尾矿库安全监测系统设计方案.doc

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45.2系统软件主要功能. 56监测系统的组成. 56.1现场信号监测仪器设备. 66.1.1坝体浸润线及渗流监测仪器 . 76.1.2坝体变形测量仪器设备 . 96.1.2.1 坝内位移测量仪器 . 106.1.2.2 坝面位移监测仪器 . 116.1.2.3 GPS 坝体表面变形测量设备 . 126.1.3库水位及土壤含水量监测传感器 . 166.1.4干滩监测系统设备. 186.1.5降雨量测量传感器. 186.1.6地震监测(选用). 196.2远程监测单元（DT MCU） . 206.2.1数据采集器. 216.2.2电源系统. 226.2.3GPRS/CDMA 无线数据传输终端 . 236.2.4防雷器件及接地装置. 256.2.5密封保护机箱. 266.3监测单元的配置容量. 276.4监测中心数据处理与分析系统 . 277DT 尾矿库安全监测系统的先进性分析. 35地址：北京市北四环西路 65 号海淀新技术大厦 1635 室邮编：100080Tel：[phone]Fax：[phone]Web：, E-mail: info21概述Datataker China Ltd北京数泰科技有限公司我国现有一定规模的尾矿库超过 12,000 座,每年排出尾矿近 3 亿吨,需要耗水 3.5 亿吨 以上。在这些尾矿库中正常运行的库不足 70%，有的行业大约 44 %的库处于险、病、超期服 务状态。近年来发生了一系列的尾矿库事故，给国家、企业及广大人民的生命财产造成了巨 大的损失。我国大部分尾矿库的管理是采用人工观测，不仅观测精度受人员的经验及天气等 自然因素的限制，不能进行全日实时的预警，存在安全隐患。同时，资料数据的整理分析往 往会滞后于生产运行，影响了安全生产。随着现代高科技的发展，尾矿库的日常监测管理面临着更新换代。具有信息化、实时化、 网络化特点的尾矿库自动化监测系统的出现解决了现有的问题， 投入使用自动化监测系统， 可以及时直观的掌握坝体的实际动态，进行安全评价、预警预报，为加固工程设计、管理及 消除隐患提供依据，为尾矿库的安全监测与管理决策提供有力支持，发挥工程效益，实现安 全生产。我公司开发的 DT 尾矿库安全自动化监测系统，具有功能全面、精度高、性能稳定、可 靠性高、适应恶劣环境等特点，满足尾矿库实时、有效的安全监测需求。2目的通过对尾矿库进行自动化的安全监测，分析坝体的结构健康状态，及时发现不正常现象 并提出警示，评估结构的可靠性，为尾矿库的管理与维护等提供数据依据。3依据的标准与规范整个系统的规范标准的制订完全遵照国家规范标准和有关行业的规定要求，参照的标准 和规程规范为：1)尾矿库安全技术规程AQ2006-20052)尾矿库安全监督管理规定 (国家安全生产监督管理总局令第 6 号)3)土石坝安全监测技术规范 SL60-944) 岩土工程勘察规范GB50021-20015) 岩土工程监测规范YS5229-966) 碾压式土石坝设计规范DL/T5395-20077) 工程测量规范GB50026-20078) 国家三、四等水准测量规范GBl2898-919) 国家一、二等水准测量规范GB12897-91地址：北京市北四环西路 65 号海淀新技术大厦 1635 室邮编：100080Tel：[phone]Fax：[phone]Web：, E-mail: info34监测项目对于尾矿库，主要的监测项目有以下几项：Datataker China Ltd北京数泰科技有限公司1) 坝体浸润线及渗流监测，主要针对浸润线监测点的孔隙水压，坝体渗流压力及渗流量。2) 坝体变形监测，包括坝体内部变形和表面变形。3）尾矿干滩监测，主要针对沉积滩的干滩长度监测。4）水文参数监测，包括库水位及土壤含水量监测。5）气象参数监测，包括降雨量、温湿度等。6）地震监测，包括振动数据波形及分析。 根据实际情况，还可以增加必要的监测项目。