摘要：對(duì)于監(jiān)測(cè)水庫(kù)大壩來說，測(cè)壓管是否正常運(yùn)行有著十分重要的意義。如果測(cè)壓管水位出現(xiàn)異常，就應(yīng)依據(jù)實(shí)際情況對(duì)其分析，并采取水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固措施進(jìn)行處理。本文主要對(duì)大壩測(cè)壓管水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析。
關(guān)鍵詞：大壩；測(cè)壓管；水位監(jiān)測(cè)；設(shè)計(jì)
中圖分類號(hào)：TV698文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
引言
當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外都是針對(duì)大型甚至超大型水庫(kù)設(shè)計(jì)大壩測(cè)壓管監(jiān)測(cè)儀器的，這些水庫(kù)周邊的環(huán)境相對(duì)比較穩(wěn)定，但是我國(guó)中小型水庫(kù)比較多，而且環(huán)境呈現(xiàn)多樣化形式，這些儀器在中小型水庫(kù)的應(yīng)用存在下列問題：一方面受環(huán)境因素的約束，監(jiān)測(cè)儀器無法充分發(fā)揮自己的優(yōu)勢(shì)；另一方面儀器的日常維護(hù)成本高，必然會(huì)給水庫(kù)運(yùn)行帶來一定的負(fù)擔(dān)。
工程概況
好漢泊水庫(kù)原為1996 年第三屆亞冬會(huì)供水的水源工程，位于黑龍江省尚志市，2006 年9 月，為了滿足2009 年第24 屆“大冬會(huì)”的用水需求，對(duì)水庫(kù)工程進(jìn)行增容擴(kuò)建及改建。
好漢泊水庫(kù)增容擴(kuò)建工程于2006 年9 月開工，2007 年11 月基本建成。由于當(dāng)時(shí)大冬會(huì)會(huì)期臨近，工期緊張，為趕進(jìn)度，水庫(kù)的施工質(zhì)量較差，水庫(kù)建成后即開始漏水。
2008 年6 月16 日當(dāng)庫(kù)水位蓄至383. 58 m時(shí)，發(fā)現(xiàn)壩后局部低洼處及消力池邊墻有滲水流出，隨著庫(kù)水位升高，壩下滲流量逐漸加大，2009 年當(dāng)庫(kù)水位達(dá)390. 50 m時(shí)，發(fā)現(xiàn)溢洪道泄槽左側(cè)山體高程約390. 0 m處出現(xiàn)集中滲漏點(diǎn)。
由于上述險(xiǎn)情的存在，從2008 年開始研究對(duì)水庫(kù)進(jìn)行滲漏處理，對(duì)滲漏處理方案研究論證兩年多，于2011 年6 月開始實(shí)施，目前已施工完畢。本次滲
漏處理的主要內(nèi)容有：右壩肩及右岸山體帷幕灌漿；壩后加強(qiáng)排水措施; 隧洞周圍巖體灌漿及襯砌堵漏；增設(shè)大壩滲流觀測(cè)設(shè)施。
好漢泊水庫(kù)滲漏處理后目前運(yùn)行基本正常，目前庫(kù)水位在386. 7 左右，壩下實(shí)測(cè)滲流量較小，但測(cè)壓管觀測(cè)的水位異常。
異常原因分析
我們認(rèn)為測(cè)壓管水位異常的原因主要是外水（雨水）進(jìn)入了測(cè)壓管，且測(cè)壓管進(jìn)水段透水很弱或?qū)嵭г斐傻摹８鳟惓y(cè)壓管分別分析如下：
5#測(cè)壓管位于壩頂路面下游側(cè)，該處有路緣石。孔頂和壩頂路面高程基本一致，如果路面排水不及時(shí)有積水，雨水可從測(cè)壓管管口直接進(jìn)入管內(nèi)，同時(shí)由于測(cè)壓管導(dǎo)管段孔壁也鉆了孔，且周圍沒有黏土封孔，反濾料一直填到孔頂，雨水也可以從此通道滲入管內(nèi)。這是5#測(cè)壓管水位與降雨關(guān)聯(lián)密切的根本原因。
5#測(cè)壓管水位始終高于庫(kù)水位，應(yīng)該是進(jìn)水管段反濾排水不暢所致，引起排水不暢的原因可能有以下5 個(gè)方面：
1) 測(cè)壓管管壁鉆孔少或孔口堵塞。
2) 回填的反濾料不合格，透水性差。
3) 鉆孔跟進(jìn)的套管沒拔出來。
4) 鉆孔時(shí)采用了泥漿固壁。
5) 局部壩殼料細(xì)密透水性弱。
3#測(cè)壓管位于壩坡下游馬道路面上，雨水進(jìn)入測(cè)壓管的方式和5#測(cè)壓管相同，而4#位于壩坡上，雨水不匯集進(jìn)入測(cè)壓管較少，所以3# 測(cè)壓管水位高于4#測(cè)壓管，另外繞過壩基的滲流對(duì)3# 測(cè)壓管水位較高也會(huì)有一定的影響。
7#測(cè)壓管位于大壩左壩腳下，是壩坡和山體坡水匯集的地方，雨水也會(huì)很容易進(jìn)入管內(nèi)，6# 測(cè)壓管雖然也位于壩頂，但該處屬山體削平部分，地面稍高，雨水不易匯集，進(jìn)入測(cè)壓管的雨水較少，所以7#測(cè)壓管水位比6#高。另外7#測(cè)壓管還受左岸山體滲流的影響。
三、大壩測(cè)壓管水位監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)
�。ㄒ唬┍O(jiān)測(cè)儀工作原理
