绿色智能水库远程实时监控与治理系统

徐 瑛 孙世泉

[重庆航运建设发展（集团）有限公司 重庆 401147]

水库运行期间可能发生的病害险情主要包括库底渗漏和大坝变形失稳两个方面。本项目为基于大数据平台的水库远程智能监管系统，主要包括监测系统、数据处理平台、专家库和工程部四个部分。监测系统为布设在辖区内各个水库周边且搭载物联网的相关监测设备，通过收集实时数据（降雨、水位、库底流速等）监测水库的运行状态，并传输到远端服务器；数据处理平台接收到监测数据进行分析计算，如果计算结果异常，系统会通过APP通知专业人士“会诊”；专家库则是对“异常”数据作出进一步分析预判，让数据“说话”使其准确反映水库的安全状态；若判定该水库属于应急抢险类，专家再给出工程处治的建议，并督促水库管理部门及时开展水库保护的工作。

一、研究背景

目前我国是世界上拥有水库大坝最多的国家，土石坝占到了总数的95%以上，而其中于20世纪80年代以前建成的老坝大约占95%。同时我国也是世界上拥有200米级以上高坝最多的国家，目前世界建成的200米级以上高坝77座，我国有20座，占26%；在建的200米级以上高坝19座，我国就有12座，占63%。从2010年至2015年，我国大中型水库也在逐年增加。虽然近10年来我国进行了大规模的病险水库除险加固，但水库大坝数量多、土石坝多，水库病险概率高的情况无法立刻得到缓解，其中引发事故最主要的原因就是水库渗漏。导致水库渗漏的影响因素是多方面的，包括筑坝质量、筑坝材料、地质环境、水文气象条件、水库库龄和管理者水平等等。比如，水库坝体施工操作不规范、筑坝材料的质量差，管理不善，运营过程中操作不当等等原因，都可能引起水库的渗漏。此外，土石坝相较重力坝、拱坝而言，更容易出现渗漏和因渗漏导致的险情。由于水库具有大坝数量多、坝型复杂多变、水库病险概率高的特点，一旦水库发生溃坝，其灾难性的后果无法估量[1]。

目前所有的水库防渗漏处理技术都是“亡羊补牢式”工程处治，没有实时监控和预警处理，都是渗漏到一定危险程度后才发现、整治。这样非常容易发生重大事故，造成难以估量的损失，并且善后处理花费巨大。因此本项目提出水库实时检测、微小渗透问题治理措施及数据的云共享等方案，提前进行预防措施，避免不必要灾难的发生。

二、设计原理

（一）设计思路

为了及时的监测出水库的渗漏情况，现通过建立数据库平台，对水库中水流速度方向等进行实时数据监测，即可完成对水库的实时监测并发现渗漏等问题。发现问题后，为了有效地解决渗漏问题，而不是上述所说的亡羊补牢地对其进行处置，我们现在提出并设计了能有效解决渗漏问题防渗毯。该新型膨润土防水毯在实际的防水过程中主要是利用膨润土遇水之后的低透水性和高膨胀性来实现的。为了精准有效地铺设防渗毯，现设计了一款水下铺装机器人，该机器人携带新型膨润土防渗毯进入水中后通过远程控制端的控制与定位，实现精准到达施工地点，并通过远程控制实现高效铺装的目的。施工完毕后通过操控机器人能驶出水面被回收。经过这一系列过程后，再次对水库的水流和指定位置的监测，检查渗漏问题是否解决[2]。

（二）结构设计

防渗毯：新型膨润土防渗毯在遇到水的情况下会形成密度比较高的黏稠状胶体横向防水层，这个防水层大约有3mm厚，它的透水性相当于是30厚度黏土透水性的100倍，抗渗的静水压能够达到1mp以上。抗渗性能非常强，新型膨润土防水毯在实际的防水过程中主要是利用膨润土遇水之后的低透水性和高膨胀性来实现的，在膨润土防水毯中高钠膨润土的密实度很高。这样就有比较多的膨润土来吸水膨胀横向连接然后形成连续的防水墙。出现漏水点的概率比较小。而且很容易保证实际的施工质量，同时还能够对轻微的裂缝和损伤进行有效的填补所以说新型膨润土防水毯的整体连接性也比较好。新型膨润土是一种天然的无机材料，蒙脱石是它的主要矿物成分，不会对人体造成伤害，同时也不会对水质造成污染，整个膨胀防渗的过程是一个物理变化过程，在这个过程中不会产生任何有毒物质。在实际的使用过程中即使是把膨润土防水毯长期埋在地下或者当周围环境发生变化的时候，新型膨润土防水毯都不会出现腐蚀或者老化的情况，且不会对周围的地理环境造成影响，所以膨润土防水毯的环保性能非常好。因为膨润土防水毯在实际的膨胀过程中是一个物理变化过程，在干燥条件下膨润土会自动地恢复成原来的分子结构，所以膨润土的胀缩过程可以反复地进行，这样膨润土防水毯在经过很长的使用时间后依然能够保证很好的防渗性能。所以膨润土防水毯的使用寿命比较长。它的界面摩擦特性也比较好，所以在对那些陡坡地方进行处理的时候也比较容易。同时也能够很好保证接缝处的密封性，膨润土防水毯的抗冻融性比较好。对温度的变化情况不是很敏感，在温度条件比较差的情况下有些传统防水材料无法施工，而新型膨润土防水毯却能够进行正常的施工，在温度比较寒冷的情况也不会出现折断的情况，因此在我国各个地区都比较适合使用新型膨润土防水毯。采用新型膨润土防水毯的防渗工程在施工完成后也不需要进行特别的检查，如闭水试验等。如果在实际施工过程中出现一定的缺陷也很容易进行修补。因为膨润土的膨胀性比较好，所以如果在实际的使用过程中防水毯出现刺破的现象漏水点也会因为膨润土的横向迁移而自动愈合，在防水材料的施工中膨润土防水毯的施工工期是最短的。

