谈宣城市港口湾水库大坝外观监测系统的升级改造

谈宣城市港口湾水库大坝外观监测系统的升级改造

倪倩文

宣城市港口湾水库管理处，安徽宣城， 242000

【摘要】水库大坝外观监测是掌握水库大坝安全运行态势的重要手段，是确保水库科学调度、安全生产的前提。加强监测预警，做好水库大坝外观监测工作，确保设备运行稳定可靠，数据传输及时准确，不断提高水库安全管理的信息化、智能化水平。

【关键词】水库大坝 监测系统 升级改造 测量机器人

一、水库概况

港口湾水库座落于安徽省宁国市境内水阳江上游支流西津河上，主坝为钢筋混凝土面板堆石坝，最大坝高 68 米，坝顶长 256 米，是以防洪为主，兼有发电、灌溉等综合利用的大（Ⅱ）型水利水电枢纽工程。水库总库容 9.41 亿立方米，水库按百年一遇洪水设计、万年一遇洪水校核。

二、外观监测系统概况

2000年11月，安徽省水利水电勘测设计院建立港口湾水库的首期外观变形监测控制网。2002年3月至5月，安徽省宣城市水利水电建筑勘测设计院对该变形监测网进行复测，变形监测网包含7个基准点、23个变形监测点。为提高港口湾水库大坝外观观测精度和观测质量，提升大坝管理的现代化监测水平，2002年12月，港口湾水库安装了大坝外观变形自动监测系统，全自动监测大坝外观变形，人工辅助自动测量控制网，系统主机是瑞士徕卡TCA2003全站仪，已连续正常运行十六年，对港口湾水库大坝的安全监测起到了不可或缺的作用。

3. 存在的问题

港口湾水库大坝外观变形自动监测系统自2002年建成运行以来，为大坝安全运行以及水库的防洪调度保驾护航提供了有力的技术保障，但随着运行年限的增加，设备逐渐老化， 原自动监测系统主要存在以下三个方面不足：

（一）监测系统设备老化

1、监测系统主机（瑞士徕卡TCA2003全站仪）已于2008年停产，维修养护较为困难；监测棱镜老化，棱镜表面镀膜脱落，严重影响自动化照准。

2、数据传输采用光缆模式，随着运行年限的增加，光缆老化或损毁，原有系统有线通讯存在中断问题，需新的数据传输方式代替。

（二）监测系统受技术条件的限制，自动化程度不高，功能相对单一

监测系统由于受到建设时期技术条件的限制，数据处理、预警等需要人工辅助完成，自动化程度不高，已不能适应新形势下“水利工程补短板、水利行业强监管”的水库安全管理需要。

（三）监测系统采用的技术手段单一，应对突发事件的能力不足

港口湾水库大坝安全监测系统技术手段单一，且水库处在雷电多发区，2018年6月，监测系统遭受严重感应雷击，造成该监测系统的数据采集主机直接损坏，通讯设施的主机端和电脑端串口转换器系统中断，变形监测系统的服务器主板、硬盘损坏，有线数据通讯系统损坏中断，导致外观监测系统暂停正常使用。

为了保证港口湾水库大坝的安全运行和规范化管理，对变形观测系统进行维修和升级改造。升级改造的监测系统需加强防雷设计和应急预案，增强监测手段，防止单一系统故障，提升应对突发事件的能力。

四、外观监测升级改造内容

对原有测量机器人自动监测系统进行更新改造，利用现有的观测房、基准点、变形点，采用全新徕卡0.5秒全站仪和4G网络的自动化采集分析终端，完成数据采集和分析，并采用无线通讯方式，既可以稳定的传输数据，也能避免雷击的风险，若数据涉及保密性，需采用专用4G网络通道，保证其安全性。

（一）彻底解决原有系统有线通讯中断的问题，所有数据成果可在网络云平台上查看和分析。

（二）新建GNSS自动监测系统。

由 GNSS接收机、传感器等系统硬件和自动化监测采集、分析系统构成，监测数据同样通过无线通讯方式进行处理、统计、分析，数据处理的结果传输到web展示，展示自动化监测传感器的运行状态，并支持预警、报警功能。GNSS观测具有定位精度高、观测时间短、全天候作业、不受气候条件和地形条件的限制、自动化程度高、实时获取变形体位移特征等特点。

