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安巖物聯(lián)尾礦庫在線監(jiān)測系統(tǒng)方案
1、設計背景
目前，我國尾礦庫數(shù)量多、分布廣，許多尾礦庫已運行了多年，庫容量在逐漸減小，抵制自然災害的能力不斷下降，安全隱患日益增多。尾礦庫的安全關系到其影響區(qū)域內(nèi)人民生命財產(chǎn)及環(huán)境的安全，故而搞好尾礦庫的安全監(jiān)測意義重大。然而，許多尾礦庫管理由于檢測監(jiān)控系統(tǒng)不完備、檢測監(jiān)控技術落后，專業(yè)檢測人員缺乏等原因，有些處在無檢測監(jiān)控狀態(tài)，有些雖有人工定期用傳統(tǒng)儀器到現(xiàn)場進行測量，但受天氣、人工、現(xiàn)場條件等諸多因素的影響，存在一定的系統(tǒng)誤差和人工誤差，這些都影響著尾礦庫的安全生產(chǎn)和安全管理水平。因此，采用現(xiàn)代通信、電子設備及計算機技術實現(xiàn)對尾礦庫監(jiān)測指標數(shù)據(jù)實時、自動監(jiān)測，是對尾礦庫的安全監(jiān)管一條必由之路。
事實上，于2011年5月1日起正式實施的《尾礦庫安全監(jiān)測技術規(guī)范》（以下簡稱為《規(guī)范》）中已明確規(guī)定，尾礦庫的安全監(jiān)測，必須根據(jù)尾礦庫設計等別、筑壩方式、地形和地質(zhì)條件、地理環(huán)境等因素，設置必要的監(jiān)測項目及其相應設施，定期進行監(jiān)測。一等、二等、三等尾礦庫必須安裝在線監(jiān)測系統(tǒng)。
正是基于以上背景，我公司按照《規(guī)范》標準，根據(jù)尾礦庫安全監(jiān)測要素特點，結合本公司現(xiàn)有安全監(jiān)測產(chǎn)品設備，設計制定了本方案。
2、系統(tǒng)構架
《規(guī)范》中規(guī)定，一等、二等、三等、四等尾礦庫應監(jiān)測位移、浸潤線、干灘、庫水位、降水量，必要時還應監(jiān)測孔隙水壓力、滲透水量、混濁度。其中絕大部分監(jiān)測項目可以以我公司針對土石壩和橋梁的自動監(jiān)測系統(tǒng)為原型，根據(jù)尾礦庫特點及監(jiān)測規(guī)范稍加修改、優(yōu)化，形成專門針對尾礦壩的自動監(jiān)測系統(tǒng)。再結合其他項目已有的監(jiān)測方案，如視頻監(jiān)測系統(tǒng)、GPS三維位移監(jiān)測系統(tǒng)，一起構成本監(jiān)測方案。
我公司原有針對土石壩和橋梁的自動監(jiān)測系統(tǒng)已運用于全國各地多個項目，相對比較成熟，主要基于MCU-32型分布式模塊化自動測量單元（以下簡稱為“MCU”），將大多數(shù)監(jiān)測儀器匯總至MCU，由MCU負責統(tǒng)一測量數(shù)據(jù)、轉發(fā)至計算機等。其他不利于集成的設備（如距離原因），直接傳輸至計算機。各種監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)自動監(jiān)測系統(tǒng)軟件計算、分析、處理、顯示、存貯、導出。
現(xiàn)針對尾礦庫修改后的整體結構如下圖所示，圖中通訊方式已GPRS/CDMA無線傳輸為例，采集中心假定設置與企業(yè)廠區(qū)，具體情況依實際需求而定。
圖1：基于MCU的尾礦庫監(jiān)測系統(tǒng)結構圖
3、系統(tǒng)監(jiān)測方法及原理
圖2：尾礦庫安全監(jiān)測儀器設備布設示意圖
3.1 位移監(jiān)測
位移監(jiān)測包括壩體和岸坡的表面位移、內(nèi)部位移。
3.1.1 表面位移
