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白杨河水库大坝安全监测改造及自动化系统设计

文档作者：张勤劳赵谧杨鹏文档来源： 1．西北勘测设计研究院新疆石油管理局		点击数：	更新时间： 2021年12月15日
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文章编号：1671-4768(2007)04—0016-04
白杨河水库大坝安全监测改造及自动化系统设计
张勤劳 ，赵
(1．西北勘测设计研究院，西安710043；2．
谧。，杨 鹏
新疆石油管理局，新疆克拉玛依834000)
摘 要：白杨河水库是2O世纪7O年代修建的，期间大坝安全监测只设简单的变形监测，渗流
扬压力监测，由于长期运行条件所限，造成监测设施损坏，未能进行观测，本次按照水库运行需
要并结合现行规范和监测技术设置必要的监测项目，并建立自动化监测系统，实现实时监测和
远程控制。
关键词：大坝安全监测；自动化；系统设计；白杨河；水库
中图分类号：TV698 文献标识码：B
1 工程概况
(1)白杨河水库位于克拉玛依市东北、白杨河
中游的哈拉阿拉特山口，距克拉玛依市100 km。
水库最大淹没面积5．77 km。，属年度调节水
库，设计重现期5O年，设计洪水流量为212
m。／s，校核洪水流量为305 m。／s(500年一遇)。
工程于1970年元月动工，1972年4月开始
蓄水，1974年放水。黄羊泉引洪干渠放水闸为
1992年建成。
主要建筑物由混凝土拦河主坝、南北副坝及
两侧土坝、双孔泄洪闸、水库放水隧洞及黄羊泉引
洪干渠放水闸组成。
混凝土拦河主坝为非溢流式重力坝，坝长
120．5 m(共l1个坝段)，坝顶高程434．5 m，最大
坝高29．5 m，顶宽3 m，最大底宽28 m。大坝设
有一条基础灌浆排水廊道，廊道底板高程4l1．7
1TI，总长36．2 m(4坝段至7坝段)，宽2．5 m，并
在5坝段设有一条纵向排水廊道。
南北副坝为混合坝，长231．5 m，最大坝高
6 m，顶宽5 m。混合坝两侧为粘土心墙砂砾坝，
是南北副坝的延伸，总长1 347．98 m，高约6 m，
顶宽3"--5 m，内有1～1．5 m宽的粘土心墙。
水库放水隧洞断面尺寸为1．5 m×1．5 m，设
计过水流量为6 m。／s，最大放水流量11 m。／s。
溢洪口泄洪闸为两孔，单孔宽6 m，底板高程
428．2 m。设计洪水位时最大泄洪能力为195
m。／s，校核洪水位时为214．5 m。／s。
黄羊泉引洪干渠放水闸底板高程428．2 m，
最大设计引水量50 m。／s。
(2)原有监测设计及其现状
根据新疆石油管理局供水公司目前提供的资
料，大坝原设有12个垂直位移测点，5个水平位
移测点，两个工作基点及6个扬压力观测孔。
目前各项监测设施均已损坏。
2 设计依据
由于目前所掌握的基础资料有限，本次工程
监测项目改造及设计主要是依据业主所提要求和
现行相关规范。
遵循的国家及行业规范(不限于)：
(1)中华人民共和国国务院令77号《水库大
收稿日期：2007—03—05
作者简介：张勤劳(1962一)，男，西北勘测设计研究院高级工程师，西北勘测设计院工程科研实验分院副院长，长期
从事水利水电工程安全监测设计、研究工作。
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第4期 张勤劳，等 白杨河水库大坝安全监测改造及自动化系统设计 17
坝安全管理条例》；
(2)DL／T 5178-2003《混凝土坝监测技术规
范》；
(3)SL 60—94《土石坝安全监测技术规范》；
(4)DL／T 52l1—2005《大坝安全监测自动化
技术规范》；
(5)GBJ138-1993~水位监测标准》
(6)GB50026-93《工程测量规范》；
(7)GB／T 17942—20006国家单角测量规范》；
(8)SL219—1998《水环境监测规范》；
(9)DL／T5125—2001~水电水利岩土工程施工
及岩体测试造孔规程》。
3 监测设计
本着以工程安全为重点、满足运行管理方便
的原则设计以下监测项目：
(1)大坝安全监测
a．变形监测：主要包括坝顶水平位移、大坝
及基础挠度变形以及坝体接缝变形；
b．渗流监测：主要包括坝基扬压力及渗漏
量。
(2)各测流点水位监测
(3)闸门开度监测
(4)自动化监测系统
3．1 大坝安全监测
由于白杨河水库大坝主坝为混凝土坝，坝高
29．5 m，而南北副坝为混合坝，坝高仅为6 m，因
此本次大坝安全监测的重点为混凝土拦河主坝。
3．1．1 变形监测
(1)测量控制网
在大坝下游山体上设置三个基点(TP1、
TP2、TP3)和坝两端基点(TP北、TP南)共同组
成监测控制网，来监测库区的变形。同时TP2用
作坝体水平位移测量的基点。
(2)坝顶水平位移
白杨河水库大坝工程已运行30多年，大坝主