（三）数据采集子系统更新改造

1、变形监测点检查及修复

变形监测点共23个，均为观测墩，并在强制对中装置上布设观测棱镜。经检查，监测棱镜现已严重老化，表面镀膜脱落，影响自动化照准，此次更换了新设备。为防止人为破坏，棱镜外部应采用保护罩保护。

2、测量机器人升级改造

原自动化监测系统中TCA2003全站仪现已停产，更换为高精度、智能化、高速度的自动测量机器人。根据监测方案精度要求，测量机器人的指标中静态测角精度应为±0.5＂，测距精度应为0.6mm+1ppm，自动化识别距离应达到1500m。

五、自动化监测系统

采用测量机器人自动监测系统，结合 GNSS 自动化监测系统，进行大坝外观变形的监测。测量机器人自动监测系统具有能够提供变形体整体的变形状态、测量精度好、速度快、效率高等特点，完成大坝规范要求的常规频次监测；利用 GNSS 自动化监测系统全天候运行，且满足应急监测的精度要求等特点，弥补了测量机器人不足，实现对大坝的全天候监测，及时发现大坝安全隐患，为水库的安全运行提供有力的保障。

（一）测量机器人自动监测系统

采用能自动识别、照准和跟踪目标的全站仪（俗称测量机器人）和基于 4G 网络的自动化采集分析终端，进行监测数据的自动采集、实时传输，同时建立信息管理平台。综合分析采集所得数据，形成不同变化曲线和图形，更加“形象化”展示监测成果；按照相应规范和标准，及时预警和报警超标结果。

（二）GNSS自动监测系统

实时自动化监测水库表面位移，工作原理是各个GNSS监测点和参考点接收机实时接收GNSS信号，实时通过数据通讯网络发送至控制中心，控制中心服务器GNSS数据处理软件实时差分解算出每个监测点的三维坐标，同时数据分析软件获取各监测点的三维坐标，和初始坐标进行数据对比，得到相应监测点的变化量，最后由分析软件根据事先设定的预警值进行报警。

1、GNSS点位确定

在港口湾水库大坝附近2-5km范围内选取两个基准站，一是要满足GNSS观测所必须的条件，二是要便于基准站的施工和日后维修养护。

1.1数据采集子系统

GNSS高精度接收机具有内置存储器，保存接收机观测数据，支持文件循环存储和多个文件的管理。可输出各类实时观测数据流和工作状态信息到数据处理子系统，支持外接高精度频标，并可自动切换，支持 HTTP、FTP 和 Ntrip 网络传输协议，支持接收机授权访问和控制，以及本地和远程重启，支持多路电源输入功能，并可自动切换。

1.2 数据传输子系统

通信网络层是信息化数据传输交流的基础，是数据传输的介质，包括数据通信部分和计算机网络部分，数据通信部分主要是对所有采集的数据传输的基础，采用4G无线传输方式。计算机网络部分主要是对水库管理局内部和外部的网络建设，包括内部办公和外部交流网络。

1.3 数据处理与控制子系统

系统控制中心主要负责监测管理各基准站、监测站和数据采集中心设备的状态和正常性。主要利用自动化监测系统，在系统控制中心内实时、动态地管理整个监测系统，全部设备和大部分监测功能无需人员干预，自动监测。

六、升级改造意义

现大坝外观监测系统经升级改造后已可以正常运行监测，确保大坝营运期内的安全生产工作。大坝安全监测采用自动化监测系统，不仅缩短了数据采集周期，提高大坝观测的工作效率，减轻劳动强度；在提高水库管理水平的同时，发现大坝隐患，为水库的安全运行提供有力保障。

水库大坝变形监测自动化系统的建立，实现无人值守水库大坝监测自动化，大大提高水库安全监管和日常管理水平，同时建立长期监测系统，对水库大坝安全状况进行分析研究，实现大坝安全监测自动化、网络化、智能化。

参考文献：

1.《大坝安全监测自动化技术规范》（DL/T5211-2019）

2.《信息系统安全等级保护基本要求》(GB/T 22239-2008)

3.《土石坝安全监测技术规范》（SL551-2012）

4.《信息系统安全等级保护基本要求》(GB/T 22239-2008)

作者简介： 倪倩文，助理工程师，主要从事水库工程运行管理工作。