【正文】 科學(xué)依據(jù)。第 2 章 總體設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)原則及依據(jù) 設(shè)計(jì)原則1. 實(shí)用性適應(yīng)施工期、蓄水期、運(yùn)行期及已建工程更新改造的不同需要，便于維護(hù)和擴(kuò)充，每次擴(kuò)充時(shí)不影響已建系統(tǒng)的正常運(yùn)行，并能針對(duì)工程的實(shí)際情況兼容各類傳感器。能在溫度－30～＋60℃、濕度 95％以上及規(guī)定水壓條件下正常工作，能防雷和抗電磁干擾，系統(tǒng)中各測(cè)值宜變換為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字量輸出。操作簡(jiǎn)單，安裝、埋設(shè)方便，易于維護(hù)。2. 準(zhǔn)確性對(duì)于大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)而言，信息的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到?jīng)Q策的成敗。因此該系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、傳輸、處理等工作環(huán)節(jié)的設(shè)備選型和技術(shù)處理上要充分考慮誤差控制和誤差處理，確保提高系統(tǒng)整體的準(zhǔn)確性。3. 可靠性為保證系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，觀測(cè)數(shù)據(jù)具有可靠的精度和準(zhǔn)確度。系統(tǒng)設(shè)備能自檢自校及顯示故障診斷結(jié)果并具有斷電保護(hù)功能，同時(shí)具有獨(dú)立于自動(dòng)監(jiān)測(cè)量?jī)x器的人工觀測(cè)接口。4. 先進(jìn)性力求高起點(diǎn)，既滿足現(xiàn)實(shí)需求，又適應(yīng)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的需要，確保系統(tǒng)所采用的技術(shù)與當(dāng)前技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)保持一致，并便于系統(tǒng)的擴(kuò)展、升級(jí)和優(yōu)化。5. 開放性堅(jiān)持統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計(jì)，按開放式系統(tǒng)的要求5 / 35選擇設(shè)備，組建系統(tǒng)，以利于調(diào)整和擴(kuò)展，便于信息的共享。6. 經(jīng)濟(jì)性系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)堅(jiān)持經(jīng)濟(jì)性原則，在功能和采集范圍上可多可少，可大可小，以滿足不同投資規(guī)模和不同建設(shè)規(guī)模的需要，在追加投資后系統(tǒng)能方便的擴(kuò)充功能和擴(kuò)大監(jiān)測(cè)范圍。系統(tǒng)采用為分布式結(jié)構(gòu)，設(shè)備間連線簡(jiǎn)單，施工費(fèi)用極低。整體優(yōu)化設(shè)計(jì)，強(qiáng)化軟件，簡(jiǎn)化硬件，降低了設(shè)備造價(jià)。 設(shè)計(jì)依據(jù)《混凝土大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（DL/T51782022）；《土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（SL/6094）；《水利水電工程測(cè)量規(guī)范》（DLJ20281）；《水利水電工程施工測(cè)量規(guī)范》（SL5293）；《國(guó)家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》（GB5002693）；《國(guó)家水電工程測(cè)量規(guī)范》（DLJ20281）；《水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》（GBJ13890）；《水工建筑物巖石基礎(chǔ)開挖工程施工技術(shù)規(guī)范》（SL 47）；《砌體工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》（GB 50203）；《水利水電工程鉆探規(guī)程》（DL 5013）；《大壩安全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備基本技術(shù)條件》（SL2682022）；《土石壩安全監(jiān)測(cè)資料整編規(guī)程》（SL16996）；《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL2822022）。 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)根據(jù)業(yè)務(wù)需求的分析，確定系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)由采集層、通信層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層 5 部分組成。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如 圖 1 所示。