監(jiān)測(cè)探頭系統(tǒng)是一根均勻地繞在滾筒上的高強(qiáng)度金屬導(dǎo)線上，其另一端與監(jiān)測(cè)電路連接。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)來帶動(dòng)探頭上升和下降。探頭平時(shí)處于測(cè)壓管管口部位，對(duì)水位進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)由單片機(jī)控制正轉(zhuǎn)，滾筒由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)正轉(zhuǎn)，探頭下降。單片機(jī)每發(fā)1 個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過1個(gè)步距角，探頭下降1 個(gè)脈沖當(dāng)量。如果探頭下降與水面接觸，監(jiān)測(cè)電路輸出的高電平就會(huì)變成低電平。單片機(jī)監(jiān)測(cè)到監(jiān)測(cè)電路的輸出變?yōu)榈碗娖�，這個(gè)時(shí)候控制步進(jìn)電機(jī)就不會(huì)再轉(zhuǎn)動(dòng)。依據(jù)所發(fā)的脈沖數(shù)量，單片機(jī)對(duì)探頭下降的高度進(jìn)行計(jì)算，從而對(duì)管口至水面的高度進(jìn)行測(cè)量。之后單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，重新上升探頭到管口。
�。ǘ┍O(jiān)測(cè)儀結(jié)構(gòu)
監(jiān)測(cè)儀運(yùn)用二級(jí)分布式結(jié)構(gòu)，也就是上位機(jī)和分機(jī)。上位機(jī)的構(gòu)成包括電腦、RS－232 轉(zhuǎn)RS－485 異步通信串行接口和通信主機(jī)；分機(jī)則是AT89S51 單片機(jī)、RS － 485 異步串行接口、監(jiān)測(cè)電路、滾筒、監(jiān)測(cè)探頭、步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。上位機(jī)發(fā)送通信指令給主機(jī)開始測(cè)量，通信主機(jī)如果接收到讓分機(jī)測(cè)量的命令，就會(huì)給分機(jī)發(fā)送測(cè)量命令，分機(jī)的水位探測(cè)裝置開始測(cè)量。完成測(cè)量之后，自動(dòng)將測(cè)量的水位數(shù)據(jù)向上位機(jī)返回，上位機(jī)把分機(jī)測(cè)量的水位數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。步進(jìn)電機(jī)選擇四相步進(jìn)電機(jī)，步距角為1.8，步進(jìn)電機(jī)與滾筒之間采用變速器連接，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)2 圈、滾筒轉(zhuǎn)1 圈，故每發(fā)1 個(gè)脈沖滾筒轉(zhuǎn)0.9°。滾筒轉(zhuǎn)1 圈單片機(jī)需要發(fā)400 個(gè)脈沖，這一系統(tǒng)滾筒周長(zhǎng)為200 mm，因此脈沖當(dāng)量為0.5 mm，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)靈敏度為0.5 mm。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)誤差主要是機(jī)械傳動(dòng)誤差所導(dǎo)致的，提高機(jī)械傳動(dòng)部件的加工精度就能夠使測(cè)壓管水位監(jiān)測(cè)的精度得到提高。
四、大壩測(cè)壓管水位監(jiān)測(cè)儀通信設(shè)計(jì)
�。ㄒ唬┥衔粰C(jī)和通信主機(jī)的通信
電腦使用8位1200 bit /s 無校驗(yàn)RS－232 方式與通信主機(jī)通信。如果上位機(jī)監(jiān)測(cè)測(cè)壓管水位則發(fā)送十六進(jìn)制數(shù)據(jù)40H+ 分機(jī)號(hào)( 01H－3EH) 給通信主機(jī)，通信主機(jī)經(jīng)過RS－232轉(zhuǎn)RS－485異步通信電路把該命令傳送給分機(jī)，分機(jī)開始測(cè)量。如果上位機(jī)要監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)則發(fā)送十六進(jìn)制數(shù)據(jù)80H + 分機(jī)號(hào)( 01H － 3EH) 給通信主機(jī)，通信主機(jī)經(jīng)過RS－232 轉(zhuǎn)RS－485 異步通信電路把該命令傳送給分機(jī)，監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)由分機(jī)發(fā)送給通信主機(jī)，通信主機(jī)再經(jīng)過RS－232 轉(zhuǎn)RS－485 異步通信電路傳送給上位機(jī)。
（二）通信主機(jī)和分機(jī)的通信