表面位移包括水平位移和垂直位移。
傳統(tǒng)的測量方法將水平、垂直位移分開施測，但儀器設備繁多、安裝復雜、測量結果無法同時等缺點使得壩體位移無法自動化、實時化的連續(xù)觀測。最好采用三維位移監(jiān)測法，即一個監(jiān)測點同時測量水平位移和垂直位移數(shù)據(jù)。
目前三維位移監(jiān)測主要有兩種實現(xiàn)方法，分別是GPS法和自動型全站儀極坐標差分法。
兩種方法原理不同，但儀器安裝位置大體相同，先是在壩體兩側山體巖石或堅實土基上安裝一兩個基準點，再在壩體上安裝若干測點，通過比對基準點坐標得出測點相對于基準點的三維位移。
監(jiān)測斷面應選擇最大壩高斷面、有排水管通過的斷面、地基工程地質(zhì)變化較大的地段及運行有異常反應處。初期壩頂和后期壩頂各布設一排，每30～60m高差布設一排，一般不少于3排。圖2中選擇了兩個斷面，分別在初期壩頂和后期壩頂布置了一個測點，中間處布置了一個測點；應根據(jù)壩長增減監(jiān)測斷面，一般壩長小于300m時，宜取20～100m；壩長大于300m時，宜取50～200m；壩長大于1000m時，宜取100～300m。
GPS法每個測點通過無線傳輸與計算機通信，計算機軟件分析對比各點坐標算出測點位移；而自動型全站儀極坐標差分法在布置測點后，還需建立全站儀觀測站，使得觀測站與各測點間可視，全站儀通過無線傳輸與計算機通信，計算機軟件控制測繪計算得出測點位移。
測點安裝方法見我公司相關說明。
3.1.2 內(nèi)部位移
內(nèi)部位移包括內(nèi)部水平位移、內(nèi)部豎向位移。
壩體內(nèi)部水平位移采用在壩面上豎直向下鉆測斜孔，在孔內(nèi)分段布置固定測斜儀，固定測斜儀通過儀器電纜與MCU電壓電流模塊相連，自動監(jiān)測系統(tǒng)軟件測得孔內(nèi)各點位移得出壩體整體水平位移。
視尾礦庫的等別、壩的結構型式和施工方法以及地質(zhì)地形等情況，設1～3個斷面。每個監(jiān)測斷面上可布設1～3條監(jiān)測垂線，其中一條宜布設在壩軸線附近。監(jiān)測垂線的布置應盡量形成縱向監(jiān)測斷面。圖2中僅在壩體中間設了一個斷面，該斷面僅布設了1條監(jiān)測垂線。該斷面儀器布設示意圖如圖3所示，圖中可以看到，該監(jiān)測垂線測斜管內(nèi)均勻放置了3個固定測斜儀，測斜儀的間距，應根據(jù)壩高、結構形式、壩料特性及施工方法與質(zhì)量等而定，一般2～10m。每條監(jiān)測垂線上宜布置3～15個。
圖3：尾礦庫某斷面監(jiān)測儀器布設示意圖
3.1.3 岸坡位移
對于危及尾礦壩、排水構筑物及附屬設施安全和運行的新老滑坡體或潛在滑坡體應進行監(jiān)測。
應能掌握滑坡體范圍及位移分布規(guī)律。通常順滑坡方向布設1～3個監(jiān)測斷面，包括主滑斷面及其它特征斷面。
監(jiān)測設備和方法同壩體表面和內(nèi)部位移。
3.2 滲流監(jiān)測
尾礦壩滲流監(jiān)測，包括滲流壓力、繞壩滲流和滲流量等監(jiān)測。
3.2.1 壩體滲流壓力
壩體滲流壓力監(jiān)測，包括監(jiān)測斷面上的壓力分布和浸潤線位置的確定。
在壩體內(nèi)布置斷面，每個斷面布置若干監(jiān)測點，監(jiān)測點處豎直向下鉆滲壓孔、安裝測壓管及振弦式滲圧計，滲圧計通過儀器電纜連接MCU振弦測量模塊，自動監(jiān)測系統(tǒng)軟件通過MCU測得斷面內(nèi)各滲圧計的滲流水壓力，將各點壓力值換算為水位值，連成曲線得出浸潤線。
監(jiān)測橫斷面宜選在有代表性且能控制主要滲流情況的壩體橫斷面以及預計有可能出現(xiàn)異常滲流的橫斷面，一般不少于3個，并盡量與位移監(jiān)測斷面相結合。