6 / 35綜合數(shù)據(jù)庫(kù)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)管理 系統(tǒng)資料整編系統(tǒng)信息采集處理系統(tǒng)采集層應(yīng)用層滲流監(jiān)測(cè) 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)層通 信 層 應(yīng)力 、 應(yīng)變及溫度或壓力 （ 應(yīng)力 ） 監(jiān)測(cè)環(huán)境量或水文 、 氣象監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)分析預(yù)警系統(tǒng)W E B查詢系統(tǒng)圖 1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖 采集層采集層是信息來(lái)源的基礎(chǔ)，通過(guò)不同的監(jiān)測(cè)方法和技術(shù)來(lái)完成，主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為:1. 變形監(jiān)測(cè)變形監(jiān)測(cè)包括水平位移（橫向和縱向） 、垂直位移（豎向位移）壩體及壩基傾斜、表面接縫和裂縫監(jiān)測(cè)。對(duì)于土石壩除設(shè)有上述變形（稱之為表面變形）監(jiān)測(cè)項(xiàng)目外，還設(shè)有內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)。內(nèi)部變形包括分層豎向位移、分層水平位移、界面位移及深層應(yīng)變觀測(cè)。對(duì)于混凝土面板壩還有混凝土面板變形監(jiān)測(cè)，具體包括表面位移、撓度、應(yīng)變及接縫開度監(jiān)測(cè)。另外岸坡及基巖表面和深層7 / 35位移監(jiān)測(cè)也屬變形監(jiān)測(cè)。2. 滲流監(jiān)測(cè)混凝土壩滲流監(jiān)測(cè)包括壩基和壩體揚(yáng)壓力、壩基和壩體滲漏量、繞壩滲流和地下水位監(jiān)測(cè)。土石壩滲流監(jiān)測(cè)包括壩體滲流壓力、壩基滲流壓力、繞壩滲流、滲流量監(jiān)測(cè)。3. 應(yīng)力、應(yīng)變及溫度監(jiān)測(cè)或壓力（應(yīng)力）監(jiān)測(cè)混凝土壩的應(yīng)力、應(yīng)變及溫度監(jiān)測(cè)包括混土的應(yīng)力和應(yīng)變、無(wú)應(yīng)力、鋼筋應(yīng)力、鋼板應(yīng)力、壩體和壩基溫度、接縫和裂縫開度監(jiān)測(cè)。土石壩的壓力（應(yīng)力）監(jiān)測(cè)包括孔隙水壓力、土壓力、接觸土壓力、混凝土面板應(yīng)力監(jiān)測(cè)。4. 環(huán)境量監(jiān)測(cè)或水文、氣象監(jiān)測(cè)大壩所在位置的環(huán)境對(duì)大壩和壩基工作性態(tài)有重大影響，需予以監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有大壩上下游水位、水溫、氣溫、庫(kù)區(qū)雨量等。以上四大類監(jiān)測(cè)項(xiàng)目涉及幾十種物理量的監(jiān)測(cè)，每一種物理量監(jiān)測(cè)都需要在設(shè)計(jì)時(shí)布置必要的測(cè)點(diǎn)、選擇適當(dāng)?shù)谋O(jiān)測(cè)儀器。監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的選擇和測(cè)點(diǎn)的設(shè)計(jì)布置在兩部規(guī)范中按照工程等級(jí)、建筑物等級(jí)、壩型、壩基和基巖地質(zhì)條件以及大壩設(shè)計(jì)施工的特點(diǎn)作了規(guī)定。監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和測(cè)點(diǎn)布置既不能太多，也不太少，力求保持在合理水平，可參照前面述敘的國(guó)際上的相應(yīng)指標(biāo)，即監(jiān)測(cè)設(shè)施和實(shí)施費(fèi)用相當(dāng)于工程總造價(jià)的 1%來(lái)確定。大中型工程或大壩安全特別重要的小型工程均應(yīng)考慮到現(xiàn)代化管理的需要，即實(shí)現(xiàn)主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的自動(dòng)化。 通信層通信層是監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸交流的基礎(chǔ)，是數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕橘|(zhì)。系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)可以通過(guò)有線數(shù)據(jù)通信（現(xiàn)場(chǎng)總線）或無(wú)線數(shù)據(jù)通信的方式傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)中心，其中有線數(shù)據(jù)通信最遠(yuǎn)距離可以達(dá)到十幾公里，無(wú)線數(shù)據(jù)通信距離可以達(dá)到數(shù)十公里。在采用有線數(shù)據(jù)通信子網(wǎng)和無(wú)線數(shù)據(jù)通信混合結(jié)構(gòu)時(shí)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸具有路由自動(dòng)判斷機(jī)制，可以提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性。