5DT 尾矿库安全监测系统功能由于尾矿库空间结构层次较多、野外环境复杂，想获得反映整个尾矿库安全状态的参数， 必须在各个重要测点安装很多测试相关仪器设备，数据采集设备不仅具有一定远距离数据采 集和传输能力，还要有适于野外长期监测的各种功能，具备准稳、低功耗、防雷、安装快捷、 数据无线传输等特点。硬件及软件系统需采用模块化、开放式结构设计，系统设计力求较高 的稳定性、可靠性、灵活性、可操作性和可扩展性。我公司按以上基本要求制定了尾矿库安全监测系统的设计方针，为尾矿库安全监测提供 较全面的、最优惠的解决方案，从测量仪器设备到监测中心软件，力求整个监测系统性能稳 定、可靠性高，测试精度满足要求，并可进行长期不间断地监测。5.1系统硬件基本功能1）可根据客户提供的监测模型，确定监测参量，配备尾矿库安全监测所需的各种测试 仪器设备，满足测试项目的需求和测试精度。2) 配备远程监测单元（MCU）和其他监测设备的机箱、电缆及接口装置以符合实际监测 环境，系统具有电源保护装置、避雷装置等硬件设备，把信号受干扰程度降至最低，尽量减 少系统的安装误差。3）选用适当的数据通讯方式，可采用有线和无线两种方式与监测中心通讯。对于有线方式，可采用一般电缆通讯或光纤通讯，可实现串口通讯、网络通讯或其他有线通讯方式。地址：北京市北四环西路 65 号海淀新技术大厦 1635 室邮编：100080Tel：[phone]Fax：[phone]Web：, E-mail: info4Datataker China Ltd北京数泰科技有限公司对于无线方式，可实现 GPRS 或 CDMA 网络通讯的数据传输，数据采用全透明方式，同时具有 报警管理系统，简捷得知设备运行状况，完成远程控制的需要。4）保障 DT 尾矿库安全监测系统各个仪器设备的正常运行，满足今后系统在硬件节点的 增加等要求。5.2系统软件主要功能1）可实时监测尾矿库的各测点传感器，可自定采集时间，并对原始数据进行滤波、计 算等处理,数据以数字或相应曲线、图等形式实时显示、记录和打印。2）监测数据能够保存在多种数据库内，并可进行历史数据查询，生成选定时间段内的 传感器最大最小值，还可以直接生成 EXCEL 或其他形式报表。3）软件界面清晰直观，工具条与按钮操作。以主界面和各子界面形式显示，各界面间 切换灵活，界面图案可按客户要求绘制改动。4） 数据可以各种图形方式显示，包括浸润线、库水位、坝体内部变形、降雨量等的时 间历程曲线图、X/Y 坐标图、模拟图、直方图等形式，同时可存储与处理视频图像。5）具有数据越限报警设置显示功能，现场即时上传报警信息时，主机会出现明显的报 警画面和报警信息，同时还可提供各种声光报警等多媒体提示或手机短信报警。6）能对系统中的每一用户进行口令和操作权限的管理，能对不同的用户分配不同的系 统访问、操作权限级别。用户登录后的操作将写入系统日志，保障运行系统的安全性。7）系统满足开放性标准的要求，方便系统功能的添加、删除、维护、修改、扩展。兼 容当前流行的多种数据库，包括 Access、SqlServer、Oracle，并满足数据库容量的扩充、 系统软件功能的增强等方面的要求。6监测系统的组成DT 尾矿库安全监测系统主要由现场信号监测仪器设备、远程监测单元、监测中心数据 处理与分析三部分构成。技术构架图如下所示：地址：北京市北四环西路 65 号海淀新技术大厦 1635 室邮编：100080Tel：[phone]Fax：[phone]Web：, E-mail: info5Datataker China Ltd北京数泰科技有限公司6.1现场信号监测仪器设备现场监测仪器设备按监测项目参数的性质主要有以下六个部分：1) 坝体浸润线及渗流测量传感器，可采用孔隙水压力计结合量水堰计。2) 坝体内部变形测量传感器，可采用固定式测斜仪。坝体或地表变形位移测量，可采 用水平、沉降位移传感器或 GPS 位移监测系统。3) 库水位测量传感器，可采用适于水位量程的水位计。土壤含水量测量可选用含水计。4) 干滩长度监测系统，采用 GPS 高程监测系统结合水位计。地址：北京市北四环西路 65 号海淀新技术大厦 1635 室邮编：100080Tel：[phone]Fax：[phone]Web：, E-mail: info6Datataker China Ltd北京数泰科技有限公司5) 对于气象测量，降水量的测量可采用雨量计。