水利工程坝体沉降观测自动化系统设计与应用

一、引言

水利工程中的坝体长期承受着巨大的水压、自重以及其他复杂的外部荷载，随着时间的推移，坝体可能会发生沉降现象。若沉降超出允许范围，将严重威胁坝体的结构安全，甚至可能引发溃坝等重大事故，给下游地区带来灾难性后果。传统的坝体沉降观测方法主要依赖人工定期测量，这种方式不仅效率低下、测量周期长，而且容易受到人为因素的干扰，导致测量精度难以保证。在现代水利工程管理中，对坝体沉降监测的实时性、准确性和连续性提出了更高的要求，因此，研发并应用坝体沉降观测自动化系统成为必然趋势。

二、坝体沉降观测自动化系统设计

2.1 系统构成

坝体沉降观测自动化系统由传感器层、数据采集与传输层、数据处理与分析层及预警与决策支持层构成。传感器层是获取数据的关键，常用的静力水准仪利用连通管液体高差变化监测坝体垂直沉降，适用于内部关键部位；GNSS 接收器借助卫星定位获取三维坐标，实现坝体表面及周边大面积远程监测；位移传感器则依不同原理直接测量水平或垂直位移。数据采集与传输层中，采集设备高精度收集数据并初步处理存储，传输方式采用有线（RS485 总线、以太网）与无线（4G/5G、LoRa、北斗短报文）结合，确保数据可靠实时传输。数据处理与分析层作为核心，先对原始数据去噪滤波，再运用时间序列模型、有限元分析等算法模型，分析沉降趋势、提取变形特征、检测异常值，并以图表报表展示结果。预警与决策支持层依据处理结果设定阈值，超限时通过多种方式预警，提供异常分析与应对建议，还能整合多源数据，利用大数据和人工智能综合评估坝体安全，为管理决策提供科学依据。

2.2 系统工作原理

坝体沉降观测自动化系统以传感器实时感知沉降变化为基础。静力水准仪通过在坝体不同部位安装并以连通管相连，管内注满液体，当坝体沉降致使各水准仪高差改变，连通管内液位随之变化，传感器将液位变化转换为电信号或数字信号，由数据采集设备传输至处理中心，依据液位差和安装位置关系计算沉降量。GNSS 监测则依靠接收器持续接收卫星信号，通过测量信号传播时间与角度确定三维坐标，坝体沉降位移时坐标改变，对比不同时刻数据得出沉降位移量。数据处理软件运用数学模型和算法分析大量沉降数据，挖掘规律趋势，一旦发现异常，预警系统即刻启动，从而达成对坝体沉降的实时监测与预警。

三、坝体沉降观测自动化系统应用案例

3.1 南水北调中线水源工程丹江口大坝沉降监

丹江口大坝位于湖北省丹江口市汉江中上游，是汉江流域最大水利枢纽和南水北调中线关键水源工程，坝长2.5 公里，最大坝高97 米，坝顶高程162 米，装机容量 90 万千瓦，年均发电量 38.3 亿度，监测系统包含初期与加高工程两部分体系。为实现高精度自动化监测，该工程引入徕卡 GeoMoS 方案，搭建由GNSS 监测系统与测量机器人监测系统组成的外部变形观测体系。在左、右岸土石坝表面设 76 个、混凝土坝设 4 个、升船机设 4 个变形监测点，两岸土石坝各建5 个工作基点，配置10 台测量机器人，并以GNSS 双系统进行实时检核。各站点配备温压传感器校正数据，观测房设有自动开关窗与防雷装置，监测点采用 360^∘ °棱镜，还配备视频监控保障安全。系统通过光纤通讯，采用铠装光纤穿钢管保护架设，利用坝区市电供电。管理中心借助徕卡 GeoMoS_CH 软件整合数据，实现集成管理与自动化分析。系统运行后，监测精度满足工程需求，为大坝安全稳定运行筑牢监测防线，有效保障南水北调中线工程水源供应安全。

