大坝安全监测解决规划方案docx.docx

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大坝安全监测系统

解决方案

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第1章概论3

1.1系统概览3

1.2历史回望3

1.3现状分析4

1.4目标阐述4

第2章总体设计................................................................5

2.1设计原则及依据5

2.2系统体系结构7

2.3信息流程10

2.4系统组成12

2.5系统功能13

第3章信息采集系统.15

3.1需求分析15

3.2技术解决方案15

第4章通信网络系统.21

4.1测控单元和监测中心之间的通信21

4.2监测中心和监测分中心之间的网络错误！

未定义书签。

第5章软件系统...............................................................28

5.1建设原则28

5.2技术解决方案29

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第1章概论

1.1系统概览

大坝作为特殊的建筑，其安全性质与房屋等建筑物完全不同，大坝安全出现

问题，将会引发大坝下游一定范围的人员和财产、环境损失。

在加强水利建设的

大环境下，提高水工建筑物的安全，特别是提高大坝安全监测水平，保证水库大

坝的安全，是关系到国家利益和社会稳定的头等大事。

大坝安全监测系统主要由

观测传感器、遥测数据采集模块、工业控制网络和自动监测管理软件系统组成，

通过计算机的工作，能够实现大坝观测数据自动采集、处理和分析计算，对大坝

的性态正常与否作出初步判断和分级报警为监测对象提供早期安全预警报告的

自动化系统。

建立大坝安全自动监测系统，可以缩短数据采集周期，提高大坝观

测的工作效率，减轻劳动强度；并能充分利用水库调蓄能力，使其在防洪和供水

两方面发挥最大的效益，同时可提高水库管理水平，及时发现大坝隐患，为水库

的安全运行提供有力的保障。

1.2历史回望

大坝安全监测系统在西方发达国家已有30多年的历史。

如法国要求对高于

３

20ｍ的大坝和库容超过1500万ｍ的水库，均需设置报警系统，并提出垮坝后

库水的淹没范围、冲击波到达时间、淹没持续时间和相应的居民疏散计划等。

而

葡萄牙大坝安全条例（1990）也要求大坝业主提交有关溃坝所引起洪水波传播的

研究报告，编制下游预警系统、应急计划和疏散计划。

美国的《联邦大坝安全导

则》和加拿大的《大坝安全导则》都强调要求采取险情预计、报警系统、撤退计

划等应急措施，以便万一发生不测时，将损失减少到最小程度。

1976年美国

92.96ｍ高的堤堂坝（Ｔｅｔｏｎ）失事前，大坝管理机构根据大坝安全监测系

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统监测到的事故的发展状况及时通过下游的行政司法当局向可能被淹的群众发

