发布日期：2023/2/7

    DT尾矿库安全监测系统 设 计 方 案   （共 21 页）                       北京数泰科技有限公司   2009年9月       目录 1       概述... 3 2       目的... 3 3       监测项目... 3 4       DT尾矿库安全监测系统功能... 3 4.1           系统硬件基本功能... 4 4.2           系统软件主要功能... 4 5       监测系统的组成... 5 5.1           现场信号传感器... 6 5.1.1     坝体浸润线测量传感器... 6 5.1.2     坝体内部变形测量传感器... 8 5.1.3     库水位测量传感器... 9 5.1.4     降雨量测量传感器... 10 5.1.5     地表位移测量传感器... 11 5.1.6     含水量测量传感器... 12 5.2           远程监测单元... 13 5.2.1     数据采集器... 13 5.2.2     电源系统... 14 5.2.3     GPRS/CDMA无线数据传输终端... 14 5.2.4     防雷器件... 15 5.2.5     密封防水机箱... 15 5.3           系统的配置容量... 15 5.4           监测中心数据处理与分析系统... 16 6       DT尾矿库安全监测系统的先进性分析... 20          

1           概述

随着现代高科技的发展，尾矿库的日常监测管理也面临着更新换代。在我国，尾矿库数量多、分布广，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。 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完全可以解决这些问题，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，为尾矿坝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，具有精度高、性能稳定、可靠性高等特点，完全满足尾矿库实时的安全监测需求。

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           监测项目

对于尾矿库，最基本的监测项目有： 1) 坝体浸润线监测 2) 坝体内部变形监测 3）库水位监测 4）降雨量监测 根据实际情况，还可以增加其他监测项目。例如：土壤含水量监测、尾矿库附近山体表面位移等。

4           DT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传感器，数据采集系统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。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最优惠的解决方案，从测量传感器到监测中心软件，力求整个监测系统性能稳定、可靠性高，测试精度满足要求，可以长时间不间断地对目标参数进行监测。

4.1         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传感器，确定采集通道及扩展通道。 2)配备远程监测单元（MCU）系统机箱、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）数据传输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。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，最大支持五个数据中心，同时具有手机短信报警管理系统，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。

4.2         系统软件主要功能

1）可实时监测尾矿库的各测点测量参数，数据以数字或曲线图形式实时显示、记录和打印，可根据需要设定测点数据，对原始数据不仅可进行滤波、计算等处理。 2）监测数据能够以多种数据库形式保存并可进行历史数据查询，还可以直接生成EXCEL或其他形式报表。 3）操作界面清晰直观，工具条与按钮操作。显示界面可分为主界面和各子界面，各界面间切换灵活。界面图案可按客户要求绘制改动。 4）数据的图形方式显示，包括时间历程曲线图、X/Y坐标图、模拟图、直方图等形式。 5）具有数据越限报警功能，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。 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，保障运行系统的安全性。 7）实现对系统信息打印的管理功能，支持对图形、报表、曲线、报警信息、各种统计计算结果等的打印。 8）在线编辑、维护、修改、扩展功能。系统软件满足开放性标准的要求，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。

5           监测系统的组成

DT尾矿库安全监测系统主要由现场信号传感器、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：

5.1         现场信号传感器

现场信号传感器按监测项目参数的性质主要有以下四部分： 1)   坝体浸润线测量传感器，可采用渗压计。 2)   坝体内部变形测量传感器，可采用固定式测斜仪。 3)   库水位测量传感器， 可采用适于水位量程的水位计。 4)   降水量测量传感器，可采用雨量计。 5)   地表位移测量传感器，可采用位移计。 6)   含水量测量传感器，可采用含水计。 以下介绍了一些典型被应用在尾矿库安全监测系统中的性能可靠的传感器，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。

5.1.1        坝体浸润线测量传感器

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。

垂直方向含水量测量处 垂直方向含水量测量位置示意图

可选用加拿大ROCTEST公司的PW系列弦式渗压计用来测量孔隙水压力。 PW型渗压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，采用渗压计的压力计算公式便可以计算压力。PWL型渗压计直径较小，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。 渗压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。 渗压计的过滤器用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 测量范围 0.1~70Mpa 或15~10000psi 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 PWS  PWP   PWC  PWF 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) 19   33   19   28 长度(mm) 200  260  213  225 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 -40~65°C 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》（AQ2006－2005）中规定的计算工况所得到的坝体浸润线位置来埋设。

5.1.2        坝体内部变形测量传感器

地下深部位移测量孔 地下深部位移测量孔 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4～6个监测点。最下面一个点应设置在坝脚外5～10m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 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，电压极性反转保护 外部连接 多芯镀锡铜线电缆 尺寸及重量 33mm×208mm，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：