監(jiān)測橫斷面上的測點布置，應根據(jù)壩型結構、斷面大小和滲流場特征確定。宜在堆積壩壩頂、初期壩上游坡底、下游排水體前緣各布置l條鉛直線，其間部位每20～40m布設1條鉛直線，埋深應參考實際浸潤線深度確定。
圖2中設了3個斷面，每個斷面設了3個測點。
測壓孔、滲圧計安裝方法見我公司相關資料。
3.2.2 繞壩滲流
繞壩滲流監(jiān)測，包括兩岸壩端及部分山體、壩體與岸坡或混凝土建筑物接觸面、兩岸接合部等關鍵部位的滲流監(jiān)測。
尾礦壩兩端的繞滲監(jiān)測，宜沿流線方向或滲流較集中的透水層（帶）設2～3個監(jiān)測斷面，每個斷面上設3～4條監(jiān)測鉛直線（含滲流出口）。如需分層監(jiān)測，應做好層間止水。
尾礦壩與剛性建筑物接合部的繞滲監(jiān)測，應在接觸輪廓線的控制處設置監(jiān)測鉛直線，沿接觸面不同高程布設監(jiān)測點。
在岸坡防滲齒槽和灌漿帷幕的上下游側各設1個監(jiān)測點。
監(jiān)測儀器和方法同壩體滲流。
3.2.3 滲流量
在壩基滲流出水口布設量水堰堰槽，堰槽上安裝磁伸縮量水堰計，分辨率為0.5mm。量水堰計可接入MCU電壓電流測量模塊，也可設為單獨的量水堰站，直接與計算機通信。MCU或計算機測得堰上水頭，再根據(jù)公式算出滲流量。
對壩體、壩基、繞滲及導滲(含減壓井和減壓溝)的滲流量，應分區(qū)、分段進行測量；所有集水和量水設施均應避免客水干擾；對排滲異常的部位應專門監(jiān)測。
量水堰的安裝方法見《規(guī)范》和我公司相關資料。
3.3 干灘監(jiān)測
包括灘頂高程、干灘長度、干灘坡度。
3.3.1灘頂高程測定
7.2.1 尾礦庫灘頂高程的測點布設，應沿壩(灘)頂方向布置測點，當灘頂一端高一端低時，應在低標高段選較低處檢測1～3個點；當灘頂高低相同時，應選較低處不少于3個點；其它情況，每100m壩長選較低處檢測1～2個點，但總數(shù)不少于3個點。
7.2.2 灘頂高程測量誤差應小于20mm。各測點中最低點的標高作為尾礦庫灘頂標高。
7.2.3 灘頂高程根據(jù)灘頂上升情況，定時做好檢測，隨時掌握灘頂高程，汛前必須檢測一次。
3.3.2干灘長度測定
7.3.1 視壩長及水邊線彎曲情況，選干灘長度較短處布置1～3個斷面。測量斷面應垂直于壩軸線布置，在幾個測量結果中，選最小者作為該尾礦庫的沉積灘干灘長度。
7.3.2 應在干灘設立干灘長度標尺，干灘較長時以50m為間隔，較小者以10m為間隔。
7.3.3 在干灘長度發(fā)生較大變化時，及時檢測，隨時掌握干灘長度，汛前必須檢測一次。
3.3.1干灘坡度測定
7.4.1 檢查尾礦庫沉積灘干灘的平均坡度時，應視沉積干灘的平整情況，每100m壩長布置不少于2個斷面。測量斷面應垂直于壩軸線布置，測點應盡量在各變坡點處進行布置，且測點間距不大于10～20m（干灘長者取大值），測點高程測量誤差應小于5mm。
7.4.2 尾礦庫沉積干灘平均坡度，應按各測量斷面的尾礦沉積干灘平均坡度加權平均計算。
7.4.3 干灘坡度與設計不符時應采取相應的處理措施。
7.4.4 干灘坡度根
據(jù)坡度變化情況，一季度檢測一次，隨時掌握干灘坡度，汛前必須檢測一次。
3.3 水文、氣象監(jiān)測
包括庫水位、降水量監(jiān)測和排水構筑物檢查。
3.4.1 庫水位監(jiān)測
庫水位測量儀器可以采用振弦式滲圧計，通過壓力換算得出水頭，滲圧計通過儀器電纜連接至MCU，由MCU定時采集；或者采用浮子式水位計，精度為10mm，直接與計算機通信采集，可在水位變化時自動發(fā)送報文，或由計算機控制定時采集。
測量儀器可安裝于排水井、排水斜槽上。
3.4.2 庫區(qū)降水量監(jiān)測