8 / 35 網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層主要指是監(jiān)測(cè)中心或者分中心的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，主要是為應(yīng)用軟件系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)環(huán)境，是日常行政辦公、內(nèi)部信息交流、信息共享的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。 數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)層是整個(gè)業(yè)務(wù)綜合數(shù)據(jù)的平臺(tái)，是業(yè)務(wù)應(yīng)用軟件系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，由多個(gè)相對(duì)獨(dú)立又互有關(guān)系的數(shù)據(jù)庫(kù)組成，該數(shù)據(jù)層主要是監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)部分。主要包括基本數(shù)據(jù)庫(kù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)、空間地理數(shù)據(jù)庫(kù)等。 應(yīng)用層應(yīng)用層是以大壩安全監(jiān)測(cè)管理軟件為核心，主要進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的接收、檢測(cè)、計(jì)算處理、存儲(chǔ)、分析、安全評(píng)價(jià)預(yù)警、統(tǒng)計(jì)、整編、查詢等過(guò)程。大壩安全監(jiān)測(cè)管理軟件包括信息采集處理系統(tǒng)、資料整編系統(tǒng)、統(tǒng)計(jì)分析預(yù)警系統(tǒng)、WEB 查詢系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。 信息流程該系統(tǒng)的總體信息流程如 圖 2 所示。9 / 35 監(jiān)測(cè)信息 通信系統(tǒng)傳輸綜合數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)資料整編系統(tǒng)信息采集處理系統(tǒng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計(jì)分析預(yù)警系統(tǒng)W E B查詢系統(tǒng)傳輸監(jiān)測(cè)中心綜合數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)資料整編系統(tǒng)信息采集處理系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析預(yù)警系統(tǒng)W E B查詢系統(tǒng)監(jiān)測(cè)分中心綜合數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)資料整編系統(tǒng)信息采集處理系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析預(yù)警系統(tǒng)W E B查詢系統(tǒng)監(jiān)測(cè)分中心圖 2 系統(tǒng)信息流程圖主要的信息流程包括信息采集、信息存儲(chǔ)、信息查詢、信息統(tǒng)計(jì)分析預(yù)警、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、信息展示。信息采集：主要對(duì)所有接入系統(tǒng)中的各類監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行一定方式的自動(dòng)化測(cè)量，采集所測(cè)數(shù)據(jù)，并傳送到中央控制裝置集中儲(chǔ)存或處理。 信息存儲(chǔ)：主要通過(guò)信息采集系統(tǒng)對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼、校驗(yàn)、入庫(kù)、存儲(chǔ)。信息查詢：主要對(duì)入庫(kù)的自動(dòng)化測(cè)量數(shù)據(jù)根據(jù)任意時(shí)段和各點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。信息統(tǒng)計(jì)分析預(yù)警：主要對(duì)根據(jù)采集值和時(shí)間為軸，顯示信號(hào)的時(shí)間變化過(guò)程，時(shí)間軸可以定義，如秒、分、小時(shí)、天；數(shù)據(jù)庫(kù)可以隨時(shí)調(diào)出查看、編輯、另行存儲(chǔ)。對(duì)大壩監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行離線分析處理、為大壩安全評(píng)判和運(yùn)行管理提供監(jiān)控模型、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)圖表。如自動(dòng)采集的孔隙水壓力過(guò)程線的顯示頁(yè)面形式等等。10 / 35數(shù)據(jù)庫(kù)管理：主要對(duì)根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)貯、數(shù)據(jù)庫(kù)查詢/修改、人工插補(bǔ)等。