5.1.3        库水位测量传感器

对于库水位的测量，一般在库内排水构筑物上放置合适量程水位计。库内排水构筑物一般位于尾矿库内，排水构筑物周边为尾矿澄清水，因此需要在监测系统布置前，针对特定尾矿库的实际情况选择放置。 可选用国产STLP投入式水位计，该产品采用美国原装高精度扩散硅不锈钢隔离膜传感器及专用转换电路，吸收引进国外先进的生产工艺和设备，确保产品能够长期稳定可靠地在水中及其它液体介质中使用。 主要特点: 产品精度高，长期稳定性好，测量范围宽，可靠性强；业界领先的激光全焊接结构，无O形圈密封结构，确保产品长期使用无渗漏；全固定结构，抗冲击震动；防射频，防雷击设计；过电压，反极性，限流等多重保护。 技术指标: 测量范围: 0～10 mH2O 供电电源: 12V DC 工作温度: -40～80℃ 精度：0.5%

5.1.4        降雨量测量传感器

对于尾矿库，降雨量是影响其安全的最重要的环境因素，一般应在排水井处设置一个监测点，放置雨量计。可选用国产SL2-1型翻斗式雨量计。 该翻斗式雨量计由集水器、翻斗、调节螺钉、干簧管等构成。在测量过程中，随着翻斗间歇翻倒动作，带动开关，发出一个个脉冲信号，将非电量转换成电量输出。 SL2-1 型雨量传感器用来测量地面降雨,雨水通过一个表面积为200cm2 的接收器,再通过一个过滤斗流人翻斗里，当翻斗流入一定量的雨水后，翻斗翻转，倒空斗里的水，翻斗的另一边又开始接水，翻斗的每次翻转动作通过干簧管转换成脉冲信号(1 脉冲=0.1mm 降雨量)传输到采集系统。 主要技术指标： 承水口直径： Ф200mm(200cm2) 分辨力： 0.1mm 测量范围： 0-4mm/min 测量不确定度： ±0.4mm(≤10mm)±4%(>10mm) 环境温度： 0-60℃ 重量： 3.1kg

5.1.5        地表位移测量传感器

在尾矿库地表的边坡、山体的安全监测，也常常视为安全监测的重要项目。通过监测其发生的地表位移可以判断其安全性。在尾矿库的安装地表位移测量仪器，安装位置的示意图如下：

  固定山体侧 尾矿库侧   传感器
可采用台湾WEP50型拉线位移传感器，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。传感器在地下安装将有外保护装置。

它的主要技术指标如下： 型    号：WEP50-1000-A1 输出信号：4-20mA 工作电压：12-24V DC 工作温度：-10 ~ +80°C 储存温度：-20 ~ +90°C 传感元件：精密线绕导电塑料混合电位器 测量行程：1000 mm 防护等级：IP65 往复速度：0.5M/秒 精    度：0.15mm

5.1.6        含水量测量传感器

对于尾矿库，有时可通过测量尾矿库各方向的土壤的含水量，判别影响其安全的因素，可在适当位置放置含水计。

垂直方向含水量测量处 垂直方向含水量测量位置示意图

推荐一种澳大利亚ICT公司生产的MP406型含水计，用来测量土壤的水分。其规格是长195mm，直径40mm，通常有3个针头，可以长期压于或埋在土体中。 含水计的输出信号是电压值，对于特定的土质，标定后，含水计的精度可达2%的体积含水量。 技术参数：

                                         范围：0-100VSW%

                                         精度：2VSW%                                          反应时间：小于0.5秒                                          材料：不锈钢

5.2         远程监测单元

远程监测单元（DT MCU）系统主要由数据采集系统、电源系统、GPRS/CDMA无线数据传输终端、防雷器件、接线与通讯接口、防水工业机箱等组成。 各种传感器信号按顺序接入输入信号模块中，经由防雷板处理后，进入DT采集器中传感器采集通道，采集的数据通过串口与GPRS/CDMA无线数据传输终端连接后，便可按TCP/IP协议远程与数据存储与处理系统进行通讯了。远程监测单元的工作、结构示意图如下。 远程监测单元的工作、结构示意图

