电机驱动机构发出指令，带动传感器垂直运动，实现传感器与水面的同步变化，从而实时监测管内水头。传感器表面水位触点的疏密确定仪器的精度，可设计为0.1～1cm 不等。

该设备直接安装在测压管管口，一体化的设计使得单套完成测压管内水位数据的采集、处理、传输以及设备的供电和避雷，无需电缆或光缆敷设和自动化集成等工程。设备同时具备自诊断功能，可判断出现故障的硬件模块，各模块可独立进行更换。这样的设计在一定程度上解决了渗压计在小型水库的应用痛点。从长期数据成果看，数据时序过程线稳定性好于渗压计测值，可用性强。

2 渗流量

小型水库渗流量监测主要是在有明显渗漏的大坝设置，根据渗流量大小和汇集条件可采用容积法、量水堰法和流速法[4]，其中量水堰法因适用性强而广泛应用，通过获取量水堰堰上水头，根据量水堰板的类型选择相应的水头-流量公式从而计算出渗流量。堰上水头的测量方法有水尺、水位测针和监测仪器，水尺和水位测针均为人工测量方式，监测仪器可实现自动化测量，各省方案中也都采用了“量水堰+监测仪器”的形式。

堰上水头测量仪器本质上是水位计，一类是利用水的浮力原理，浮球跟随水面升降带动振弦式力传感器或磁致式液位计信号变化，从而换算出当前堰上水头，如图2 所示。此类量水堰计与水直接接触，水质的变化、水中杂物和水量大小均对仪器产生影响，日常维护复杂。另一类是非接触式的，类似小型的雷达水位计、超声波水位计，因雷达脉冲波测距相比超声波具有更好的精度和稳定性，因此“量水堰+雷达水位计”的测量方式也是种较好方案[5]。

图1 渗压计安装埋设示意图

图2 振弦式量水堰计、磁致式量水堰计示意图

3 变形监测

现存的小型水库大多建成多年，但土石坝本身性质决定了变形将伴随坝体的整个生命期，在稳定运行期间，自重引起的变形占比小，水位等外因变化造成坝体外荷载变化成为坝体变形的主要原因，对重点小型水库进行变形监测是运行管护的重要环节，从便于实施和应用角度来说，小型水库变形监测主要以表面变形为主。

表面变形监测方法主要有全站仪、水准仪、经纬仪等人工作业方法及一系列传感器法，就实现自动化而言，GNSS 变形监测技术因其全天候、实时性、高精度的优势成为当前变形监测应用最为广泛的技术，各省方案中均选择了该技术，同时，针对一些狭长大坝，机器视觉测量技术得到了尝试应用。此外，测量机器人技术在大型水库得到了成功应用，精度较高，在小型水库鲜有尝试。

3.1 GNSS 变形监测技术

全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System）[6]是覆盖全球的、能在全球范围内为用户自主提供位置信息，并引导用户到达该位置的卫星系统，包括GPS（美国）、GLONASS（俄罗斯）、BDS（中国）以及Galileo（欧盟），各系统之间可以进行组合使用，多系统多频率多手段的GNSS 定位技术广泛应用于大坝变形监测领域。

GNSS 变形监测系统由数据采集系统、数据传输系统、数据控制及分析系统、防雷系统、供电系统组成，其中核心硬件为GNSS 接收机。GNSS 接收机是用来接收、处理、测量卫星信号的专门设备，主要包括天线单元和接收单元两大部分。天线的主要功能是将卫星信号非常微弱的电磁波转化为电流并对这种信号电流进行放大和变频处理。接收单元的主要功能则是对放大和变频处理过的信号电流进行跟踪、处理和测量。大坝变形监测采用的是高精度接收机，一般采用载波相位观测量进行相对定位，通常定位精度可达厘米级甚至更高（静态精度达到毫米级）[7]，同时，随着开发出实时差分动态定位（RTD）技术和实时相位差分动态定位（RTK）技术，测量精度满足规范要求[8]。

从仪器选型角度看，GNSS 接收机分为进口和国产两大阵营，进口产品在卫星轨道、并行通道、重新捕获时间、灵敏度、精度、作业适用性等多个性能指标均优于国产产品[9]，但综合考虑系统造价、测量精度和作业环境等因素，国产产品均可满足小型水库需要。

3.2 机器视觉测量仪

当面对狭长的大坝时，采用GNSS 可能需布置多个断面，这就导致变形监测成本陡增，机器视觉测量技术可以考虑作为代替方案。机器视觉测量技术已在机械加工领域成功应用，是一项较为成熟的尺寸或变形测量技术[10]。机器视觉测量仪的视场中可构建一个虚拟的平面坐标系，分辨率以像素坐标为基础，通过亚像素分辨的算法，可以将分辨率提升至0.01 像素甚至更高。当刚性靶标在测量仪视场范围内发生位移时，可以解算靶标位移前后的坐标变化，从而算出靶标的位移量[11]。

3.3 测量机器人

测量机器人[12]本质就是自动全站仪，是一种代替人进行自行搜索、跟踪、识别和精确找准目标并获取角度、距离、三维坐标等信息的智能全站仪，可以对大坝、边坡、地铁、隧道、桥梁、超高层建筑进行大范围无人全天候值守、全方位自动监测。

在坝上游或下游选择合适的基准控制点建设观测站，测量机器人的观测墩必须稳定可靠，观测站周围无遮挡或干扰，坝上各测点布置观测墩（安放棱镜），增加断面时在此基础上仅增加观测墩即可。测量机器人能够自动整平、自动正倒镜观测、自动记录观测数据，机器的ATR 模型能够自动识别目标，当发出的红外光被反射棱镜返回并经仪器内置的CCD 相机判别接受后，马达可驱动机器自动转向棱镜，并自动精确确定棱镜中心位置，通过内置软件预设控制测量，获取目标点相对于测站的角度、距离，进行差分改正后，计算得到目标点的三维坐标信息[13]。系统由基准点、变形点、测量机器人观测站、电源和通讯等构成，理论精度与人工测量一致，可选设备以进口品牌为主。