信息展示：主要對(duì)客戶提供報(bào)表顯示、圖形形式、電子地圖顯示、報(bào)警、視頻圖像等方式展示。 系統(tǒng)組成大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由信息采集系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、綜合數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、應(yīng)用軟件系統(tǒng)，包括自動(dòng)采集或人工觀測(cè)埋入壩體或安裝的傳感器 (大壩的變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變、溫度、降雨、水位、氣溫和地震等)等、測(cè)控單元（MCU）上位機(jī)、監(jiān)測(cè)中心、監(jiān)測(cè)分中心組成，系統(tǒng)組成如 圖 3 所示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用分布式體系結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)采集工作分散到靠近較多傳感器的測(cè)控單元來(lái)完成，然后將所測(cè)數(shù)據(jù)傳送到主機(jī)。系統(tǒng)每個(gè)觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)控單元都是多功能智能型儀器，能對(duì)各種類型的傳感器進(jìn)行控制測(cè)量。 通信系統(tǒng)上 位 機(jī)M C UM C UM C U網(wǎng) 絡(luò) 層通 信 層采 集 層M C U M C U工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù) 據(jù) 庫(kù) 服 務(wù) 器監(jiān) 測(cè) 工 作 站監(jiān)控中心數(shù) 據(jù) 庫(kù) 服 務(wù) 器監(jiān) 測(cè) 工 作 站監(jiān)控分中心數(shù) 據(jù) 庫(kù) 服 務(wù) 器監(jiān) 測(cè) 工 作 站監(jiān)控分中心靜力水準(zhǔn)儀引張線式水平位移計(jì)垂線座標(biāo)儀電容式位移計(jì)滲壓計(jì)滲壓計(jì)電容式位移計(jì)滲壓計(jì)滲壓計(jì)電容式位移計(jì)滲壓計(jì)光變形微壓差監(jiān)測(cè)儀圖 3 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖11 / 35 系統(tǒng)功能1. 傳感器感應(yīng)大壩變形、滲流、壓力（應(yīng)力）、應(yīng)變、溫度、環(huán)境量、水文、氣象等各種物理量，將模擬量、數(shù)字量、脈沖量、狀態(tài)量等信號(hào)輸入到測(cè)控單元。傳感器種類可分為：電阻式、電感式、電容式、振弦式、光纖式、調(diào)頻式、壓阻式、變壓器式、電位式等。2. 測(cè)控單元根據(jù)確定的觀測(cè)參數(shù)、計(jì)劃和順序進(jìn)行實(shí)際測(cè)量、計(jì)算和存儲(chǔ)，并有自檢、自動(dòng)診斷功能和人工觀測(cè)接口。根據(jù)確定的記錄條件，將觀測(cè)結(jié)果及出錯(cuò)信息與指定的監(jiān)測(cè)中心或其他測(cè)控單元進(jìn)行通信。能選配不同的測(cè)量模塊或板卡，以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種類型傳感器的信號(hào)采集。檢測(cè)指點(diǎn)的報(bào)警條件，一旦報(bào)警狀態(tài)或條件改變則通知指定的監(jiān)測(cè)中心。將所有觀測(cè)結(jié)果保存在存儲(chǔ)單元中，直到這些數(shù)據(jù)被監(jiān)測(cè)中心準(zhǔn)確接收完。管理電能消耗，在斷電、過(guò)電流引起重啟動(dòng)或正常關(guān)機(jī)時(shí)保留所有配置設(shè)定的信息。并具有防雷、抗干擾、防塵、防腐，適用于惡劣溫濕環(huán)境。采集系統(tǒng)的運(yùn)行方式有應(yīng)答式和自報(bào)式兩種，必要時(shí)也可采用任意控制。3. 通信系統(tǒng)通信系統(tǒng)根據(jù)站點(diǎn)情況采用有線或無(wú)線方式。且可以采用兩種通信方式互為備用信道，建立一套雙信道互為備份的通信系統(tǒng)。4. 業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)主要為大壩安全管理軟件系統(tǒng)；可以在監(jiān)測(cè)中心、分中心進(jìn)行數(shù)據(jù)接收、處理、存貯、分析、預(yù)警等功能。對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行容錯(cuò)校驗(yàn)、數(shù)據(jù)可靠性和準(zhǔn)確度檢查及數(shù)學(xué)模型檢查，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、刪除、插入、記錄、顯示、換算、打印、查詢及儀器位置、參數(shù)工作狀態(tài)的顯示，建立、標(biāo)定安全監(jiān)控?cái)?shù)學(xué)模型、并進(jìn)行影響因素分解及綜合性的分析、預(yù)報(bào)報(bào)警及安全性評(píng)價(jià)，以滿足對(duì)大壩安全監(jiān)測(cè)的需要。綜合數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)：可以對(duì)水文信息建立統(tǒng)一數(shù)據(jù)