要沉降早已完成，大坝表部变形主要考虑坝顶水
平位移和垂直位移。
在混凝土拦河主坝坝顶布置水平(垂直)位移
测墩，每坝段布置1测墩，水平位移利用徕卡
TCA2O03机器人全站仪，全天候观测。垂直位移
采用电子水准仪，人工测量。精度满足一等测量
规范要求。
(3)挠度变形
在混凝土拦河主坝最高坝段(5坝段)布置1
组垂线，进行坝体及基础挠度变形监测。垂线由
1条正垂线和1条倒垂线组成，衔接于411．7 m
层基础灌浆廊道。正垂挂点位于坝顶，倒垂锚固
点深入基岩15 m。
垂线坐标仪采用CCD光电式垂线坐标仪，测
量范围横河向满足0～20 mm，顺河向满足O～
35 mm，分辨力≤0．1 mm，工作温度满足一2O～
45℃ 。
(4)坝体接缝变形
利用坝体接缝处测缝计，进行坝段间相对变
形监测。测缝计布置在混凝土拦河主坝4、5、6、7
坝段间横缝缝面处。共布置6组单向测缝计，其
中3组位于411．7 m 层基础灌浆排水廊道，3组
位于坝顶。
测缝计测量范围为0～ 12 mm，分辨力≤
0．1％F·S，工作温度满足一25～45℃ 。
3．1．2 渗流监测
(1)坝基扬压力
在混凝土拦河主坝上重新布置扬压力观测
孔，其中在基础灌浆排水廊道中4、5、6、7坝段各
布置1个扬压力孔，纵向排水廊道(顺河向)中布
置两个扬压力孔，扬压力孔孔深入基岩lm。
扬压力监测采用压力表或水尺进行人工监
测，同时在孔内安装压阻式水位计，测量范围O～
0．20 MPa，分辨力小于≤0．1％F·S，工作温度
满足一20~45℃ 。
(2)渗漏量
在纵向排水廊道未端，将两条排水沟贯通，设
置1个量水堰进行混凝土拦河主坝中间坝段的渗
漏水监测，此外对廊道以外的排水管选择排水量
较大的出口进行渗漏量监测。
量水堰仪测量范围0～300 mm，分辨力小于
≤0．1 F·S。
3．2 各测流点水位监测
在白克明渠测流点、鸟放水渠测流点、引洪干
渠测流点、坝上游库水位监测点各设置1套水位
测量仪(选用压阻式液位仪)，以监测各部位的水
位，并根据水位流量曲线推算各放水点的流量。
水位测量仪的测量变幅为20 m，测量误差≤
土1 cm，工作温度满足温度一25～45℃ 。
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18 西北水力发电 第23卷
3．3 闸门开度监测
在双孔泄洪闸的工作闸门处，各布置1支闸
门开度仪，用以监测开度，并计算泄流量。
闸门开度仪测量启闭范围应满足：0．00 m～
30．00 m．测量误差≤ ± 1 cm，工作温度一25～
45℃ 。传输信号形式4～20 mA。
4 安全监测自动化系统
安全监测自动化设计本着运行管理方便，并
能及时掌握建筑物各监测点动态信息的原则，将
各监测项目数据信息全部集中引至水库管理站
内，实现数据采集自动化、资料处理分析自动化、
安全管理自动化，并预置远距离传输接口。
4．1 自动化安全监测系统的组成
白杨河水库安全监测自动化系统由四部分组
成：即大坝安全监测自动化系统、各测流点水位监
测系统、闸门开度监测系统。
大坝安全监测中纳入自动化监测的项目：坝
体垂线、坝基扬压力、渗漏量以及单向测缝计组，
坝顶平面变形监测数据定期收集并汇入自动化监
测系统中。
4．2 大坝自动化安全监测系统设计
白杨河水库安全监测自动化系统采用分布式
系统。基本采集系统内部采用RS一485信号传
输。
(1)大坝安全监测自动化系统要求及功能
本系统除采用分布式网络系统，还应满足下
列要求及功能：
① 满足(DL／T5178—2003)《混凝土坝安全
监测技术规范》、SL 60—94《土石坝安全监测技术
规范》、DL／T 5211—2005((大坝安全监测自动化
技术规范》和DL／T 5209—2005(混凝土坝安全监
测资料整编规程》的相关要求。
② 具有远程通讯功能；
③ 完成日常观测数据的自动采集，实现无人
值守；
④ 系统自检及硬件故障报警，系统平均无故
障时间(MTBF)大于6300h；
⑤ 系统具备防雷、防潮、防锈蚀、抗震、抗电
磁干扰等性能，防雷电感应：500W---1500W；瞬态
电位差：小于1000V；
⑥ 系统工作环境：一40℃ ～+60℃ ；
⑦ 系统运行方式：支持24h不间断运行，根
据需要可调；
⑧ 保修期内仪器、设备完好率100 ；
⑨ 系统软件具有如下功能：
所有软件均在Windows平台下运行；
数据采集功能，完成日常观测数据的自动采
集，实现无人值守，亦可按用户给定的周期、项目
进行数据采集，发现测值异常自动重测，仍为异常
时则给出提示，
自动报警功能，对重点监测部位的测值与监
控指标比较，判断大坝的工作状态，实施分级报
警。
具有全面、完善的数据管理功能，对观测数据
(自动监测数据、人工观测数据)与工程有关的档
案资料进行全面管理、储存、检索、制表、绘图、输
出打印。
对长期观测资料进行计算分析，建立安全监
控数学模型，对大坝安全状况进行评估，指导安全