出警报，有组织地进行人员疏散，尽管大坝失事后堤堂河和斯内克河下游130km，

约780km2的地区遭洪水肆虐，造成25000人无家可归、损失牲畜约２万头的巨

大物质损失，但人员死亡只有11人，初步体现了大坝安全监测系统的重要意义。

1.3现状分析

中国已建成近8.5万座水库，数量居世界首位。

但是，由于历史原因，这些

水库大部分防洪标准偏低，且大都存在不同程度的质量问题。

一些水库大坝的病

险情况较为严重，影响了水库综合效益的发挥，也严重威胁着人民生命财产安全。

为了确保水库大坝的安全运行，充分发挥水利工程的预期效益，对水库大坝实施

安全监测和科学管理，已成为中国各级水行政主管部门所面临的一个迫切需要解

决的重大问题。

大坝监测自动化经历了从单台仪器遥测、专用测量装置、集中式数据采集系

统到分布式数据采集系统的发展过程，其发展与基于仪器设备的监测系统的发展

和进步密切相关，而监测系统的发展是以所有监测元件的迅猛发展为标志的，包

括从相关的传感器、测量仪器到转换、处理、存储、打印和分析设备的发展。

目前，全国的大部分的水库大坝监测报手段落后，测验设施设备老化，信息

的采集精度低，甚至很多水库没有对大坝的监测手段。

大坝带病运行，一旦遇大

洪水来临严重威胁大坝及下游人员和财产安全。

因此，迫切需要建设一套自动化

程度高、有先进的大坝监测系统，以提高防洪减灾能力，保障人民生命财产的安

全。

1.4目标阐述

大坝安全监控系统是一个庞大的系统工程，并且具有涉及信息量大、覆盖的

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知识面广等特点。

众所周知，大坝安全监测仪器是人们了解大坝运行状态的耳目，

它要能够在恶劣环境下长期稳定可靠的检测出大坝微小的物理量变化，所以在某

些方面（如在测量精度、长期稳定性方面）与其它工业监测行业相比，其要求更

高、难度更大。

从外部观测的静力水准、正倒锤、激光准直到内部观测的渗压计、

沉降计、测斜仪、土体应变计、土压计，其自动化遥测都是建立在高可靠性的传

感器的基础上。

近年来，随着大型水坝建筑的增多和高科技的应用，大坝安全监

测正向一体化、自动化、数字化、智能化的方向发展。

大坝安全监测系统建设的总的目的是以国家对大坝安全监测工程建设的标

准和要求为依据，以实时采集监测信息并传输到大坝安全监测中心进行分析、处

理为目的，将现代化工业自动化控制、现代通信技术、计算机网络技术、数据库

技术、地理信息技术和信息分析预测技术与大坝安全监测业务需求紧密结合，建

成一个先进实用、高效可靠、自动化程度高的大坝安全监测系统，达到监测数据

采集自动化、传输网络化、处理标准化、分析科学化，有效地提高水情信息采集、

传输、处理、分析、预报的准确性、可靠性，更好地为各级大坝管理部门的决策

和指挥抢险救灾提供科学依据。

第2章总体设计

2.1设计原则及依据

2.1.1设计原则

1.实用性

适应施工期、蓄水期、运行期及已建工程更新改造的不同需要，便于维护和

扩充，每次扩充时不影响已建系统的正常运行，并能针对工程的实际情况兼容各

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类传感器。

能在温度－30～＋60℃、湿度95％以上及规定水压条件下正常工作，

能防雷和抗电磁干扰，系统中各测值宜变换为标准数字量输出。

操作简单，安装、

埋设方便，易于维护。

2.准确性

对于大坝安全监测系统而言，信息的准确性直接关系到决策的成败。

因此该

系统在监测数据自动采集、传输、处理等工作环节的设备选型和技术处理上要充

分考虑误差控制和误差处理，确保提高系统整体的准确性。

3.可靠性

为保证系统长期稳定运行，观测数据具有可靠的精度和准确度。

系统设备能

自检自校及显示故障诊断结果并具有断电保护功能，同时具有独立于自动监测量

仪器的人工观测接口。

4.先进性

力求高起点，既满足现实需求，又适应长远发展的需要，确保系统所采用的

技术与当前技术发展趋势保持一致，并便于系统的扩展、升级和优化。

5.开放性

坚持统一标准，采用行业标准和规范进行统一设计，按开放式系统的要求选

择设备，组建系统，以利于调整和扩展，便于信息的共享。

6.经济性

系统设计时坚持经济性原则，在功能和采集范围上可多可少，可大可小，以

满足不同投资规模和不同建设规模的需要，在追加投资后系统能方便的扩充功能

和扩大监测范围。

系统采用为分布式结构，设备间连线简单，施工费用极低。

整

体优化设计，强化软件，简化硬件，降低了设备造价。

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2.1.2设计依据

《混凝土大坝安全监测技术规范》（DL/T5178-2003）；

《土石坝安全监测技术规范》（

SL/60-94）；

《水利水电工程测量规范》（DLJ202-81）；

《水利水电工程施工测量规范》（

SL52-93）；

《国家一、二等水准测量规范》（

GB50026-93）；

《国家水电工程测量规范》（DLJ202-81）；

《水位观测标准》（GBJ138-90）；

《水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范》（

SL47）；

《砌体工程施工及验收规范》（

GB50203）；

《水利水电工程钻探规程》（DL5013）；

《大坝安全自动化监测系统设备基本技术条件》（

SL268-2001）；

《土石坝安全监测资料整编规程》（SL169-96）；

《混凝土拱坝设计规范》（SL282-2003）。

2.2系统体系结构

根据业务需求的分析，确定系统的体系结构由采集层、通信层、网络层、数

据层、应用层5部分组成。

系统体系结构如图1所示。

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应用层

信息

资料

统计

WEB

数据

采集

分析

库管

整编

查询

处理

预警

理系

系统

系统

系统

系统

统

综合数据库

计算机网络层

通信层

采集层

变形渗流应力、应变及温度或环境量或水

监测监测压力（应力）监测文、气象监测

图1系统体系结构图

2.2.1采集层

采集层是信息来源的基础，通过不同的监测方法和技术来完成，主要监测项

目为:

1.变形监测

变形监测包括水平位移（横向和纵向）、垂直位移（竖向位移）坝体及坝基

倾斜、表面接缝和裂缝监测。

对于土石坝除设有上述变形（称之为表面变形）监

测项目外，还设有内部变形监测。

内部变形包括分层竖向位移、分层水平位移、

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界面位移及深层应变观测。

对于混凝土面板坝还有混凝土面板变形监测，具体包

括表面位移、挠度、应变及接缝开度监测。

另外岸坡及基岩表面和深层位移监测

也属变形监测。

2.渗流监测

混凝土坝渗流监测包括坝基和坝体扬压力、坝基和坝体渗漏量、绕坝渗流和

地下水位监测。

土石坝渗流监测包括坝体渗流压力、坝基渗流压力、绕坝渗流、渗流量监测。

3.应力、应变及温度监测或压力（应力）监测

混凝土坝的应力、应变及温度监测包括混土的应力和应变、无应力、钢筋应

力、钢板应力、坝体和坝基温度、接缝和裂缝开度监测。

土石坝的压力（应力）监测包括孔隙水压力、土压力、接触土压力、混凝土

面板应力监测。

4.环境量监测或水文、气象监测

大坝所在位置的环境对大坝和坝基工作性态有重大影响，需予以监测。

监测

项目有大坝上下游水位、水温、气温、库区雨量等。

以上四大类监测项目涉及几十种物理量的监测，每一种物理量监测都需要在

设计时布置必要的测点、选择适当的监测仪器。

监测项目的选择和测点的设计布置在两部规范中按照工程等级、建筑物等

级、坝型、坝基和基岩地质条件以及大坝设计施工的特点作了规定。

监测项目和

测点布置既不能太多，也不太少，力求保持在合理水平，可参照前面述叙的国际

上的相应指标，即监测设施和实施费用相当于工程总造价的1%来确定。

大中型

工程或大坝安全特别重要的小型工程均应考虑到现代化管理的需要，即实现主要

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监测项目的自动化。

2.2.2通信层

通信层是监测数据传输交流的基础，是数据传输的介质。

系统现场采集的数

据可以通过有线数据通信（现场总线）或无线数据通信的方式传输到监测中心，

其中有线数据通信最远距离可以达到十几公里，无线数据通信距离可以达到数十

公里。

在采用有线数据通信子网和无线数据通信混合结构时，系统数据传输具有

路由自动判断机制，可以提高数据传输可靠性。

2.2.3网络层

网络层主要指是监测中心或者分中心的计算机网络，主要是为应用软件系统

运行的基础环境，是日常行政办公、内部信息交流、信息共享的网络基础。

2.2.4数据层

数据层是整个业务综合数据的平台，是业务应用软件系统运行的基础，由多

个相对独立又互有关系的数据库组成，该数据层主要是监测数据库部分。

主要包

括基本数据库、监测数据库、实时数据库、历史数据库、空间地理数据库等。

2.2.5应用层

应用层是以大坝安全监测管理软件为核心，主要进行监测数据的接收、检测、

计算处理、存储、分析、安全评价预警、统计、整编、查询等过程。

大坝安全监

测管理软件包括信息采集处理系统、资料整编系统、统计分析预警系统、WEB查

询系统、数据库管理系统。

2.3信息流程

该系统的总体信息流程如图2所示。

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监测分中心

监测中心

监测分中心

信息

资料

统计

WEB

数据

信息

资料

统计

WEB

数据

信息

资料

统计

WEB

数据

采集

分析

库管

采集

分析

库管

采集

分析

库管