其他气象仪器还有温湿度计等。6) 地震监测设备（根据实际地带选用），可采用振动加速度计及地震数据记录仪。 以下介绍了一些可应用在尾矿库安全监测系统中的性能可靠的监测仪器设备，在实际应用中还可根据实际的环境、范围以及使用成本选用适合的仪器。6.1.1坝体浸润线及渗流监测仪器1）坝体浸润线的监测 对于坝体浸润线的监测，一般选择尾矿库坝上最大断面或者一旦发生事故将对下游造成重大危害的断面为监测剖面。大型尾矿库在一些薄坝段也应设有监测剖面。每个监测剖面应 设置 5 个以上的监测点，并应根据设计资料中坝体下游坡处的孔隙水压力变化梯度灵活选择 监测点。一般采用在坝体内钻孔埋设测压管的形式进行监测，测压管内放入孔隙水压力传感 器，实时采集管内水位数据，根据监测到的数据，由系统软件自动绘出坝体浸润线分布状态， 并对浸润线，在超出设定或发生突变时及时给出预警、预报。可选用加拿大 ROCTEST 公司的 PW 系列弦式孔隙水压力计测量孔隙水压力。PW 型孔隙水压力计是一个振动膜压力传感器，传感元件是把柔软的压力膜焊接在坚固 的圆柱体空腔上而组成的，除振弦外的所有部分都是由高强不锈钢组成，高强度的振动弦一 端夹在膜的中间，其另一端夹在空腔的另一端，在制造过程中振弦预紧到一定的张力状态然 后密封确保寿命和稳定。传感器安装有防水保护：防水接头、陶瓷、带 O 型线圈的防水头见下图。使用过程中， 压力导致膜的变形而使弦的张紧度和共振频率改变，采用孔隙水压力计的压力计算公式便可 以计算压力。PWL 型孔隙水压力计直径较小，可以安装在土体和混凝土中或者安装在钻孔中， 甚至直径小到 38mm 的管内。孔隙水压力计内有压力传感器和温度电阻（下图），其一端装 有高通或低通过滤器，另一端是电缆接口，用环氧密封。所有部件都由不锈钢制造而成。孔 隙水压力计的过滤器用 O 型线圈密封，由于有过滤器的隔离作用，压力膜可以免遭外界微小颗粒的破坏，传感器就仅仅可以测量到液体的压力。在需要率定和浸润饱和时过滤器可以很地址：北京市北四环西路 65 号海淀新技术大厦 1635 室邮编：100080Tel：[phone]Fax：[phone]Web：, E-mail: info7Datataker China Ltd北京数泰科技有限公司容易卸开，当作为压力传感器使用时，可以用管螺纹接头代替过滤器。 技术规格见下表。测量范围0.170Mpa 或 1510000psi分辨率0.01ms 或 0.1L.U. (MB-6TL)0.1Hz.(PALMETO VW)0.1精度 0.1%F.S.(0.5%和 0.25%选项)温度飘移 0.1%F.S./C最大超载两倍量程范围型号PWSPWPPWCPWF外壳袖珍型 推进式 EW 螺纹 螺纹式 厚壁式材料不锈钢外径(mm)19331928长度(mm)200260213225透水石50 微米低气压烧结的不锈钢式16 微米高气压的陶瓷式测量范围-4065C精度 0.5%F.S.热感应电阻热常量1 分/C（2 分/F）电缆标准双绞线 22AWG，IRC-41 屏蔽式备选双绞屏蔽线，中心有合成纤维（2PK-13 或 2PK-15）浸润线监测仪器埋设位置的选择，应根据尾矿库安全技术规程（AQ20062005）中 规定的计算工况所得到的坝体浸润线位置来埋设。2）坝体渗流监测 坝体渗流监测主要包括渗流压力和渗流量的监测，应根据坝型和坝基地质条件、渗漏水的出流和汇集条件以及所采用的测量方法等确定渗流量监测仪器的布置。对坝体、坝基、绕 渗及导渗(含减压井和减压沟)的渗流量，应分区、分段进行测量，所有集水和量水设施均应 避免客水干扰，对排渗异常的部位应专门监测。当下游有渗漏水出逸时，应在下游坝趾附近设导渗沟(可分区、分段设置)，在导渗沟出地址：北京市北四环西路 65 号海淀新技术大厦 1635 室邮编：100080Tel：[phone]Fax：[phone]Web：, E-mail: info8Datataker China Ltd北京数泰科技有限公司口或排水沟内设量水堰测其出逸(明流)流量。当透水层深厚、地下水位低于地面时，可在坝 下游河床中设测压管，通过监测地下水坡降计算出渗流量。渗流压力可以使用孔隙水压力来测量，渗流量的测量一般采用量水堰计。推荐一款国产量水堰计。 