周公宅、皎口水库引水监测技术方案x

宁波市周公宅、皎口水库引水及城市供水环网工程

自动化监测系统技术方案

南京南瑞集团公司

2006年3月

1 工程概况

1.1 工程概况

宁波市周公宅、 皎口水库引水及城市供水环网工程是周公宅水库和皎口水库联合调 度向宁波市供水的重要工程项目。

本工程采用隧洞引水方案，引水系统由取水口、隧洞、埋地钢管和调压井组成，其

中隧洞全长9537m,开挖洞径为3.6m,喷砼厚0.15m,素砼衬砌厚0.3m,砼衬砌厚0.4m。

　引水隧洞进口位于皎口水库左岸，大坝上游约1km处，隧洞出口位于鄞江镇梅园大桥的 毛家坪水库旁。

1.2 水文气象和工程地质条件

宁波市地处亚热带季风气候区,冬夏季风交替显著,年温适中,四季分明,雨量充 沛,日照充足。流域内降水主要为春雨、梅雨和台风暴雨及局部雷阵雨,其中台风暴雨 是形成流域大洪水的只要因素，降水主要集中在 4?9月，占全年总降雨量的70%。多 年平均气温16.3T，极端最高气温38.6T，极端最低气温-8.5C。皎口水库位于宁波市 鄞州区章水镇密岩村附近，总库容 1.198亿m3,坝址集水面积259km2。

鄞州为浙东盆地低山区，海拔一般在 100?450m,位于四明山区，本区以低山丘陵 为主，厂房后为平原区，地面较平坦，海拔一般小于 10m，平原区河网密布。

进口山坡坡度30?40度，地表基岩裸露，局部第四系全新统坡积（diQ4）含碎石 粉质粘土厚1?3m。分布高程一般在库水位以上山坡，高程约 65?90m。洞线跨越得主 要沟谷有江岙、汪夹岙、大岙冲沟，沟底高程一般50?60m。隧洞上覆岩体厚度一般50? 350m。

平距0?3400m为侏罗系上统高坞组（J3g）青灰色英安质晶屑玻屑熔结凝灰岩为主， 岩石块状，坚硬，局部含集块砾及岩屑，偶夹沉凝灰岩、粉砂岩、硅质岩薄层。平距 3400m?6000m为白垩系下统馆头组（K1g）紫灰色砾岩，长石砂岩，含砾玻屑凝灰岩、 含砾粉砂质泥岩互层。平距6000?9600为白垩系下统朝川组（K1c）霏细岩、泥质砂岩、 砾岩、泥岩，玻屑凝灰岩、沉凝灰岩等。

1.3对外交通条件

本工程位于宁波市鄞州区，对外交通十分便利。公路有杭甬、甬台温高速公路、329 国道均通过宁波市鄞州区；铁路：宁波火车站可卸货 100吨以下单件货物，水运有北仑

港、镇海港和宁波港，为我国四大国际中转港之一，年吞吐量能力超过 5000万吨，能

满足工程的转运要求。该工程具有公路、铁路和水运的联运条件。

整个输水系统沿鄞江镇?周公宅(皎口)水库县道右侧布置，各段隧洞进出口、每 个支洞口附近都有简易公路通过，对外交通便利。

2设计依据

本技术方案及施工组织设计的主要依据为：

DL5178-2003《混凝土坝安全监测技术规范》。

SL60 — 94《土石坝安全监测技术规范》。

SL169 —96《土石坝安全监测资料整理规程》。

⑷DL USBR《混凝土大坝观测仪器手册》。

GB138-93 《水位观测标准》。

DL5006 — 92《水利水电工程岩石试验规程》。

本项目的施工设计图纸及技术资料。

监测仪器生产厂商提供的技术规范和说明书。

5013-92《水利水电工程钻探规程》

其它相关的有关规程规范及国际标准。

3安全监测设计

3.1监测断面的选择

根据本工程的运行性质、地质条件和工程结构特点，结合影响工程安全的因素，本 方案选择进、出水口，应力集中处等重要部位进行监测布置，观测断面选择如下：

测站位置

监测断面位置

监测断面桩号(m)

