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精品土石壩自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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水電能源科學(xué)
Water Resources and Power

文章編號(hào)：1000-7709(2010)04-0127-03
土石壩自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
(遼寧科技大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧鞍山114051)
i
摘要：論述了影響土石壩安全的因素，分析了研究土石壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的意義，確定了系統(tǒng)選型、硬件竄諒和 軟件開(kāi)發(fā)原則，開(kāi)發(fā)了基于Iriternet-Intnmct的土石壩自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。實(shí)例證明了該系統(tǒng)應(yīng)用效果穩(wěn) 定、可靠、實(shí)用性強(qiáng).可供借鑒。
關(guān)鍵詞：土石壩；自動(dòng)化；安全監(jiān)測(cè)；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；實(shí)現(xiàn)
中圖分類號(hào)：TV641； TV69&amp;amp;1	文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

水庫(kù)大壩是水利工程中主要的擋水建筑物， 是水庫(kù)的重要樞紐。建國(guó)以來(lái)，我國(guó)興建15 m 以上的大壩有1?8萬(wàn)座，其中大多為土石壩。由 于當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)水平低、施工質(zhì)量差加之運(yùn)行年齡已 達(dá)30?50紙?jiān)S多大壩均存在不同程度的安全隱 患，有的已成為病險(xiǎn)庫(kù)，甚至發(fā)生垮壩事故，給下 游人民生命財(cái)產(chǎn)造成了巨大損失，給當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā) 展與社會(huì)穩(wěn)定帶來(lái)了嚴(yán)重的負(fù)面影響。故七石壩 自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)尤顯重耍，是確保大壩安全的重 要措施。為提高水庫(kù)管理水平、確保水庫(kù)社會(huì)經(jīng) 濟(jì)效益的實(shí)現(xiàn)，本文開(kāi)發(fā)了 Internet 土石壩自動(dòng) 化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將土石壩自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)及預(yù) 警系統(tǒng)集規(guī)范性、專業(yè)性、通用性于體，實(shí)現(xiàn)了 土石壩安全的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)、預(yù)警工0
1 土石壩自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)的復(fù)雜性
(1)	監(jiān)測(cè)范圍。大壩安全監(jiān)測(cè)范圍包括壩體、 壩基、壩肩及對(duì)大壩安全有重大影響的近壩區(qū)岸 坡利其他與大壩安全有直接關(guān)系的建筑物和設(shè) 備。因此，大壩安全監(jiān)測(cè)時(shí)間應(yīng)從設(shè)計(jì)時(shí)開(kāi)始直 至運(yùn)行管理，監(jiān)測(cè)內(nèi)容應(yīng)包括壩體結(jié)構(gòu)、地質(zhì)狀 況,輔助機(jī)電設(shè)備及泄洪消能建筑物。大壩安全 監(jiān)測(cè)有校核設(shè)計(jì)、改進(jìn)施工和評(píng)價(jià)大壩安全狀況 等作用，且重在評(píng)價(jià)大壩安全。曲于影響大壩安全 因素很多(壩址選擇、樞紐布置、壩體結(jié)構(gòu)、庫(kù)水位、 材料特性、水庫(kù)調(diào)度、滲流量、壩體浸潤(rùn)線等)，且時(shí) 間跨度大(從設(shè)計(jì)施工到管理)等，使土石壩的安 全監(jiān)測(cè)化混凝土壩、尾礦壩、貯灰壩等更復(fù)雜⑷。
(2)	大壩安金評(píng)價(jià)。在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的客戶端，根 據(jù)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)土石壩的安全性作出評(píng)價(jià)較復(fù) 雜，主耍原因如下：①土石壩結(jié)構(gòu)、材料及邊界條 件的物理力學(xué)破壞，滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)及邊 界條件的耦合問(wèn)題；②對(duì)土石壩的破壞形式與破 壞機(jī)理研究還不深入，材料的蠕變與突變特性尚 有待進(jìn)一步研究;③土石壩觀測(cè)資料不僅與壩型、 結(jié)構(gòu)、材料和荷載有關(guān)，還與施工進(jìn)度和方法、運(yùn) 行管理等因素有關(guān)。在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安全評(píng)價(jià)模塊 中需綜合考慮以上因索⑶。
2自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)
2.1在線監(jiān)測(cè)意義
具有信息化、實(shí)時(shí)化、網(wǎng)絡(luò)化特點(diǎn)的自動(dòng)化監(jiān) 測(cè)系統(tǒng)的岀現(xiàn)，完全可實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)影響土石壩 安全的因素，可及時(shí)直觀的掌握壩體實(shí)際動(dòng)態(tài)進(jìn) 行安全評(píng)價(jià)、預(yù)警預(yù)報(bào)，為加固工程設(shè)計(jì)、管理、消 除隱患提供依據(jù)，為土石壩的安全監(jiān)測(cè)與管理決 策提供有力支持。土石壩在線監(jiān)測(cè)技術(shù)是利用現(xiàn) 代電子、信息、通信及計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采 集、傳輸、管理、分析，可根據(jù)土石壩的級(jí)別、筑壩 方式、地形和地質(zhì)條件等因素，設(shè)置必要的監(jiān)測(cè)項(xiàng) 目及相應(yīng)設(shè)施。在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)全時(shí)段實(shí)時(shí) 監(jiān)測(cè)，自動(dòng)采集管理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，最終實(shí)現(xiàn)同步傳 輸、數(shù)據(jù)共享、專家分析和在線指導(dǎo)等功能⑷。
2.2在線監(jiān)測(cè)內(nèi)容及實(shí)現(xiàn)
土石壩自動(dòng)化在線監(jiān)測(cè)主要包括壩體內(nèi)部位移、 壩體浸潤(rùn)線、壩體表面位移監(jiān)測(cè)⑸。土石壩變形監(jiān)