运行；并符合规范DL／T5178—2003，SL 60—94，
DL／T 5209—2005要求的监测资料分析处理的软
件。
数据通讯功能，适应今后流域网局的管理及
厂MIS系统的要求。
(2)MCU测量单元
MCU(测量控制单元)具有自动集测、信号处
理、控制和通讯功能。主要功能和技术指标：
① 能够大坝安全监测联接、集测纳入大坝安
全监测自动化系统的所有传感器；
② 具有掉电自保护功能，具有对处理器、存
储器、电源、测量电路、时钟、接口、传感器线路进
行自诊断功能；
③ 能够采用220V 交流供电，能在220士
20 V电压范围正常运行；
④ 配备的电源容量必须保证MCU 正常工
作3 d；
⑤ 具有实时观测功能；
⑥ 具有存储、输出等功能，数据存储容量：不
低于60测次；
⑦ 配备数据采集软件，要求MCU单机能正
常观测；
③ 设有RS485通讯接口，必须公开通信协
议；
⑨ 具有较强的抗雷击和抗干扰功能，防雷电
感应：500 W～1 500 W ；
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第4期 张勤劳，等 白杨河水库大坝安全监测改造及自动化系统设计 19
⑩ 适应工作环境：温度一25~C～60~C；湿度
小于99 ；
⑩ 平均维修时间(MTTR)：不大于2h；
⑩ 采样时间：≤3 s／点；
⑩ 定时采集间隔：1 min 每月测量一次，可
任意设置；
@ 具有人工测量接口，以方便人工比测或在
采集装置发生故障时人工测读数据。
(3)工控机
采用原装品牌工控机，CPU频率PIV 1．8G
以上，内存256 MB，40 GB硬盘，硬盘支持热插
拔。
(4)计算机
采用品牌计算机，CPU 频率P1V2．8G 以上，
内存256MB以上，硬盘80GB以上，17”液晶显示
器
(5)打印机
A3激光打印机。
(6)UPS
采用美国山特UPS，配备的蓄电池能满足系
统运行2小时。
(7)传感器(压阻式)
长期稳定性：0．1 9，6F．S．／年，
输出信号：二线制或RS485
Alteration the Dam Safety
Automation for
ZHANG Qin一1ao ，
(1．Northwest Institute of Design and Survey，
tration，Xinjiang Kelamayi 834000，China)
(8)监测管理站
现阶段监测自动化管理站位于白杨河水库下
游约500 m白杨河水库管理站。将来的监测管
理中心站位于克拉玛依市，因此预留远程数据传
输方案和接口。
5 主要建筑物可视监控
本工程设置1套电视监控系统，在主坝、引洪
干渠放水闸、泄洪闸(兼顾溢堰)、排水廊道各布置
1个摄像头，用以监视各主要建筑物。
6 坝基排水孔
考虑原坝基排水孔已失效，在混凝土主坝横
向排水廊道中重新打排水孔。新排水孔共设置8
孔，其中横向排水廊道6孔(斜孔，偏向下游15。)，
纵向排水廊道2孔(垂直孔)，孔底深入基岩7～
9 m 。
7 结束语
系统建成后形成完整的白杨河水库大坝安全
监测系统，对于监测白杨河水库运行安全和提高
管理水平具有重要意义；特别是自动化系统对于
科学管理水库，统一调度水库，提高水库的经济效
益非常有利，同时实现实时监测和远程控制。
M onitoring System and Design of
BaiYangHe Reservoir
ZHAO Mi。，YANG Peng
Xi’an 710043，China；2．Xinjiang Petroleum Adminis—
Abstract：BaiYangHe reservoir was build in 1970’S．The reservoir only had simple monitoring system
for dam displacement，uplift pressure caused by seepage，since then．Limited by operation conditions，
the monitoring facilities were failed and observation was halted．In order to meet the requirement of
new standard，some new monitoring items should be set，and the automation should be design for the
monitoring system to realize rea1 time monitoring and telemeter．
Key words：dam safety monitoring；automation；system design；BaiYangH e Reservior
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