5.2.1        数据采集器

采用澳大利亚dataTaker 公司生产的DT80G/DT85G型岩土智能可编程数据采集器及其扩展模块CEM20,动态采集可使用DT800数据采集器。 DT80G/DT85G具有如下特点：支持振弦式及其它岩土型传感器，独立工作或使用强大的内置通讯选项组网，以各种期望的方式及地点访问数据；支持U盘；坚固的设计与结构，提供了在极端的岩土环境应用下可靠的操作；低成本高效，DT80G具有5～15个模拟通道，DT85G具有16～48个模拟通道，通过与CEM20扩展模块连接， DT80G可扩展到100个通道，DT85G可扩展到300个通道。实时浏览数据和存储到高达五百万个数据点。数据存储和恢复可以通过U盘、FTP、手机，适合于SCADA的Modbus，以太网或网页实现。 DT80G/85G可以连接到大部分的传感器和数据测量设备，包括智能传感器，SDI－12传感器组成的网络，GPS，PLC和其他智能设备。测量结果可以被比例缩放，存储以及返回工程单位或者进行统计报表。所有通道都可以进行报警设置。支持Windows版软件。 CEM20 是DT80g系列的通道扩展模块，它具有紧凑小巧的尺寸，极低的能耗，可以低成本方式增加数据采集器通道，每个连接到数据采集器模拟通道的CEM20都可以扩展20个模拟通道。 DT80G、DT85G及CEM20图片如下：  

5.2.2        电源系统

可提供两种供电方式供实际选择：1）利用现场供电，采用高精度线性11–24VDC开关电源，可为数据采集器和传感器供电 2）采用外部15V太阳能板为系统供电。

5.2.3        GPRS/CDMA无线数据传输终端

采用dataTaker-GPRS/CDMA DTU无线数据传输终端。DTCL-GPRS/CDMA DTU可为用户提供高速、永远在线、透明数据传输的虚拟专用数据通信网络，利用手机GPRS网络或CDMA网络平台实现数据信息的透明传输。支持根据域名和IP地址访问中心多种工作模式选择，支持串口软件升级和远程维护，使用方便、灵活。 GPRS/CDMA可以利用现有GSM/CDMA网进行实时数据传输，实现无线上网，无线接入，提供真正的广域无线数据网。GPRS/CDMA允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源。GPRS/CDMA可以在高速运动时保证最低13.4KBPS的传输速度，峰值可以高达53.6KBPS，一般能够稳定在23KBPS左右。特别适用于间断的、突发性的和频繁的、点多分散、中小流量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。

5.2.4        防雷器件

安装在户外的尾矿库安全监测系统的关键部件均需经过防雷保护，采用专用电源防雷器对电源进行D级电涌防护，输入信号接入保护等级为IP00的信号防雷板进行过压保护。数据传输通过天馈防雷器后与发射天线联接。系统与大地之间应用专用防雷接地线连接，确保整个系统不遭受雷击和其它高电压破坏。

5.2.5        密封防水机箱

采用适于野外应用的防水板金或不锈钢机箱，做工精细。厚度为1.5mm或2mm供选择，防护等级可达到IP55。机箱前面板可开合，使用坚固合页，闭合紧密，安装有野外用加密锁。根据实际需要，机箱表面还可加装吊环或挂耳等。机箱底面安装有与电源、通讯及传感器连通的防水PG接头，便于与外部设备联接。 机箱内板坚固，配有标准DIN导轨供仪器配置。数据采集器、电源、防雷器、数据传输单元被安装于内板上，此外，内板上还装有监测系统的接线端子、控制开关及其它固定件。 机箱样机图片如下：         

5.3         系统的配置容量

远程监测单元系统的容量可以根据实际监测目标的多少进行配置，系统内部数据采集器的选用与联网方式也会有所不同。 如果尾矿库的测量范围大，监测点数多，或者还需对其加固效果或水文气象等诸多参量进行监测，那么系统可按以下三种方式扩容： 1）直接在远程监测单元MCU内部增加CEM20扩展模块，也可采用内部RS485组网连接方式。 2）按监测单元位置或功能增加并划分远程监测单元RTU的数量，监测中心与各RTU单元用TCP/IP无线网络、RS-485数据总线或光纤等形式组成分布式数据采集网络，通过监测中心软件进行数据管理。