收稿日期：2009-11-01,修回日期：2009-12-14
基金項(xiàng)目：遼寧省教育廳博士科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(2008-09-7-3 (01))
作者簡(jiǎn)介:胡軍(1977-),男，副教授，研究方向?yàn)閹r土工程，E-mail:hujun99@sohu. com

3監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1設(shè)計(jì)原則
基于Internet-Intranet的土石壩安全監(jiān)測(cè)系 統(tǒng)應(yīng)對(duì)壩體安全狀況做出客觀數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、安全評(píng) 價(jià)和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，并提供有參考價(jià)值的決策依據(jù)。 基于該目標(biāo),監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則必須達(dá)到如下要 求：①精確性、可靠性、穩(wěn)定性和耐久性。②先進(jìn) 性和實(shí)用性。③友好的人機(jī)交互界而⑺。
3.2監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
土石壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)圖如圖2 所示。GPS自20世紀(jì)80年代中期轉(zhuǎn)入民用后, 已廣泛在導(dǎo)航、定位等領(lǐng)域應(yīng)用，尤其在控制測(cè)量 中起了劃時(shí)代的作用。正因?yàn)樵陟o態(tài)相對(duì)定位中 的高精度、髙效益、全天候、不需通視等優(yōu)點(diǎn)，采用 其代替常規(guī)的三角、三邊、邊角等方法，并在理論、 實(shí)踐中取得了可喜的成果。在精密工程變形監(jiān)測(cè) 中也逐步得到廣泛的應(yīng)用。隨著GPS技術(shù)的不 斷成熟,GPS自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已在大壩、建筑、地 震、橋梁等行業(yè)中應(yīng)用并取得很好的效果。
服務(wù)器
微處理器
（Ml.：）
容戶確	I庫(kù)區(qū)水位計(jì)j
圖2 土石壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖
Fig.2 Structure diagram of earth and rockfill
dam monitoring system
3.3監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)的軟件由土石壩
土石壩安全分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)|
圖3客戶端軟件結(jié)構(gòu)示意圖
Fig.3 Software structure of client
4實(shí)例
4.1 工程概況
糯扎渡土石壩位于云南省思茅市（左岸）和瀾 滄縣（右岸）交界河段，水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水位813. 8 m, 壩頂高程為81&amp;amp; 0 m,心墻頂部高程為817. 0 m?
型鋼筋混凝土防浪墻底部與心墻相連，并嵌 入心墻0.3 m；防浪墻高度2. 5 m,壩頂寬度18 m,心墻軸線上游7 m,下游11 m；心墻基礎(chǔ)最低 建基而高程為560. 00 m,最大壩高258. 00 m,壩 頂長(zhǎng)590 m；上、下游壩坡坡比均為1 ：1?8。該土 石壩為I等大（1）型工程，為確保壩體安全需安裝 自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
4.2監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體上可分為如下功能 模塊:①數(shù)據(jù)采集。采用美國(guó)基康公司的滲壓計(jì) 來(lái)測(cè)量土石壩上各級(jí)測(cè)點(diǎn)的水位壓力，再在服務(wù) 器端通過(guò)串口同數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行通訊，由數(shù)據(jù)采 集儀上讀取各個(gè)傳感器上的數(shù)據(jù)。②數(shù)據(jù)通訊。 采用VC+十開(kāi)發(fā)了服務(wù)器端程序和客戶端程 序，采用MFC的CSockel類實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊，通過(guò) 定義各種命令功能結(jié)構(gòu)體實(shí)現(xiàn)服務(wù)器和客戶端的 信息交互。服務(wù)器端的程序流程如圖4所示。

