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大坝监测系统解决方案
2022-01-06 11:07:09 来源：中网动力(北京)科技发展有限公司
水利大坝结构、运行环境复杂性强，设计、施工、运维不确定性大，加之部分中小型水库大坝缺少安全监测设备，如果发生意外变形，失事后造成的灾难也是极其严重的。因此对大坝的表面位移、水平位移、渗压力、水库水位、降雨量、视频等参数进行实时监测和预警是非常必要的。利用智能感知技术、数据采集技术、无线通讯技术、云计算、大数据技术和深度学习算法，建设水库大坝实时动态监测预警系统，该系统可以为大坝提供安全评估，保证大坝的安全运行，全面提升水库大坝监测预警能力。
2、系统组成
整个系统由数据感知、数据采集、数据传输、数据处理、数据展示五个部分组成，如图1所示：
（1）数据感知：GNSS、沉降仪、孔隙水压计、渗压计、应变计、水位计、裂缝计、测斜仪、降雨（雪）、视频等参数；
（2）数据采集系统：包括数据采集器、供电系统、避雷装置、结构件；
（3）数据传输系统：数据可通过4G模块、天通一号卫星模块、北斗短报文模块、Lora模块等多种传输方式；
（4）数据存储与计算：包括网关、防火墙、数据存储服务器和数据运算服务；
（5）数据展示：现场通过全彩LED大屏显示数据、图片与视频，远程大数据平台可以对数据进行实时展示、曲线显示、报表分析；
图1 系统组成3、系统特点
（1）模块化设计，系统配置灵活：系统采用模块化设计可任意组合，根据需要增减传感器种类和传感器数量，兼容多种传输方式，供电系统根据需求配置，多个采集器可级联使用；
（2）多种通讯模式，数据无死角传输：可采用4G模块、卫星模块、loar、有限等多种数据传输方式，确保数据稳定可靠传输；
（3）低功耗设计，多种供电方式：观测站采市电、太阳能/蓄电池以及市电+太阳能三种供电方式，保证系统在无电地区常年稳定工作；
（4）四种展示形式，数据实时查询：可在现场通过采集器自带的触摸屏查看数据，LED大屏幕展示数据，互联网大数据平台浏览数据，手机APP随时随地下载数据；
（5）工业化设计，系统稳定可靠：采用了防雷、抗电磁干扰电路设计，安装避雷装置确保系统安全稳定运行；
4、硬件技术参数
（1） 数据采集器
电源：7V-15V 输入；
工作温度：工业级-40~80℃；
处理器：ARM7 核心，32/16 位处理器，频率 12M~44MHz，16 位 ADC；
通道容量：18 路模拟通道（采集电压、电流、电阻）、8 路数字通道（开关量、频率）、3 路 RS232、2 路 RS485；
（2） 传感器
见 5.1。
（3） 数据传输
4G 模块：12V 供电，支持电信、移动、联通以及国外多个网络，数据间隔小于 1s；
天通物联网卫星模块：12V 供电，支持天通一号卫星网络，数据间隔 1s；
北斗终端：12V 供电，支持北斗卫星传输，数据间隔 1min；
（4） 供电系统
太阳能供电：确保连续阴雨天系统工作7天以上，太阳能板12V/50W,12V/80W,12/120等，电池(12V/40Ah，12V/65Ah，12V/120Ah等)，充放电控制器（12V/6A,,12V/8A，12V/10A 等）；
市电：AC220V 转 12V/5A,AC220V 转 12V/10A 等；
太阳能+市电：以上两种方式组合
（5） 屏幕
全彩 LED 屏幕：可根据客户定制任意尺寸屏幕，UI 界面可定定制化设计，可图形化展示文字、图片，视频；
单红 LED 屏幕：可定制任意尺寸屏幕，显示文字信息；
5、监测参数与监测方法监测参数包括表面位移、内部变形、浸润线监（水位监测、孔隙水压力监测）、应力应变监测、裂缝监测、库水位监测、降雨量监测、视频监测。
图2 监测方式
图3 监测参数5.1表面位移
坝体表面位置及变化速率(平面位移和垂直沉降)，确定大坝整体位移和变形的情况是确定坝体安全性的重要指标。表面位移常用的监测采用GNSS和沉降仪进行监测。
（1）GNSS测量
GNSS采用北斗、GPS、GLONASS等卫星导航系统，通过高精度定位解算，可实现毫米级精确定位，可对坝体实现高精度的位移形变监测。
图4 GNSS监测示意图工作原理
各北斗监测点与参考点接收机实时接收北斗信号，并通过数据通讯网络实时发送到控制中心，控制中心服务器北斗数据处理软件解算出各监测点三维坐标，数据分析模块获取各监测点三维坐标，并与初始坐标进行对比而获得该监测点变化量。
技术参数（2）沉降仪