皎口大坝左岸

竖井下游

0+020.0

江岙隧洞出口

江岙隧洞出口

0+730.0 附近

大岙隧洞出口

大岙隧洞出口

4+530.000

大岙隧洞进口

4+840.000

调压井

调压井上游

9+335.000 附近

3.2监测仪器的布置

本工程拟进行以下项目监测：

（1） 应力监测

为监测各断面相应部位钢筋应力变化情况，在每一个隧洞监测断面的上部和一侧分 别布设钢筋计，同时，配套埋设无应力计 1支，用以监测混凝土自身因素引起的应变。

（2） 渗透压力监测

在上述监测断面的内侧和外侧分别设置渗压计 1支，用以监测衬砌内外的水压力。

（3） 温度监测

利用已有仪器的测温功能进行温度监测。

仪器布置数量如下表

序

号

传感器类型

单位

数量

分布位置

备注

2

无应力计

支

5

监测断面侧下部

同时测温

3

钢筋计

支

20

监测断面内外层受力筋上

同时测温

4

渗压计

支

10

混凝土衬砌内外

同时测温

4监测仪器的选型设计

4.1选型原则

根据本工程的自动化监测、设计规范等要求，仪器设备选型原则如下：

（1） 所选仪器设备是成熟可靠产品。

（2） 监测仪器设备的性能要求应是低故障率、高可靠性，建成后的系统应当是实用

的、能够长期稳定运行的系统。

（3） 工程竣工后其技术要求满足本文中第 2章“施工设计依据”中规范、标准的要 求。

（4）监测仪器设备必须在满足精度要求的前提下，考虑其技术先进性、可靠性和长 期稳定性，必须是在国内大型水利水电工程中至少成功应用 3?5年的全新合格产品

国产仪器生产厂家必须具有国家技术质量监督局颁发的产品生产许可证，并已通过 IS09000系列质量体系认证的产品。

4.2仪器设备的建议选型及技术参数

根据上述选型原则，现对各种仪器的建议选型分述如下:

4.2.1 无应力计

差动点阻式仪器在国内已有数十年的应用历史，性能稳定，用户反应良好。无应

力计建议选用差阻式仪器，可兼测温度。技术指标如下：

测量范围

拉伸：600卩￡ 压缩：1000卩￡

仪器标距

250mm

最小读数

V 4 [1 ￡ /0.01%

分辨力

0.1%F?S

温度测量范围

-25 ?+60C

温度测量精度

± 0.5 C

绝缘电阻

> 50MQ

抗水压

0.5MPa （普通型），3MPa（高压型）

422钢筋计

建议选用差阻式钢筋计，可兼测温度。技术指标如下：

量程：拉 200、300 （T1）、400 （T2） MPa、压 100 MPa 灵敏度w 1MPa/0.01%

抗外水压为0.5MPa

温度范围：-25 C?+60 C

温度测量精度：土 0.5C,

4.2.3 渗压计

建议选用差阻式渗压计，可兼测温度。技术指标如下：

型 号

SZ-2

SZ-4

SZ-4A

SZ-8

SZ-16

测量范围 kPa

200

400

P 400

800

1600

灵敏度 kPa/0.01%

< 1.5

< 3

< 1

< 6

< 12

温度测量范围 c

0 ?+60

温度测量精度 c

± 0.5

绝缘电阻 M Q

> 50

最大外径mm

①58

①84

①31

仪器长度mm

140

150

140

5自动化监测系统方案设计

本自动化监测系统由各类传感器、数据采集装置、监控管理软件及 GSMS讯网络系

统组成。

5.1自动化系统的设计原则

1） 满足相关规程规范的要求。

2） 采用的监测仪器设备，其生产厂家必须持有有效的由国家技术监督局颁发的大

坝、岩土工程仪器生产许可证，或者已通过 GB/T19001-IS09001质量体系认证，所生 产的仪器设备有在不少于3个类似工程中使用的实例。

3） 自动化控制系统设备制造厂应持有计算机信息系统集成一级资质证书，安全监

测信息管理软件开发商应持有软件企业认定证书。

4） 可靠性：系统应能长期稳定可靠运行；数据采集要求准确可靠；应用软件应运 行稳定，确保不发生致命错误。

5） 接口适应性（实用性）：数据采集单元应能适应多种仪器的接口。

6） 先进性：由于自动化技术发展很快，安全监测自动化系统必须充分考虑技术的 先进性和将来系统更新换代的兼容性。

7） 开放性（可扩展性）：能方便地进行升级、扩展、修改、增加和替换。预留有与 其他MIS系统的接口。

8） 易维护：系统必须具有较强的自诊断能力，自动查出系统故障并发出信息，以 便及时修复；系统维护操作应简易。

对恶劣环境的适应性：能适应潮湿、露天等恶劣环境。

防雷及抗电磁干扰：应具备防止感应雷电能力和抗电磁干扰能力，在发生雷 击和干扰后，数据应不丢失、不失真，数据采集单元正常运行。

冗余设计：必须有各种类型的软、硬件作冗余，以备应急维修或更换之用。

服务与技术支持：在 20 年内有备品备件及技术支持。

5.2 数据采集装置( DAU) 数据采集单元应具有自动集测、信号处理、控制和通讯功能。

　主要功能和技术指标：

能够联接、集测上述各类传感器。

容易检测维修，一般非专业人员通过现场短期培训即可进行维修。

具有掉电自保护功能，具有对处理器、存储器、电源、测量电路、时钟、接 口、传感器线路进行自诊断功能。

采用智能化模块结构。

能够采用220V交流供电，而且对交流电源质量要求不高，能在 220± 45V电 压范围正常运行。

可以采用电池、太阳能板等供电。

配备的电源容量必须保证MCU/DA正常工作。

具有很强实时观测功能。

支持多任务运行。

具有简单数据处理、存储、输出等功能。

应配备数据采集软件，要求 MCU/DA单机能正常观测。

设有必要的通讯接口。

MCU/DAU电源系统、通讯系统、传感器线路均设有效的防雷设施。

工作温度-10 C?50C。

(15)每台MCU/DA备有20°/模块安装空间余量

观测时间：每通道不超过 3 秒。

数据存储容量：不低于 40 测次

(18) 观测分辨率：

差动点阻式数据采集模块

分辨率：RT: 0.01 Q, Z: 0.0001。

(19) 精度

差动电阻式数据采集模块

(20) 纳入仪器数量

差动电阻式数据采集模块

测量精度：〔△ RT|< 0.02 Q | △ Z |< 0.0002

每个模块可纳入 8 个或 16 支传感器

5.3 数据采集与分析软件( DSIMS)

软件要求在 Windows98/2000/NT 下运行, 具有以下六方面的内容： 即在线监控、 离 线分析、安全管理、数据库管理、网络系统管理、远程监测及远程辅助服务系统。在线 监控子系统应包括人工和自动采集以及快速安全评估、报警等内容；离线分析子系统要 求能对各类监测数据进行误差处理、整编计算、应用各种模型方法进行定量解析,以便 揭示所测结构的实际运行性态；安全管理子系统要求包括工程档案管理、输水系统安全 册管理、人工巡查数据管理、报表制作、图形制作、预测预报等内容；数据库管理子系 统应包括在线监控数据库、 原始测值数据库、 应用数据库和文件库的生成、 增补和维护, 以及异种数据库文件的共享和转换等：网络系统管理主要有系统安装、系统初始化、监 测系统配置、系统安全管理、帮助系统、演示系统、监测子网管理,系统与局域网、广 域网联网管理等； 远程监测及远程辅助服务系统主要提供远离现场的有关上级安全管理 部门可以对现场的监测系统进行直接的测量和监视, 可对现场出现的问题进行远距离诊 断并提供修理维护的帮助,可为用户及时提供所需的报表、图形和更新软件等。

5.3 监控管理中心

与白溪自动化系统共享

5.4网络通讯

监测数据的通讯可分为以下两层：监测仪器至监测分站、监测分站至监测总站。

（1） 监测仪器至监测分站

即第一层，通讯介质根据埋设仪器型式，各断面的传感器电缆集中后穿入专门的保 护管，连接到监测分站的数据采集单元中。

（2） 监测分站至监测总站

即第二层，监控管理中心计算机安装功能强大的基于 Windows 98/NT/2000的新型

DSIMS工程安全管理信息系统软件，通过 GSM Modem与前方数据采集单元进行通讯。

5.5系统配置

依据本技术方案，共采用4个DAU2000数据采集单元，4个智能数据采集模块。

　数据采集单元对所接入的仪器按照监控主机的命令或预先设定的时间自动进行控制、 测

量，并就地转换为数字量暂存于 DAU中，并根据监控主机的命令向主机传送所测数据。

具体如下表:

测站编号

测站位置

测点数 统计

数据米集单兀箱

模块数量

测站1

皎口大坝左岸

7

DAU01

1

测站2

江岙隧洞进口

7

DAU02

1

测站3

大岙隧洞出口

14

DAU03

1

测站4

调压井

7

DAU04

1

合计

35

4

4

6仪器的安装埋设

6.1无应变计

无厳加 麼讹示直懈无应力计安装时应先将应变计用细 铅丝悬置于无应力计筒中心，无应力计筒 大口朝上，待仓内同混凝土浇到仪器高程 时，用人工将混凝土（去掉大于 8cm的 骨料）细心填入无应力计筒内，并用插钎 轻轻捣实，在其上部覆盖混凝土时不得在 振动半径范围内强力振捣，回填层厚不小

无厳加 麼讹示直懈

于30cm。埋设示意图如右图（本工程采用小号无应力计筒）

6.2钢筋计

钢筋计是安装在混凝土受力钢筋上监测钢筋应力的仪器，埋设在混凝土中。钢筋计

的安装方法为钢筋计的一端应与钢筋对焊或进行帮条焊接， 如果施工现场进行对焊有困

难时可以采用帮条焊接方法，但帮条焊接部分应涂上沥青，以便与混凝土脱开。其安装 示意图如下图。

受力钢筋

帮接钢筋

焊缝

钢筋计

川11川1川7”1111111 里 1111 松 llillillilllllll,

IIIIIIII川血11川川需11川1川山1丨1111山1|

钢筋计安装示意图

安装时钢筋计应与钢筋保持在同一轴线上。焊接处 的强度不低于被测钢筋的强度。焊接时及焊接后，应在仪 器部位浇水冷却，使仪器温度不超过 60 C。但不得在焊 缝处浇水以免影响焊接质量。钢筋计直径应与连接的钢筋 直径相同，当没有此型号的钢筋计时，允许采用小于一个 级别的钢筋计。

安装前后用小仪表对仪器进行测量，并记录测量值，

仪器在具体埋设期间必须边焊接边用小仪表进行测量， 以

防止在焊接过程中损坏，以便及时补埋，从而确保仪器的 埋设成功率。

6.3渗压计

预缩水泥砂浆

孔隙压力计

渗压计用于进行典型段面内水、 外水压力监测。渗压 计安装前需将仪器在水中浸泡 2h以上，使其达到饱和状 态，在测头上装有干净的饱和细砂的沙袋， 使仪器进水口 通畅，并防止水泥浆进入渗压计内部。应按厂家提供的方 法建立仪器的初始读数，检查和标定仪器的参数，并作好

细石英砂

记录。

"隧同围岩

混凝土衬砌

槽

在隧洞混凝土衬砌与围岩接触面埋设渗压计（外水压）方法如下：

（1）在围岩表面埋设点位置钻孔，孔径符合招标文件要求，钻孔垂直围岩表面， 深度 1m。

（2）在测头上包上装有干净的饱和细砂的沙袋，使仪器进水口通畅，并防止水泥 浆进入渗压计内部。

（3）将包有砂袋的仪器埋入预先完成的钻孔内，周围回填砾石，上部注入水泥浆 或水泥膨润土球，并采用水泥砂浆回填钻孔。

在隧洞混凝土衬砌上埋设渗压计（内水压）方法如下：

（1）在安装位置预留 40*40cm 左右的凹坑，传感器接长电缆可以与其他传感器一 同预埋；

（2）待凹坑处衬砌内模板拆除后，将传感器固定在围岩上，并与预埋的传感器电 缆对接；

（3）在凹坑处充填大粒径的石子，外用漏空的厚钢板（钢板钻有孔径 4 毫米的圆

孔，孔距 5 厘米，呈梅花形布置）将凹坑覆盖进行保护；

（4）若内水渗压计直接装在无衬砌的围岩上，则在外面装一个流线形的保护罩进 行保护。

渗压计采用便携式数字式频率计读数仪进行测量。

　仪器在被混凝土埋没前和刚被埋 没时应立即进行观测， 在具体埋设期间必须边埋设边用小仪表进行测量 ,以防止在埋设过 程中损坏 ,以便及时补埋，从而确保仪器的埋设成功率。

7 预算

根据上述设备情况并结合白溪自动化工程合同单价，其中， 4 个断面的仪器电缆按 每支100米，1个断面的仪器电缆按每支 400米，共计5600米。钢管约需 800米。合计 费用约 630134.67 元。

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