圖4服務(wù)器端的程序流程圖
Fig.4 Software flowchart of server
4.3可視化界面
自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了界面的可視化， 用戶可在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的過(guò)程中查看監(jiān)測(cè)信息，且主 要操作均在圖形化的操作中完成。主界面設(shè)計(jì)原 則是簡(jiǎn)潔、方便、實(shí)用，最大程度有利于用戶的學(xué) 習(xí)、操作。軟件采用Microsoft Visual Studio集 成環(huán)境(IDE)的界面風(fēng)格?使用快捷菜單、工具 條、狀態(tài)欄等與用戶間交流，見(jiàn)圖5。以壩體平面

圖5 土石壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主界面圖
Fig.5 Main interface of earth and rockfill dam
security monitoring system 圖、模擬數(shù)據(jù)圖、在線視頻等多種方式，全方位反 映了土石壩運(yùn)行情況，確保了監(jiān)測(cè)信息的全面、及 時(shí)、準(zhǔn)確。系統(tǒng)的安全評(píng)價(jià)模塊根據(jù)監(jiān)測(cè)的土石 壩各項(xiàng)指標(biāo)集中分析、解讀各監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)做出單項(xiàng)或 多項(xiàng)預(yù)警，以確保壩體的安全運(yùn)行。
5結(jié)語(yǔ)
a.建立了安全監(jiān)控、分析評(píng)價(jià)、預(yù)警、指揮管理 系統(tǒng)，便于實(shí)時(shí)掌握壩體的運(yùn)行狀況和安全現(xiàn)狀, 提高了土石壩的安全性，對(duì)保障庫(kù)區(qū)周圍及下游人 民群眾的生命財(cái)產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境安全具有重要意義。
b?論述了影響土石壩安全的因素，確定了安 全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)內(nèi)容，闡述了系統(tǒng)選型、硬件選 擇和軟件開(kāi)發(fā)的原則，開(kāi)發(fā)了基于Internet-Intranet 的土石壩自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
c?實(shí)例證明了該系統(tǒng)應(yīng)用效果穩(wěn)定、可靠、實(shí) 用性強(qiáng)，為土石壩自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)的 研究利開(kāi)發(fā)積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，可供類似系統(tǒng)借鑒。 參考文獻(xiàn)：
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(3)	:27-32. 
Design and Implementation of Earth-rockfill Dam Safety Monitoring System
HU Jun
(School of Resources and Civil Engineering, University of Science and Technology Liaoning, Anshan 114051, China)
Abstract: This paper discusses the factors affecting the safety of earth-rockfill dam and introduces the research signif¬icance of safety moniroring system, The principles of system selection» hardware selection and software development are determined. Based on Internet and Intranet techniques, an automatic safety monitoring system of earth-rockfill dam is de¬signed and developed. Example shows that the effect of developed system is stable, reliable and practical. It provides ref¬erence for similar engineering projects.
Key words: earth-rockfill dam； automation； safety monitoring； monitoring system； design? implementation

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