3.2 青居水电站混凝土坝体沉降监测

青居水电站大坝安全监测自动化系统是青居、东西关两站大坝监测体系的重要组成部分，共安装 180 余套设备，综合运用引张线、静力水准、GNSS 等多种监测设备，可自动监测坝体变形、渗流、扬压力等多项关键指标。在设备部署上，采用以太网技术结合光纤传输，构建冗余星型网络确保通讯稳定。设备安装过程充满挑战，如在坝体内部安装感应设备时，需从坝顶垂直钻直径21.9 厘米、深 42 米至坝底岩层的孔洞，攻关组通过在坝顶交通桥“T 型”梁垂线精准定位，并每2 米纠正一次孔倾斜，单孔钻探耗时25 天。历经168 天建设，该系统于2024 年6 月28 日投入运行。其能在10 秒内完成重点部位与项目的测量、传输及分析，将监测数据及时性从“月级”提升至“秒级”。通过对多元监测信息处理，实现大坝运行状态精准诊断，强化薄弱环节动态监控，为水工建筑物精细化治理提供数据支撑，推动水电站大坝运维管理向智慧化迈进。

四、坝体沉降观测自动化系统应用优势

4.1 提高监测效率与精度

传统人工监测方式需要工作人员携带测量仪器到现场进行测量，测量过程繁琐且耗时较长，难以实现对坝体沉降的高频次监测。而自动化系统能够实时、连续地采集坝体沉降数据，大大提高了监测效率。同时，自动化系统采用的高精度传感器和先进的数据处理算法，有效减少了人为因素导致的测量误差，能够更准确地反映坝体的沉降情况，监测精度可达毫米级甚至更高，为坝体安全评估提供了更可靠的数据支持。

4.2 实现实时监测与预警

自动化系统能够实时获取坝体沉降数据，并通过网络将数据及时传输至管理中心。一旦坝体沉降出现异常，系统能够在第一时间自动发出预警信息，通知相关人员采取措施。相比传统监测方式，预警的及时性大大提高，能够为坝体安全事故的预防争取宝贵的时间，有效降低灾害发生的风险。

4.3 降低人力成本与劳动强度

人工定期进行坝体沉降监测需要投入大量的人力和时间，工作人员需要在复杂的坝体环境中进行测量作业，劳动强度较大。自动化系统的应用实现了监测工作的自动化，无需大量人工现场操作，只需少量工作人员对系统进行维护和管理，显著降低了人力成本和劳动强度。

4.4 便于数据管理与分析

自动化系统采集的大量坝体沉降数据能够自动存储在数据库中，便于进行长期的数据管理和分析。通过对历史数据的挖掘和分析，可以深入了解坝体沉降的变化规律和趋势，为水利工程的运行维护、加固改造等提供科学依据。同时，数据处理与分析软件能够将数据以直观的图表、报表等形式展示出来，方便管理人员直观了解坝体的安全状况。

五、结论

水利工程坝体沉降观测自动化系统通过科学设计传感器、数据采集传输、处理分析及预警决策等模块，实现坝体沉降的实时精准监测与及时预警，为工程安全运行提供可靠技术保障。实际应用显示，该系统将监测频次从人工的“月级”提升至“秒级”，精度达毫米级，人力成本降低超 70% ，显著提升监测效率与精度。通过集成GNSS、静力水准等多源数据，结合大数据分析与 AI 算法，系统可动态评估坝体安全状态。随着传感器、通信、大数据及人工智能等技术发展，该系统将持续优化升级，在水利工程建设与运维中发挥更关键作用，保障工程长期安全稳定运行。

参考文献：

[1] 卞晓卫 , 蒋剑 , 余德平 , 等 . 超长管路水管式沉降仪在阿尔塔什水利枢纽工程中的应用研究 [J]. 水利水电技术 ,2018,49(S1):147-150.

[2] 方志冬 , 董文娟 . 浅谈黄河三盛公水利枢纽工程垂直位移人工观测工作[J]. 内蒙古水利 ,2024,(S02):88-89.

[3] 孙承祥 , 孙晓燕 . 岩基标点在新沂河海口控制工程沉降观测中的应用 [J].江苏水利 ,2020,36(08):54-57.