監(jiān)測設備用翻斗式雨量器，分辨率為0.5mm，安裝于壩上或山坡開闊地，當安裝地點距MCU較近時，可以直接接入MCU主控模塊，當距離較遠不利于拉線時，亦可采用單獨的遙測雨量站，直接與計算機通信。當有降雨量發(fā)生時，MCU或遙測雨量站自動給計算機發(fā)送報文。
3.4.2 其他
一些非必要監(jiān)測項目如氣溫、氣壓、相對濕度、滲透水質(zhì)情況等都可以接入MCU或直接并入自動監(jiān)測系統(tǒng)軟件。
3.4 在線視頻監(jiān)控系統(tǒng)
庫區(qū)構筑物有無變形、位移、損毀、淤堵，排水能力是否滿足要求等都需要定時現(xiàn)場巡視、檢查。庫區(qū)距離較遠、壩高較高等因素都使得正常的巡視工作耗費大量人力，一套先進的在線視頻監(jiān)控系統(tǒng)使得普通巡視、檢查變得更簡單，也使得觀測員、各級領導能夠?qū)崟r直觀的觀察到庫區(qū)各部分實際狀態(tài)。
攝像裝置采用球型或槍型攝像頭，分別于大壩上游、壩體、下游邊坡上安裝，可配夜用照明燈。通訊方式可選擇有線光纖、互聯(lián)寬帶、3G網(wǎng)或無線網(wǎng)橋，中心計算機安裝監(jiān)控軟件，可手動控制云臺方向。
3.5 自動監(jiān)測系統(tǒng)軟件
3.5.1 數(shù)據(jù)采集
采集方式多樣化，包括可指定采集時間、采集間隔、采集次數(shù)的定時采集，可被動接收設備自動上報的數(shù)據(jù)，可選點測量或多點巡測等。
數(shù)據(jù)顯示直觀化，對各種傳感器采集到的數(shù)據(jù)按各自原理公式算出物理量，按測點、時間排序顯示采集到的數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)及時繪制成便于觀察的數(shù)據(jù)圖線。
越限數(shù)據(jù)報警，當采集到的數(shù)據(jù)計算出的物理量超過設置的報警值時會采用多種報警方法提示觀測員，包括文字閃爍、播放報警音和手機短信通知等。
3.5.2 數(shù)據(jù)管理
對存儲在數(shù)據(jù)庫中的歷史采集數(shù)據(jù)進行篩選查詢、刪除、清空、導出Excel工作簿、打印等。
3.5.3 監(jiān)測報表
將采集到的歷史數(shù)據(jù)按傳感器類型、監(jiān)測內(nèi)容劃分，繪制出圖片加數(shù)據(jù)的報表。
包括庫水位過程線、浸潤線、測斜孔位移曲線、滲流量過程線、壩體表面位移過程線、雨量日報表、雨量月報表、雨量年報表等。
3.5.4 傳感器設置
設置所接傳感器位置信息、計算參數(shù)等系統(tǒng)必要信息，以便計算分析物理量。
3.5.5 系統(tǒng)設置
系統(tǒng)運行參數(shù)設置。
——計算機系統(tǒng)，與數(shù)據(jù)采集裝置連接在一起的監(jiān)控主機和監(jiān)測中心的管理計算機配置應滿足在線監(jiān)測系統(tǒng)的要求，并應配置必要的外部設備。
——數(shù)據(jù)通信，數(shù)據(jù)采集裝置和監(jiān)控主機之間可采用有線和（或）無線網(wǎng)絡通訊，尾礦庫安全監(jiān)測站或網(wǎng)絡工作組應根據(jù)要求提供網(wǎng)絡通信接口。
9.2.3 在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件應包括在線采集和安全監(jiān)測管理分析兩個模塊。安全監(jiān)測管理分析模塊應具備基礎資料管理、各項監(jiān)測內(nèi)容適時顯示發(fā)布、圖形報表制作、數(shù)據(jù)分析、綜合預警等功能。其中數(shù)據(jù)分析部分應包括各項監(jiān)測內(nèi)容趨勢分析、綜合過程線分析等內(nèi)容。
3.2
監(jiān)測資料的整編與分析
3.2.4 一般規(guī)定