5.4         监测中心数据处理与分析系统

采用具有奔腾4处理器或以上及Windows XP或以上操作系统的主机，主机安装在具有网络系统的场所内，通过互联网对采集器传送来的数据进行分析、处理，对各种测量参数进行实时监测和记录。应用软件采用Microsoft .NET Framework进行开发的DTsMonitor监测软件（以下简称DTs）。 DTs监测软件是信息管理及分析软件，主要用于实时监测坝体参数并进行监测资料分析，具体包括单点或多点数据、浏览过程线及图形绘制。 DT监测系统软件安装在具有良好开放性、可扩充性和高可靠性等技术性能指标的符合开放系统互联标准的中文WINDOWS XP操作系统，构建于时下流行的.NET框架结构上。数据库采用方便简洁的ACCESS，也可定制使用其他的数据库，如SQLSERVER或ORACLE。主机安装在具有网络系统的场所内，以便更迅捷的通过互联网或手机网络对采集器传送来的数据进行分析、处理、监测、记录或导出。监控中心还可按需配置打印机、服务器等相关设备。在主机内安装我公司研发的“DTs尾矿库安全监测系统”软件。软件的界面功能示范图如下： 1） 进入监测系统界面 主界面可根据要求定制启动界面图像、软件系统名称和定制单位名称。 用户通过菜单栏和快捷键对整个系统操作，系统拥有工程管理、设备连接、坝体浸润线监测、坝体内部变形监测、库水位监测、降雨量监测、数据显示、数据报警、用户管理和帮助等功能。 2） 工程管理 本功能主要针对易变的工程项目，采用“所见即所有”方式，不同的文件夹就是不同的已建立的工程项目，所有的数据、资料均放在相应文件夹内。 对于基本不变的的工程项目，在系统第一次调用后便可自动保存，并在下次系统的启动中自动调用。 3） 设备连接 针对不同的DT RTU仪器硬件环境，可以采用串口RS232方式、以太网方式或无线网络方式进行软件系统与硬件的相应连接，通讯协议均为国际通用标准。在一次连接成功后，系统自动针对软硬件自检并保存设置，在下次重新打开本系统后不用按项重新设置。 4） 数据采集 针对不同的用户操作级别，采用文本编程和点击编程两种方式将程序发送到硬件系统上。 文本编程，采用类C语言结构，几行语句就能发送较为复杂的程序，对操作人员的编程能力要求较高。 点击编程，使用简单但相对文本编程繁琐，通过鼠标按照通道号点击相应配置进行编程，这种操作方式比较容易掌握。 5） 数据显示 对采集回来的数据，本系统采用数据文本报表显示和曲线等方式来呈现给软件操作者，也可通过系统提供的功能，将所需要数据导出到EXCEL或PDF中，供用户分析和保存数据。 文本显示采用表格方式，将所有返回数据显示在同一张或不同张的表格上，同时可定义报警值。一旦产生报警，系统通过颜色的交替、发出系统报警声或发送短信给相关人员报警，客户可自定。也可针对不同的时间段，显示实时或历史报表，本系统报表拟采用水晶报表。 时间历程曲线，能简单明了的观察到数据在标定时间内的变化。针对不同的数据返回点，曲线可以定义不同的图形（星、点、叉等）和不同的颜色来加以区分，并且可以按不同的时间段来描画出历史曲线来。 6) 坝体内部变形监测    将传感器采回的数值，实时显示在模拟面板，可以形成孔内各测点的变形曲线。 7) 降雨量监测 软件采用雨量计模拟面板形象的描述当前雨量状况，实时显示当前累计雨量，上次累计雨量，档次降雨量，可以设置上次累计雨量。 8）管理权限界面 提供【操作工级】、【班长级】、【工程师级】、【管理员级】4级管理权限，权限名称用户可自定。针对不同的权限，可查看整个系统的不同部分和进行不同的操作。

6           DT尾矿库安全监测系统的先进性分析

1） 系统的质量和稳定性 本公司制造的远程监测单元（DT MCU）已取得ISO9001:2000的标准认证，并已被成功应用于国家体育馆等重大科研项目。核心部件的DT数据采集器通过国际CE认证，早已在很多岩土工程监测项目中成功应用过。测试传感器采用国内外知名企业生产的产品，精度高且性能可靠。 系统的工作温度范围宽（最高可从-45℃到70℃），使用寿命长，在恶劣的野外环境下具有很高的稳定性。 2）系统的兼容性 DT-MCU系统具有高通用性和兼容性，适合接入电压型、电流型、电阻型、热电偶、脉冲型、振弦式、卡尔逊式、数字信号等多类型传感器，还可实现MODBUS总线兼容技术。 3) 系统抗干扰性能 远程监测单元通过自身的隔离装置解决了传感器和采集系统的接地回路问题，并被设计成抗噪音。在解决接地回路和抗噪音方面达到世界领先水平。这些性能确保了在恶劣环境下采集信号的精确度。 4)  先进的远程通讯 应用GPRS/CDMA无线通讯技术来实现野外监测数据自动采集从而达到真正意义上的远程监控，通过TCP/IP网络确保了通讯数据的可靠性和实时性，这项技术体现了当今先进的远程通讯技术在岩土工程监测上的应用。 5）强大的软件功能 采用先进软件开发，功能强大、灵活方便、界面美观，不仅可完全实现尾矿库安全监测的功能要求，还可根据实际需要进行软件升级,符合今后的发展方向。