北江大堤滲流自動監(jiān)測技術的研究及應用

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簡介： 北江大堤上下靈洲段測壓管自動化監(jiān)測系統(tǒng)是“北江大堤安全監(jiān)測預警系統(tǒng)”的關鍵技術之一，是為“預警系統(tǒng)”所進行的部分前期工作。該技術是真正意義上的分布式安全監(jiān)測系統(tǒng)，它能適用惡劣的環(huán)境，安裝方便，組網靈活，不受場地的限制，可埋設在泥土里，較好地解決了北江大堤的防盜難題。
關鍵字：北江大壩 滲流監(jiān)測 數據采集

　　北江流域水患歷來十分突出，是我省的重點防洪區(qū)域，作為防洪抗災的主要設施——北江大堤的安全十分重要，它直接關系到整個流域及珠江三角洲人民生命財產的安全。確保北江大堤的安全，就是確保人民生命財產的安全，也是確保我省20多年以來的改革開放的成果。我們必須走“科技興水，科技興省”的道路，充分運用現代科學技術，采取一定的非工程措施，對影響堤圍安全的一些重要因素進行必要的監(jiān)測和分析，確保能夠實時地掌握大堤的運行情況及安全狀態(tài)。

　　為了更好地管理北江大堤，實現水利現代化，廣東省北江大堤管理局委托廣東省水利水電科學研究院對石角上下靈洲段的3個斷面(7+330、7+505、7+932)　的15孔測壓管進行滲流自動化監(jiān)測工程的試點工作。

　　北江大堤石角段約5.4km，由于大堤修筑在深厚沖洪積層上，強透水砂層及卵石層厚達20m以上，歷史上曾多次決堤，是北江大堤的險段之一。

　　自20世紀80年代以來，大堤經過多次加高、培厚、壓滲、減壓、排滲等工程處理，特別是1990年至1994年進行了四期高壓定噴防滲處理，投入了大量的人力和物力，但是在1994年及1997年較大洪水時，仍出現了一些險情。

　　石角段現有測壓管83孔，用來觀測堤壩的滲漏和浸潤線，測點的分布廣而散，一些測點穿過村莊(如樁號8+806、8+930等)，有的測點則跨過池塘(如樁號8+504)。目前，這些測壓管內的水位，全部采用人工的觀測方法進行施測。巡測一遍需要花費很多的時間和精力，測量的結果和精度與監(jiān)測人員的素質關系較大。如果是在防洪搶險的緊急時期，靠人工觀測數據，則很難滿足要求，因為這時需要一小時或更短的時間測量一次數據，這樣就必需投入大量的人力物力，而且還容易出現錯測漏測現象。只有實現了安全監(jiān)測自動化，才能夠滿足現代水利工程和防洪指揮的需要。實施自動化監(jiān)測，不僅可以對堤壩的所有監(jiān)測項目進行實時監(jiān)測，而且根據測得的數據通過特定的數學模型演算，對堤壩的安全性態(tài)可做出預測預報，供有關部門決策。

2 自動化監(jiān)測系統(tǒng)

　　北江大堤石角上下靈洲段滲流自動化監(jiān)測系統(tǒng)，主要由傳感器、分布式數據采集模塊、通信線路、防雷器、供電裝置等硬件及數據采集、遠程監(jiān)控、通信、數據庫、數據分析和信息管理等軟件部分構成。系統(tǒng)網絡結構見圖1所示。

　　2.1 傳感器的選型與檢測

　　據相關專家對堤壩滲流的長期研究，認為要準確地掌握堤壩的滲流狀態(tài)，測壓管內水位監(jiān)測的精度應在0.02mH2O以內，才能夠滿足安全分析及預測預報的需要。因此，堤壩的滲流監(jiān)測對傳感器的技術要求較苛刻。

