珠江水利委员会珠江水利科学研究院 广东广州 510610
摘要：随着科学技术的发展，我国的大坝监测自动化技术有了很大进展。通过对温度、湿度、进水、门禁、功耗、供电、通信链路、地震等系统中测站现场环境，及数据采集设备运行状态等参数的监测，结合数据采集装置的自主智能化技术改进，如实现低功耗、智能通用化、前端数据判断、通道保护及电源管控等，利用中心数据采集计算机软件数理统计方法对监测数据进行质量及缺失情况分析，智能推断故障设备等，多效并举，可有效提高大坝安全监测自动化系统的智能化水平，保障自动化监测系统的稳定性、可靠性和运维效率。
关键词：大坝监测；自动化系统；数据采集装置；智能化
引言
大坝具有蓄水防洪、灌溉防旱、改善河道、减少水土流失、清洁发电等功能，建设大坝已成为水利开发利用的重要手段，对人类社会可持续化发展有重要的作用。因此，对大坝外部变形进行监测，有助于提高大坝的寿命，保障大坝安全稳定地运行，而随着科技的发展，自动化监测技术在大坝外部变形的监测中应用越来越广泛。
1渗流监测
水库大坝渗流监测自动化系统包括一副坝浸润线监测、大坝左岸绕坝渗流监测、坝基扬压力监测、大坝右岸绕坝渗流监测、坝体渗流量监测、二副坝渗流监测几个部分组成，除坝体渗流量监测采用超声波水位计外，其余均采用电热法测量。水库大坝渗流监测自动化系统无法直接进行渗流参数测量，主要是通过测量渗流发生位置的温度变化，反演渗流参数。常用的介质温度测量方法为电热法、梯度法，均是依据热传导能量方程开展。在光纤、周围传热一定时温度场较为稳定，可以通过大密度、高硬度测温光缆+光纤不锈钢套管组成抗高压结构，在整平层上铺设，配合预留在坝顶电缆沟内的通讯光缆以及缠绕测量光缆的加热装置（可调节电压的直流加热电源、加热导线），进行渗流测量，并将渗流测量的数值随时传输至监测室内。
2测量机器人自动化监测技术
测量机器人（即智能型全站仪）可以快速地自动识别锁定各监测目标，基于这一特点，其搭配监测棱镜组、气象传感器、供电通讯设备、测量控制和数据处理软件，共同组成测量机器人自动化监测系统。测量机器人自动化监测技术的关键是工作基点（测量机器人测站）和基准点（后视点、校核点）选点布设。根据大坝的实际情况及其外部变形监测的要求，可以选用1台或多台测量机器人布设1个或多个测站，利用大坝原有监测控制网点作为基准点或新建独立基准点，同时在监测部位上布设永久棱镜监测点，通过测量控制和数据处理软件进行精确定向完成测站设置，便可以开始自动化监测测量。测量机器人自动化监测系统具有精度高、效率高、稳定性强及受地形影响较小等优点，且建造成本较低，特别适用于大坝、边坡等的实时性变形监测，缺点是在大雨、浓雾天气时不能进行观测。
3无线通信技术
低功耗无线通信技术的发展为监测系统的数据传输提供了便捷，是未来大坝安全监测系统设备的发展方向。数据传输距离和数据量对带宽的要求是无线通信方式选择的主要考虑因素。目前在行业内主要应用的局域无线组网技术有ZigBee，LoRa，微波等，无线广域网组网技术有GPRS，CDMA，LTE，NB-IoT等。在设计数据采集系统配套的无线网络时，在兼顾信号强度及兼容性的基础上，应重点考虑供电方式和功耗需求，合理配置AA碱性干电池、大容量一次性锂电池、铅酸蓄电池、太阳能电板、市电线路等供电设施。
4地面三维激光扫描自动化监测技术
地面三维激光扫描仪是一种固定式激光扫描仪，能够采集获取扫描物体表面的三维点云数据。类似于测量机器人自动化监测技术，地面三维激光扫描仪搭配气象传感器、供电通讯设备、测量控制和数据处理软件，共同组成地面三维激光扫描自动化监测系统。地面三维激光扫描仪能够快速、高密度地采集监测物体或监测区域的三维点云数据，将点云数据预处理后生成监测物体或监测区域的表面模型，然后再把不同时段内生成的模型统一到同一个坐标系中，以此做对比分析来提取监测物体或监测区域的变形量。因此在仪器布设方面，地面三维激光扫描自动化监测技术的关键是工作基点（扫描坐标系以激光束发射中心为坐标原点）的布设，并且一般不需要设置监测点。不同于测量机器人和GNSS的点式监测，地面三维激光扫描仪是基于整体的外部变形监测方法。地面三维激光扫描自动化监测技术的优势就在于可以快速、高密度、高精度地获取大坝建筑及两岸边坡的三维点云数据，从而能够反映坝体及边坡的总体变形趋势。
5系统管理
1）系统安全管理。系统实行两级授权管理，即管理员、操作员两种权限。各级操作人员使用不同的安全管理口令登录系统。2）系统文件管理。系统文件管理功能可在系统安装调试或者系统维护完成后进行备份，也可定期对系统文件进行备份，备份信息用于后期系统维护时恢复系统。3）数据库管理。数据库管理功能可以对监测数据进行备份、还原以及远程复制。可以将任意时间段的数据手动备份出来，也可定时自动备份，备份用于后期恢复系统和数据软盘传递等。
6工程实例
枕头坝一级水电站大坝外部变形监测自动化系统枕头坝一级水电站位于大渡河中下游河段四川省乐山市金口河区，在地震构造部位上处于我国中部南北向地震带中南段的东侧，区域构造稳定条件较差，地形地质条件复杂，大坝及其邻近区域的变形监测任务十分重要。因此，在该大坝建成后，及时建立了大坝外部变形监测自动化系统，以代替人工监测。按照系统结构划分，枕头坝一级水电站大坝外部变形监测自动化系统是由变形监测数据采集、数据传输、控制与分析软件、供电和防雷等模块组成。而按照监测数据采集模式划分，该系统又可分为测量机器人自动化监测系统和GNSS自动化监测系统两个子系统，二者能够进行联合监测。基准点布设。两套子系统共用4个基准点（其中的2个基准点同时也是测量机器人测站点即工作基点，内部同轴安装测量机器人、圆棱镜、GNSS天线）。监测点布设。根据现场条件，超出测量机器人观测视线范围的监测点只布设GNSS，GNSS信号不佳的监测点只布设圆棱镜，坝顶及其他满足共同观测条件的特定监测点同轴安装圆棱镜和GNSS天线，因此，全部监测点共包括了7个单GNSS监测点、28个单棱镜监测点、18个GNSS和棱镜同轴监测点。枕头坝一级水电站大坝外部变形监测自动化系统同时采用测量机器人和GNSS自动化监测技术，将二者的技术优势进行了互补。在坝区范围内均匀布设若干个监测点，同轴安装圆棱镜和GNSS天线，两套子系统观测的数据可以相互检校，既可以保证观测精度，也可以实现全天候观测，并且可以适当节约成本。
结语
综上所述，自动化系统在水库大坝安全监测中的应用，可以将水库大坝管理提升到一个新的高度，预期效果较为显著。因此，水库大坝安全管理人员应依托自动化技术，面向工程运行管理、质量评价、结构分析，构建一个完善的安全检测框架，全面、细致监测大坝运行情况，并积极参与到大坝管理决策中，带动水库大坝整体管理工作以及区域社会的安全、健康发展。
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