分機(jī)串行接口采用8 位1 200 bit /s 無校驗(yàn)方式與RS－485總線通信。RS－485為半雙工數(shù)據(jù)傳輸，采用1 對(duì)平衡差分信號(hào)線，由于其為平衡發(fā)送、差分接收而可以高速、遠(yuǎn)距離傳送。RS－485 串行接口構(gòu)成分布式系統(tǒng)較為方便。某一分機(jī)傳送數(shù)據(jù)給主機(jī)時(shí)，此分機(jī)的發(fā)送器使能端（EN）有效，能發(fā)送數(shù)據(jù)，其他分機(jī)的使能端無效，只可以接收信息。分機(jī)向通信主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)采用被動(dòng)方式，通信主機(jī)以命令方式要求某分機(jī)回送數(shù)據(jù)，該分機(jī)才響應(yīng)此命令，某分機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)其他分機(jī)自動(dòng)禁止接收信息，等到該分機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，各分機(jī)才恢復(fù)到接收通信主機(jī)命令的狀態(tài)。
五、大壩測(cè)壓管水位測(cè)試
運(yùn)用連通器的原理設(shè)計(jì)出大壩水庫(kù)測(cè)壓管水位測(cè)試模型。大壩測(cè)壓管水位測(cè)試中，在上位機(jī)上有測(cè)壓管測(cè)量、測(cè)量進(jìn)度、測(cè)量過程、測(cè)壓管設(shè)置、測(cè)量結(jié)果等模塊。首先在上位機(jī)測(cè)壓管設(shè)置模塊對(duì)分機(jī)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，主要包含對(duì)每個(gè)分機(jī)的誤差、備注、步距的設(shè)置。之后發(fā)送測(cè)量指令給分機(jī)，同時(shí)能夠在測(cè)量進(jìn)度模塊查看正在進(jìn)行測(cè)量的各分機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)，便于用戶隨時(shí)掌握目前每一個(gè)分機(jī)發(fā)送與接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)。如果5 s 內(nèi)分機(jī)沒能夠成功返回5 字節(jié)數(shù)據(jù)，就說明系統(tǒng)有故障發(fā)生。接著發(fā)送80H + 分機(jī)號(hào)( 01H－3EH) 給通信主機(jī)，通信主機(jī)經(jīng)過RS－232 轉(zhuǎn)RS－485 異步通信電路把該命令傳送給分機(jī)，分機(jī)給通信主機(jī)發(fā)送監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)，通信主機(jī)再經(jīng)過RS－232 轉(zhuǎn)RS－485 異步通信電路傳送給水庫(kù)管理中心。分機(jī)返回的數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)處理顯示每個(gè)分機(jī)正在進(jìn)行測(cè)量的脈沖數(shù)，然而測(cè)量過程模塊顯示的是測(cè)量過程的數(shù)據(jù)，測(cè)量結(jié)果模塊顯示的是測(cè)量的最終數(shù)據(jù)。測(cè)量過程模塊見圖1。
與此同時(shí)，此測(cè)壓管水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還能夠?qū)λ蟹謾C(jī)的信息進(jìn)行查詢。點(diǎn)擊數(shù)據(jù)查詢圖標(biāo)之后，數(shù)據(jù)查詢窗口就會(huì)彈出，之后將要查詢的分機(jī)號(hào)輸入文本框中，要是沒有進(jìn)行輸入而直接點(diǎn)擊查找，則會(huì)查詢出所有分機(jī)信息。
結(jié)語
壩體地下水位異常主要是因?yàn)閴误w填土的不均勻性、壩頭填土與基巖接觸帶具有強(qiáng)滲漏性、壩體導(dǎo)流洞滲水、壩背水坡進(jìn)行過灌漿處理等。而大壩測(cè)壓管水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用單片機(jī)作為管口分機(jī)的主控元器件，提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度、可靠性，而且使其智能化的功能大大增加了，運(yùn)用軟件代替硬件的方法，能夠簡(jiǎn)化線路，降低成本。而水位－數(shù)字脈沖轉(zhuǎn)換器的采用�？梢园褱y(cè)壓管水位轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖信號(hào)，使系統(tǒng)的抗干擾能力大大增強(qiáng)，并使其監(jiān)測(cè)精度有所提高。所以說，基于儀器的監(jiān)測(cè)軟件能夠是水庫(kù)的現(xiàn)代化管理水平提高，為操作人員減輕一定的勞動(dòng)強(qiáng)度。
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