11.1.1 每次儀器監(jiān)測或安全檢查后應對監(jiān)測記錄進行整理，及時做出初步分析。每年應至少進行一次監(jiān)測資料整編。在整理和整編的基礎上，應定期進行資料分析。
11.1.2 下列情況應專門進行資料分析，并提出資料分析報告：
——尾礦庫竣工驗收時；
——尾礦庫定期安全檢查評價時；
——尾礦庫閉庫時；
——出現(xiàn)異?；螂U情狀態(tài)時。
11.1.3 資料整理和分析中，如發(fā)現(xiàn)異常情況，應及時做出判斷，有問題及時處理上報。
11.1.4 整編成果應做到項目齊全、考證清楚、數(shù)據(jù)可靠、圖表完整、規(guī)格統(tǒng)一、說明完備。
11.1.5 應建立監(jiān)測資料數(shù)據(jù)庫或信息管理系統(tǒng)。
11.1.6 工程施工階段和試運行階段，宜根據(jù)理論計算或模型試驗成果，并參考類似工程經(jīng)驗，對一些重要監(jiān)測項目提出預計的測值變化范圍，提出設計監(jiān)控指標。在尾礦庫投入運行后，宜定期根據(jù)實測資料建立數(shù)學模型，提出或調(diào)整運行監(jiān)控指標。
3.2.5 資料整理和整編
11.2.1 人工監(jiān)測、在線監(jiān)測和安全檢查均應做好所采集數(shù)據(jù)或所檢查情況的原始記錄。記錄應有固定的格式，數(shù)據(jù)和情況的記載應準確、清晰、齊全，應記入監(jiān)測日期、責任人姓名及監(jiān)測條件的必要說明。
11.2.2 應做好原始監(jiān)測數(shù)據(jù)中監(jiān)測物理量的計算、填表和繪圖，初步分析和異常值之判識等日常資料整理工作。
11.2.3 監(jiān)測資料除在計算機磁、光載體內(nèi)存儲外，應定期打印主要圖表供查用。
11.2.4 每年汛前必須將上一年度的監(jiān)測資料整編完畢。資料整編應包括整理后的資料的審定及編印等工作。
11.2.5 凡歷年共同性的資料，若已在前期整編資料中刊印，且其后不再重印時，應在整編前言中說明已收入何年整編資料。
3.2.6 資料的分析
11.3.1 資料分析的項目、內(nèi)容和方法應根據(jù)實際情況而定，對于壩體位移監(jiān)測、浸潤線監(jiān)測及安全檢查的資料必須進行分析。
11.3.2 資料分析通常采用比較法、作圖法、特征值統(tǒng)計法及數(shù)學模型法。使用數(shù)學模型法作定量分析時，應同時用其它方法進行定性分析，加以驗證。
11.3.3 資料分析應分析了解各監(jiān)測物理量的大小、變化規(guī)律、趨勢及效應量與原因量之間（或幾個效應量之間）的關系和相關的程度。有條件時，還應建立效應量與原因量之間的數(shù)學模型，借以解釋監(jiān)測量的變化規(guī)律，在此基礎上判斷各監(jiān)測物理量的變化和趨勢是否正常、是否符合技術要求；并應對各項監(jiān)測成果進行綜合分析，發(fā)現(xiàn)尾礦庫的異常情況和不安全因素；評估尾礦庫的安全狀態(tài)，預報將來的變化趨勢。
11.3.4 資料分析后，提出資料分析報告，資料分析報告的主要內(nèi)容：
——監(jiān)測設備情況的述評，包括設備、設施的管理、保養(yǎng)、完好率、變更情況等。
——安全檢查開展情況，主要成果、結論。
——監(jiān)測資料整編、分析情況，主要成果、結論。
——對改進安全管理工作和運行調(diào)度工作的建議。
11.3.5 通過監(jiān)測數(shù)據(jù)整編、分析，為尾礦庫設計及安全評價提供可靠依據(jù)。
11.3.6 監(jiān)測報告和整編資料，應按檔案管理規(guī)定，及時存檔。
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