该量水堰计适用于长期测量河流、湖泊、水库、坝体堰槽、 坝体测压管等的水位，是监测水位变化稳定性好的监测设备。量水堰计采用磁光编码原理进 行测量，其测量精度高、稳定性好、没有温漂和时漂的影响，信号可接入远程监测单元或直 接接入计算机，实现水位变化的自动监测。主要技术参数：测量范围：mm0800灵敏度：mm0.5测量精度：F.S0.1%信号输出方式：格雷玛，RS485报文方式：自报,招测组网数量：台20调试方式：自带显示屏，地址码和波特率自设定6.1.2坝体变形测量仪器设备尾矿库坝体形变是在某一时间段内发生的位移速度比较缓慢的水平方向、垂直方向沉降 的变形。由于溃坝形式有浅层滑动、深层滑动和整体滑动等多种形式。因此，可设置坝内位 移和坝面位移监测，形成坝体空间位移监测网络。地址：北京市北四环西路 65 号海淀新技术大厦 1635 室邮编：100080Tel：[phone]Fax：[phone]Web：, E-mail: info96.1.2.1坝内位移测量仪器Datataker China Ltd北京数泰科技有限公司地下深部位移测地下深部位移测尾矿坝深部位移测量孔位置示意一尾矿坝深部位移测量孔位置示意二对于坝体内部变形，一般在最大坝高处、地基地形地质变化较大处均布置监测剖面。 每个剖面上根据坝的高矮，在坝坡表面从上到下均匀设置 46 个监测点。最下面一个点应设 置在坝脚外 510m 范围内的地面上，以用于监测尾矿坝发生整体滑动的可能性。可选用美国 AGI 公司的 906 little dipper 双轴固定测斜仪来测量坝体内部变形。906 little dipper 双轴固定测斜仪由一个玻璃瓶和装入瓶内的 5 个内置电极组成，当传感 器倾斜时，电极的浸入深度不同，电极之间的直流电阻就不同，因而四个象限的电极就可以 测量平面 X 和 Y 方向的倾斜。输出信号为直流电压，并且和倾斜量及温度成正比。固定测 斜仪可以多个串接安装，固定测斜仪的导向片可以用于保证传感器在管内的安装方向，通常安装在孔深小于 45 米的浅孔内监测结构位移。主要技术参数见下表。轴数2分辨率20 弧秒 (0.01mm/m)角量程12.5响应时间0.15 秒工作温度-10+50输出电压2.5 V DC or 0-5 V DC比例因子大约 4/V温度传感器输出为 0.1/mV，0mV=0精度：0.75输出电阻270 ohms，短路保护电源要求8 24 VDC/7mA，最大纹波 Vp-p=250mV外部连接多芯镀锡铜线电缆尺寸及重量33mm208mm，最大规格长 3 米现场安装示意图及 906 little dipper 双轴固定测斜仪图片如下：地址：北京市北四环西路 65 号海淀新技术大厦 1635 室邮编：100080Tel：[phone]Fax：[phone]Web：, E-mail: info106.1.2.2坝面位移监测仪器6.1.2.2.1 水平位移传感器Datataker China Ltd北京数泰科技有限公司对于坝面水平变形位移的监测，通过在监测层地下钻孔安装监测桩，在地面监测桩上布置多个钢丝拉线位移计来形成一个二维监测网。这样测量的变形准确度高，仪器配置也简单 易行。采用拉线式位移传感器，该位移传感器的主要特点是输出灵敏度高、线性好、体积小、 自重轻、温度漂移小、抗湿度性能强，安装使用方便。它的主要技术指标如下：输出信号精密电位器 0-5Vdc工作电压max.30V DC工作温度-20 +80C储存温度-20 +120C传感元件精密线绕导电塑料混合电位器测量行程200/500 mm防护等级IP65往复速度0.5M/秒地址：北京市北四环西路 65 号海淀新技术大厦 1635 室邮编：100080Tel：[phone]Fax：[phone]Web：, E-mail: info116.1.2.2.2 沉降位移传感器Datataker China Ltd北京数泰科技有限公司近年来在国际范围内，经常采用静力水准仪监测大坝的沉降位移。静力水准仪被广泛应用于测量精度要求高和测量稳定、可靠的现场液位测量系统之中，是监测坝体微量垂直方向 变形的可靠仪器。采用国产 B-型静力水准仪，具有精度高、分辨率高、重复性好、稳定可靠、非接触式 测量、寿命长、安装方便、环境适应性强等特点。