液压式沉降仪是用于长期监测构筑物内外部的沉降，广泛适用大坝、桥梁、边坡、地基、公路路堤、工民用建筑等，以及回填土体的内、外部沉降变形的监测。液压式沉降仪分辨率高、稳定性好、响应速度快，输出信号为 RS485 数字量，同步测量埋设点的温度。
图5 沉降示意图工作原理
当传感器和储液罐之间的高差产生变化时，传感器感应膜上的压力同时产生变化，压力使感应膜的全桥硅片发生形变，形变转化的电信号经电缆传输至采集装置，即可测出观测点的沉降变化量。传感器与储液罐由通液管相通，传感器所受的压力与到储液罐液面的高度有关。储液罐自带硅压传感器，测量储液罐内液位的变化量，用以修正测量点的测量值。
技术参数（3）拉线位移传感器
拉线位移传感器用于野外环境的主要用于地表位移监测。坝体位移是大坝自动监测的重点内容。
工作原理
将机械位移量转换成可计量的、成线性比例的电信号。当被测物体产生位移时，拉动与其相连接的传感器绳索，绳索带动传感器传动机构与编码器同步转动；当位移反向移动时，传感器内部的自动回旋装置将自动收回绳索，并在绳索伸收过程中保持其张力不变；从而输出一个与绳索移动量成正比例的电信号。
图6 水平位移监测示意图5.2 内部变形
串联式固定测斜仪主要用于长期自动监测大坝、深基坑、边坡、地基、建筑桥梁、船泊平台等水平位移及倾角。通过钻孔方式，将测斜探头通过连杆方式埋入地下，测建船泊,平台,筑物和桥梁则直接将探头固定在被测点上,当基坑、边坡、地基,桥梁和建筑物产生形变或船泊平台倾斜时，测斜探头随之倾斜，可精确测出水平位移量或倾角，在钻孔内安装多只测斜仪可以更加准确的监测建筑物的变形情况。本仪器通过大量工程检验，测试数据稳定可靠，操作简便，适合各种环境，是目前专用的测斜仪器。
图7 内部形变监测示意图技术参数
5.3 浸润线监测
浸润线是水从土坝(或土堤)迎水面，经过坝体向下游渗透所形成的自由水面和坝体横剖面的相交线。浸润线是大坝安全的生命线，浸润线的高度直接关系到坝体稳定及安全性状，当浸润线埋深为0m，可产生管涌，是直接导致溃坝的原因。因此，对于浸润线位置的监测是水库安全监测的重要内容之一。监测时在坝体内钻孔埋设水位管，水位管内放入孔隙水压计，实时监测测压管内水位，绘制浸润面，判断坝体内水位的变化，结合理论分析，对坝体安全进行评估。
图8 浸润线监测示意图5.4 应力应变监测
混凝土应力监测包括混凝土坝内部及土石坝混凝土应力面板等。混凝土面板应力观测的项目，包括面板混凝土应变、无应力应变、钢筋应力和温度。面板混凝土应变观测，各测点的观测仪器应成组布置，并位于同面板平面平行的同一平面内。一般布置二向仪器组。混凝土应力监测选用内埋式应变计。
5.5 裂缝监测
在混凝土硬化过程中，由于混凝土脱水，引起收缩，或者受温度高低的温差影响，引起胀缩不均匀而产生的裂缝。在土木工程质量检测中常使用测缝仪（测缝计）进行监测，测缝仪（测缝计）适用于长期埋设在水工建筑物或其它混凝土建筑物内或表面，测量结构物伸缩缝或周边缝的开合度（变形），并可同步测量埋设点的温度。
图9 裂缝监测示意图技术参数
5.6 库水位监测
库水位监测主要用来实时监测水库水位的变化状况，特别是在汛期降雨、水库水位监测可起到提前预警，防止灾害的发生，确保人员的生命财产安全。水库水位监测可选择渗压计或投入式水位计，超声波水位计等方法。
图10 库水位监测示意图技术参数
5.7 降雨量监测降雨量自动化监测采用翻斗式雨量计传感器进行监测。雨水由承水器收集—经过进水阀—进入贮水室—水位上升—浮子上升—传感器读取数据—微机控制电路输出无源脉冲。
5.8 视频监测
视频用于监测闸门运行状态、水库水雨情实况、大坝周边环境等
6、大数据平台
大数据平台操作简洁，容易上手。支持监测数据的查看，处理，分析，评价，管理等需求。为每个客户分配权限，安全可靠，用户可登陆系统查看下载数据， 登录界面如图所示：
（1）地理信息系统
将监测站采集的气象、水质、水文、环保、路面状态等数据汇入系统。对数据的分类存储、显示、管理。实现地理信息、数据、基本信息和进行关联，地理信息界面见图：
（2）数据查询与分析
以不同的索引查看实时数据、历史数据及曲线，监测结果可浏览和下载，支持数据上传功能，数据实时显示、历史数据曲线显示、列表显示查询界面如图：
（3）远程视频查看与控制
可远程通过视频查看现场状态，调整摄像头角度，选装、镜头变焦。界面如图所示：
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