圖1 系統(tǒng)網絡結構圖

　　根據我們長期從事安全監(jiān)測的實踐經驗及北江大堤的具體情況，本自動化監(jiān)測系統(tǒng)選用MPM426W壓阻式液位壓力傳感器，其敏感元件為瑞士KELLER公司生產的高穩(wěn)定性PR-10系列帶隔離膜擴散硅，精度為0.1%F.S。該傳感器的壓力與溫度信號，經專用放大電路的多路14位A/D轉換(轉換速率＞100次/秒)及微處理器的運算、補償、修正后，再由16位D/A轉換器輸出標準的4～20mA模擬信號，輸出信號每10ms更新一次。

　　用于本工程的所有傳感器，除要求生產廠家嚴把質量關外，我們還專門委托武漢大學對測量精度、零漂和溫漂等控制參數，首先進行嚴格的實驗室檢驗和測試，然后再拿去水庫進行實體標定。第一批的15支傳感器，經過這些措施的檢驗和測試，未能達到我們的設計要求，全部退回廠家重新制造。重新生產的15支傳感器，仍有一支未能通過檢測。經過這樣嚴格的三次檢測，本試驗段的15支傳感器的質量均達到了要求。

　　每支傳感器檢測后的修正數據，輸入系統(tǒng)的參數管理數據庫。當系統(tǒng)進行數據采集時，采集軟件將會根據各支傳感器的具體情況，對其輸出的結果進行自動修正。用戶可通過RS-485接口，對傳感器實現全數字化溫度補償及非線性修正。

　　2.2 分布式數據采集模塊

　　分布式數據采集模塊主要由I/V轉換電路、A/D轉換電路、單片機、時鐘電路、通信接口電路、光電隔離電路、過壓保護器以及電源等構成。其電路結構如圖2所示。

圖2 數據采集模塊結構示意圖

　　I/V轉換電路將傳感器輸出的4～20mA電流信號轉換成1～5V的標準電壓信號，A/D轉換電路將1～5V的模擬信號轉換為數字信號。單片機對采集的數據進行預處理，以獲得測點的水位值，然后，將測點號、水位值及測量時間等存放在數據存儲區(qū)。數據存儲區(qū)可存儲10天的測量信息。

　　數據采集模塊每天定時地自動地進行測量。用戶可通過監(jiān)控機，令系統(tǒng)的每個或某個數據采集模塊進行測量或將數據等信息上傳；也可對每個模塊進行系統(tǒng)授時，修改其時鐘芯片的時間，以保證整個監(jiān)測系統(tǒng)時間的統(tǒng)一性。

　　通信接口將輸出的數據轉換成符合RS-485電氣接口規(guī)范的信號，以便數據的傳輸。時鐘電路為數據采集模塊提供標準時間信號，供測量和控制用。為了避免雷擊和各種強電的干擾，在數據采集模塊的電源及通信接口的進線處均設置了過壓保護電路，對傳感器則采取了隔離措施，從而大大提高了數據采集模塊的可靠性。

　　2.3 系統(tǒng)的功能與特點數據采集模塊實物圖片

　　2.3.1系統(tǒng)的功能

　　① 控制功能：可接受上位機或筆記本電腦的命令，　實現集中控制方式的巡測或選測及自動控制方式的巡測。

　?、?測量功能：自動對所接入的傳感器進行巡測——逐點依次自動測量并存儲數據，或選測——對選定的某一測點進行測量。

　　上下靈洲段各測點的分布，以電子地圖的形式顯示在監(jiān)控機的屏幕上，用戶一目了然，操作簡捷、直觀，只需用鼠標點擊圖上的測點，就可以查看對應測點的水位數據等信息。

　?、?計時和定時功能：所設置的實時時鐘電路，供用戶查詢和修改時間，或設定起始測量時間和測量時間間隔。

　　④ 通訊功能：可與上位機或筆記本電腦實現雙向通訊。設定分為RS-485和Modem通訊參數，其中RS-485通訊參數除通訊端口外，其它參數則禁止修改。

　　測點名稱、傳感器編號等相關信息的設置，其界面如右圖所示。

　?、輸祿樵児δ埽嚎梢灾付ň唧w的測點、日期進行相關的數據查詢，并根據查詢的結果，在數據表格中體現出來。數據表格是將監(jiān)測返回的數據以表格的形式反映，并以日期加以限制。當汛期采集功能啟用時，可以選擇汛期方式進行數據查詢。數據圖形功能中，將采集水位以圖形的方式顯示。