该静力水准系统特别适合于要求高精度监 测垂直位移的场合，可监测到 0.03mm 的高程变化。系统由一系列含有液位传感器的容器组 成，容器间由充液管互相连通。基准容器位于一个稳定的基准点，其它容器位于同基准容器 大致相同标高的不同位置，任何一个容器与基准容器间的高程变化都将引起相应容器内的液位变化。主要技术指标如下表所示：测量范围100、150、300、600mm精度0.1%FS灵 敏 度0.025%FS温度范围20+80(使用防冻液)耐 水 压可按客户要求定制 0.5、2MPa 或其它水压6.1.2.3GPS 坝体表面变形测量设备接收机天线阵对于坝体表面双向位移的监测，还可以采用 GPS 变形监测系统替代以上两种传感器。 此外，可利用 GPS 系统定期监测尾矿坝滩顶标高，结合水位计可计算得到尾矿库的干滩长度。建议采用一机多天线的 GPS 系统，这种技术以全球衡星定位系统（GPS）为基础，可地址：北京市北四环西路 65 号海淀新技术大厦 1635 室邮编：100080Tel：[phone]Fax：[phone]Web：, E-mail: info12Datataker China Ltd北京数泰科技有限公司以应用于监测及预警斜坡崩塌、河堤等结构的变形及振动程度。透过此系统所开发的软硬件， 只需一套 GPS 接收机，便能有效地监测多个点的移动情况，大大提高了 GPS 用于监测局部 区域变形的效能，使它的应用层面更为广泛及廉宜，特别适于尾矿库坝体位移的实时监测。一机多天线 GPS 系统主要组成如下： 2 台 GPS 接收机，一台 GPS 接收机用于监测现场，一台 GPS 接收机作为参考站。 GPS 天线，一个用于监测现场，一个用于参考站。 MAGPS 多天线转换控制器，可连接 16 个 GPS 天线 GPRS 模块 2 套（可选）或有线通讯 天线电缆及供电系统组件 配套软件，接收、处理及数据显示等 系统结构图如下：系统主要部件的技术参数如下：1） 天线地址：北京市北四环西路 65 号海淀新技术大厦 1635 室邮编：100080Tel：[phone]Fax：[phone]Web：, E-mail: info13主要技术参数： 频率 1575.42 5 MHz 制式Datataker China Ltd北京数泰科技有限公司o 方位: Omni 方向o 角度: 半球 LNA 增益 30 1.5 dB 电压 DC 3 to 5 V 电流 20 mA2） 接收机主要技术参数：14 Channelso 12 GPS 码o 2 SBAS (WAAS/EGNOS/MSAS) NMEA-0183 v3.0 标准输出 可选位原码率到10 Hz 位置输出 原码输出 1 PPS (5V TTL) 精确度o 200 ns (stand-alone)o 50 ns (differential) 边缘滤波 差分远程RTCM V2.2 20GS 跟踪能力 Kalman 滤波 Event maker Session 编程 集成差分优化 低能耗睡眠模式2 个双向RS-232 串口, 最大 115,000 bps 外置LED 驱动 电压DC 5 V 操作温度 -30 to 70 储存温度 -40 to 85 湿度 95% 不凝结地址：北京市北四环西路 65 号海淀新技术大厦 1635 室邮编：100080Tel：[phone]Fax：[phone]Web：, E-mail: info143） MAGPS多天线转换控制器 输入电压 DC 12 V 2V 输出电压 DC 12 V 2V 能耗 20 W物理特性： 合金机壳 尺寸482 mm x 395 mm x 140 mm 重量 3 Kg GPS 连接口 16 个 电源连接口 1 个 数据连接口 2 个 操作温度 -25 to 50 储存温度 -30 to 60 湿度95%4） GPRS 无线传输模块 频率 EGSM900 / 1800M, GSM Phase 2/2+ GPRS Connection Class B GPRS 下载数率最大85.6 kbps GPRS 上传速率最大 21.4 kbps SMS 支持MT, MO, CB, Text, P