水下铺装机器人：该机器人要解决机器人在水下的复杂环境的稳定性、灵活性和推进性和实现对于有渗漏水库和需要解决水体渗漏问题的地带的防渗设施的水下铺装功能，包括：机身、控制装置、行走机构、电机、控制中心、螺旋桨背推装置、铺设构件、前置辅助推进构件。行走机构有两个，分别安装在机身左右侧，行走电机有两个，分别装于机身内部左右侧，所述喷射装置在机身顶部共6个，铺设机构在机身尾部，前置推进部件安装在机身前端，控制中心在机身内部中央。控制中心功能包括指令接收与处理、定位、行走控制、铺装构件控制、铺装部件控制、螺旋桨背推装置控制。本发明将螺旋桨背推装置集成到机器人中，可提供竖直平面360度的动力，铺装构件的加装可以完成水下的铺装作业，前置辅助推进部件的布置可以对机器人行走过程中前方障碍进行推离排开。通过对几个装置的加装布置，对机器人的动力方面、行进方向的改变方面、水下推进能力有不小的提升，与此同时对于铺装装置的加入使得水下机器人有能力完成水下铺装作业。降低了工人的劳动程度，甚至完成了工人无法完成的工作，提高了工作效率，通过对机器人进行密封和防腐蚀处理，使其能够适应水库等复杂水体的工作条件。

此机器人行走装置通过对坦克行进装置的借鉴（即通过履带行进），可以增加机器人水下行走的稳定性，加之顶部可变向螺旋背推装置的加入，既能提高机器人在前进推力、制动力，竖直方向的运动能力（即机器人的定点到位能力，翻越障碍的能力）。这样一来机器人就能更好地到达指定位置完成铺装作业，即使遇到水下有较大型障碍物也能进行翻越不至于受阻、水中有较强烈涡流等复杂水流状况时，也能通过机器人顶部背推装置推动方向的改变使得机器人的水下平稳作业能力得到大幅提升，尾部的铺装部件通过控制中心对该部件中电机的控制使装裹了防渗毯（等相关防渗物质）的滚筒能匀速向外放出，并进行平稳铺装。前置的锥形推进装置用于行进中机器人正前方障碍的排除，可有效地将所遇到的不大于机器人大小的障碍物排开，这既能是机器人能平稳地向前推进，并为防渗体的铺设铺平了道路，使得铺上的防渗体更平整以至于更好地发挥最大作用。控制中心接受远程控制端控制，由控制端发出指令，指令包括启动指令，制动指令，铺装指令，背推螺旋桨方向变动指令，螺旋桨整体角度变动指令，螺旋桨速度变化指令，行进速度指令等一系列指令。使得该机器人能胜任复杂水体下的铺装作业。

三、创新特色

1.建立水库档案，通过辖区内调查走访，为每一座水库建立档案；

2.实时监测水库运行状态，及时发现异常情况；

3.通过大数据平台建立可靠算法，分析水库的安全性；

4.建设针对性强的专业团队——专家库；

5.远程办公，运筹帷幄，专家团队可在市内基地总部办公；

6.将水库险情及时发送给主管部门，各方实行信息共享；

7.包含若干项专利技术；

8.项目具有一定的商业价值，开发创新空间大，具有可持续发展的优势。

四、应用前景

据统计，我国现有水库87 076座（2014年7月），其中95%以上的水库为土石坝，土石坝的防渗性能较差，不能满足相关规范的要求。具体表现为：土石坝的下游侧没有排水设施，或现存排水设施已经失效；涵管外壁和坝体的连接部位存在一定程度的冲刷；坝基清基工作不够彻底，基岩没有使用有效防渗措施；浆砌石坝砌体的密实度不足，混凝土结构产生细小裂缝，引发渗漏。从2004年水利部统计的水库病险不达标数据来看，大型水库有51座、中型水库196座、小型水库14 000座，在这些水库中，病险水库约占50%以上[3]。

五、结束语

从上述叙述可以看出，正是国际上对于该产品的巨大需求量，而目前经过调研，我们没有发现类似的产品。尤其是国内巨大的水库数量的实际运行需求，为我们的产品提供了良好的市场空间。

本项目中自己生产设备、开发技术，将一切核心技术保密，水库的治理更加生态，更加便捷，不仅节约了人力检测的高额人工费用，也避免了人力检测带来的各种负面影响；更将数据分析结合，使后续治理更加准确便捷，节约了大量人力及资金；并将后续可能发生的险情作出预测，提前准备，避免了不必要的人员、物资损失。此项目会以当前试点的模式，继续不断发展和创新，不断优化，更加适应于市场。

本项目中最为核心的财产就是核心技术开发人员，随着科学技术的发展，科研人员的不断开发研究，完善设备，使它更加智能化，高端化，更加适用于水库渗透治理，使水库治理更加的快速便捷、低成本。