　　另外，還可以按照指定的日期查看水位的趨勢圖，　也可以指定具體的某一天，查看對應的時刻趨勢圖。

　?、蘩纂姳Ｗo功能：在電源、通訊和傳感器接口的入口處均設有防雷保護電路，以防止感應雷電流對內部電路造成損壞，保證系統(tǒng)長期可靠地工作。

　　2.3.2系統(tǒng)的特點

　　將網絡傳感技術應用到水利工程的安全監(jiān)測中，是本系統(tǒng)的特色之一，這對提高測量的可靠性很有意義。在目前的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)中，一個監(jiān)測區(qū)域使用一臺MCU進行數據的采集與傳輸。每臺MCU連接著數十只傳感器，一旦MCU發(fā)生故障，則由該MCU所監(jiān)測的測量數據就會全部丟失，從而影響大壩安全數據采集的完整性和可靠性。而在本技術中，每只傳感器都是一個獨立的網絡節(jié)點，分別直接與上位機通信，實現了真正意義上的分布式監(jiān)測。某個節(jié)點一旦發(fā)生故障，只會丟失一個數據，而不會影響到安全監(jiān)測系統(tǒng)數據采集的完整性與可靠性。

　　能適用惡劣的環(huán)境，安裝方便，組網靈活，不受場地的限制，　可埋設在泥土里，是該技術的特色之二，它較好地解決了北江大堤的防盜難題。

　　遠程監(jiān)控則是本系統(tǒng)的第三大特點，它極大地方便了我們及用戶對本系統(tǒng)的管理。通過電腦與電話線或手機(要求電腦裝有無線Modem)，具有一定權限的管理人員，均可隨時在任何地方對現場的監(jiān)測點進行數據采集、監(jiān)視及調用數據庫里的信息，以便及時地了解系統(tǒng)的運行情況和堤圍的狀況。

3 結語

　　北江大堤石角上下靈洲段測壓管自動化監(jiān)測系統(tǒng)，由廣東省水利水電科學研究院研發(fā)的具有自主知識產權的新技術，是真正意義上的分布式安全監(jiān)測系統(tǒng)，　是“北江大堤安全監(jiān)測預警系統(tǒng)”的關鍵技術之一，是為“預警系統(tǒng)”所進行的部分前期工作。該技術解決了數據的快速采集、預處理、傳輸及遠程監(jiān)控問題，特別是解決了北江大堤的防盜難題。

　　該系統(tǒng)測量迅速、準確，抗干擾能力強，軟件界面友好，操作方便。系統(tǒng)的免維護和自恢復功能，適合無人值班需要。

　　2005年1月28日，我們用DGK-110平尺電測水位儀，對測壓管內的水位進行了人工比測，綜合測量誤差小于0.02mH2O，達到了預期效果。

　　圖3是B3號測壓管內從2005年1月1日～2005年2月28日的水位變化過程曲線，從圖中可以看出飛來峽水利樞紐三次大的放水過程。頭尾兩個曲線波峰，反映的是為疏通北江的航運而放水的情況；中間的一個曲線波峰，是飛來峽水利樞紐為配合從千里之外的廣西、貴州進行應急調水入粵，實施“壓咸補談”與解旱，進行放水的情況。另一方面，從圖中還可以看出：　北江大堤底部的透水性非常強，　幾乎形成“通道”。

圖3 B3測壓管水位過程曲線

參考文獻

　　[1] 北江大堤石角段安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)竣工報告，廣東省水利水電科學研究院，2004，12

　　[2] 李珍照主編，大壩安全監(jiān)測(高等學校教材)，中國電力出版社，1997，11

　　[3] 何立民，MCS-51系列單片機應用系統(tǒng)設計系統(tǒng)配置與接口技術，北京航空航天大學出版社，1991，