处理

整编

预警

查询

理系

整编

查询

整编

查询

系统

系统

处理

预警

理系

处理

预警

理系

系统

系统

统

系统

系统

系统

系统

系统

系统

统

系统

系统

统

综合数据库综合数据库综合数据库

计算机网络

传输

通信系统

传输

监测信息

图2系统信息流程图

主要的信息流程包括信息采集、信息存储、信息查询、信息统计分析预警、

数据库管理系统、信息展示。

信息采集：

主要对所有接入系统中的各类监测仪器进行一定方式的自动化测

量，采集所测数据，并传送到中央控制装置集中储存或处理。

信息存储：

主要通过信息采集系统对接收的数据进行解码、校验、入库、存

储。

信息查询：

主要对入库的自动化测量数据根据任意时段和各点的数据进行查

询。

信息统计分析预警：

主要对根据采集值和时间为轴，显示信号的时间变化过

程，时间轴可以定义，如秒、分、小时、天；数据库可以随时调出查看、编辑、

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另行存储。

对大坝监测数据进行离线分析处理、为大坝安全评判和运行管理提供

监控模型、监控数据图表。

如自动采集的孔隙水压力过程线的显示页面形式等等。

数据库管理：

主要对根据监测数据进行数据转贮、数据库查询/修改、人工

插补等。

信息展示：

主要对客户提供报表显示、图形形式、电子地图显示、报警、视

频图像等方式展示。

2.4系统组成

大坝安全监测系统由信息采集系统、通信系统、网络系统、综合数据库系统、

应用软件系统，包括自动采集或人工观测埋入坝体或安装的传感器（大坝的变

形、渗流、应力应变、温度、降雨、水位、气温和地震等）等、测控单元（MCU）

上位机、监测中心、监测分中心组成，系统组成如图3所示。

系统结构采用分布

式体系结构，数据采集工作分散到靠近较多传感器的测控单元来完成，然后将所

测数据传送到主机。

系统每个观测现场的测控单元都是多功能智能型仪器，能对

各种类型的传感器进行控制测量。

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数据库服务器数据库服务器

监测工作站监测工作站

监控分中心监控分中心

网络层

监测工作站上位机数据库服务器

监控中心

通信系统通信层

采集层

工业现场总线

工业现场总线

工业现场总线

MCU

MCU

MCU

MCU

MCU

光

电

电

静

垂

引

变

形

渗

渗

力

渗

渗

电

张

容

容

线

容

线

渗

微

压

压

水

压

压

式

式

座

计

计

准

计

计

式

式

压

压

位

位

标

位

水

计

差

仪

移

移

仪

移

平

监

计

计

计

位

测

移

仪

计

图3系统组成结构图

2.5系统功能

1.传感器

感应大坝变形、渗流、压力（应力）、应变、温度、环境量、水文、气象等

各种物理量，将模拟量、数字量、脉冲量、状态量等信号输入到测控单元。

传感

器种类可分为：

电阻式、电感式、电容式、振弦式、光纤式、调频式、压阻式、

变压器式、电位式等。

2.测控单元

根据确定的观测参数、计划和顺序进行实际测量、计算和存储，并有自检、

自动诊断功能和人工观测接口。

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根据确定的记录条件，将观测结果及出错信息与指定的监测中心或其他测控

单元进行通信。

能选配不同的测量模块或板卡，以实现对各种类型传感器的信号

采集。

检测指点的报警条件，一旦报警状态或条件改变则通知指定的监测中心。

将所有观测结果保存在存储单元中，直到这些数据被监测中心准确接收完。

管理电能消耗，在断电、过电流引起重启动或正常关机时保留所有配置设定

的信息。

并具有防雷、抗干扰、防尘、防腐，适用于恶劣温湿环境。

采集系统的运行方式有应答式和自报式两种，必要时也可采用任意控制。

3.通信系统

通信系统根据站点情况采用有线或无线方式。

且可以采用两种通信方式互为

备用信道，建立一套双信道互为备份的通信系统。

4.业务应用系统

业务应用系统主要为大坝安全管理软件系统；可以在监测中心、分中心进行

数据接收、处理、存贮、分析、预警等功能。

对接收的数据进行容错校验、数据可靠性和准确度检查及数学模型检查，数

据存储、删除、插入、记录、显示、换算、打印、查询及仪器位置、参数工作状

态的显示，建立、标定安全监控数学模型、并进行影响因素分解及综合性的分析、

预报报警及安全性评价，以满足对大坝安全监测的需要。

综合数据库系统：

可以对水文信息建立统一数据平台，统一数据格式，规范

数据标准，可以有效地进行数据共享，数据分析，为业务应用系统提供可靠基础。

也可以对其它相关系统的数据接入提供接口。

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第3章信息采集系统

3.1需求分析

信息采集系统的主要任务是监测大坝变形、渗流、压力（应力）、应变、温

度、环境量、水文、气象等要素自然变化情况，它是一项基础和前期工作，是大

坝安全监测的耳目和参谋，是各大坝管理部门做出正确判断，发布正确指令的理

论依据。

其质量和精度将直接影响大坝安全监测准确性，影响决策的科学性。

加

强信息采集系统基础设施的建设，强化信息采集工作，提高观测自动化程度成为

当务之急。

水情信息采集系统需要完成以下任务：

实现大坝变形、渗流、压力（应力）、应变、温度、环境量、水文、气

象等观测量数据自动采集、存储，并满足实时自动传输的要求。

采用实用的观测设备，实现流观测量数据信息的人工及自动观测相结

合，实现人工采集及输入及自动计算和实时自动传输。

采集设备采用先进技术，使观测信息标准达到部颁建设标准。

3.2技术解决方案

信息采集系统主要是由测控单元（MCU）、监测仪器组成。

测控单元是分布

式系统的关键设备，是一种智能化、模块化的多功能装置，体积小巧，结构紧凑，

具有控制、测量、数据存储、防潮、防雷、抗干扰等各种功能，可安装在监测仪

器附近，实现监测仪器的自动巡测和选测。

系统中的测控装置由通讯总线连接到

中央控制装置或微机，组成数据采集网络。

中央控制装置或微机对网络进行控制，

可用不同的运行方式实现数据采集的自动化。

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1.测控单元

测控单元系统组成如图4所示。

现场取

手操器PDA

端终端

数据

控制

显示

人工

人机

通信接

设置

接口

口单元

处理

单元

单元

单元

单元

模块

485总线及供电

数据

其它智

电源控

存储

能模块

监测模块

单元

制单元

变形、渗流、

太阳能电源

交流电源

变形、渗流、压力（应力）、应

变、温度、环境量、水文、气象

等传感器监测仪

图4测控单元系统组成图

测控单元的主要技术指标如下

时基精度：

0.01%，分辩率：

0.001us；

温度精度：

±0.5℃，分辩率：

0.1℃；

测量时间：

2～3s/point；

通信接口：

EIA-RS485，EIA-RS232，CANbus；

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存储容量：

128kB；

工作电源：

12VDC；

充电电源：

220VAC/50Hz；

功耗：

掉电：

200uA，休眠：

10mA，待机：

20mA，测量＜30