湖南鎮(zhèn)大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)自動化改造

施永新

（浙江華電烏溪江水力發(fā)電廠，浙江衢州324000）

0 概述

0.1 工程概況

湖南鎮(zhèn)水電站位于浙江省西南部的衢州市衢江區(qū)境內(nèi)，是烏溪江流域兩級開發(fā)的第一級電站，距下游黃壇口水電站約29 km。工程以發(fā)電為主，兼有防洪、灌溉、航運等綜合利用效益。壩址以上控制流域面積2151 km2。水庫正常蓄水位230 m，相應(yīng)庫容15.82億m3；重現(xiàn)期1000年設(shè)計洪水位238.0 m；重現(xiàn)期10000年校核洪水位240.25 m，校核洪水位以下總庫容20.6億m3；死水位190 m，死庫容4.48億m3；有效庫容11.34億m3，庫容系數(shù)43.2%，具有不完全多年調(diào)節(jié)能力。電站共安裝5臺發(fā)電機組，目前總裝機容量為320 MW。

樞紐主要由攔河壩、輸水系統(tǒng)、岸坡式廠房、壩后式廠房及開關(guān)站等建筑物組成。其攔河壩為混凝土重力式梯形支墩壩，壩頂高程242 m，最大壩高129 m。壩頂全長440 m，由23個壩段組成，除兩岸壩頭外，壩段寬度均為20 m。其中，0～6號壩段為左岸擋水段，13～22號壩段為右岸擋水段，7～12號壩段為河床溢流段（其中7號、12號為半邊擋水半邊溢流壩段），設(shè)有5孔壩頂溢洪道和4個深式泄水孔。1979年1月下閘蓄水，1983年12月底竣工驗收。

0.2 大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)自動化改造的必要性

湖南鎮(zhèn)大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)始建于1980年代初，包括壩頂位移監(jiān)測、167 m高程壩體位移監(jiān)測、130 m高程壩體沉陷監(jiān)測、左岸邊坡變形監(jiān)測、垂線監(jiān)測、接縫與裂縫監(jiān)測、12壩段基礎(chǔ)變位監(jiān)測、壩體應(yīng)力、應(yīng)變及溫度監(jiān)測、水質(zhì)取樣及分析、揚壓力及滲流量監(jiān)測、繞壩滲流監(jiān)測、氣溫、庫水溫、水位等環(huán)境量監(jiān)測以及巡回檢查等項目。該系統(tǒng)較為完整全面，多年來為大壩安全運行、了解整體結(jié)構(gòu)性態(tài)及其變化規(guī)律提供了可靠的數(shù)據(jù)。但由于該大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)建立在幾十年前的監(jiān)測技術(shù)水平上，以人工觀測為主，如此多的監(jiān)測項目，上千個測點，分散在壩頂、廊道、兩岸及邊坡，觀測工作量大、觀測條件差、觀測周期長，部分設(shè)施老化，精度相對較差。此外，在遇到大壩性態(tài)異?；蚝樗?、地震等異常情況時，不能實施動態(tài)監(jiān)測。為了能做到實時采集和處理觀測數(shù)據(jù)，了解大壩工作性態(tài)，節(jié)省人力，減輕工作強度，必須實現(xiàn)湖南鎮(zhèn)大壩安全監(jiān)測自動化，這是加強大壩安全管理、保證安全運行的有效措施。

1 自動化改造原則

根據(jù)湖南鎮(zhèn)大壩的實際情況以及當時國內(nèi)外大壩安全監(jiān)測自動化技術(shù)水平，提出湖南鎮(zhèn)大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)自動化改造必須遵循以下原則：

（1）總體規(guī)劃，分期分批逐步實施。根據(jù)監(jiān)測項目的重要程度、監(jiān)測自動化技術(shù)的成熟度以及實施的可操作性對系統(tǒng)改造進行總體規(guī)劃，在此基礎(chǔ)上分期逐步實施。從技術(shù)進步角度要求系統(tǒng)便于擴展、便于更新。

（2）實用性。從湖南鎮(zhèn)大壩實際出發(fā)，以滿足大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)處理、綜合信息管理、關(guān)鍵測點評判的需要來進行系統(tǒng)功能設(shè)計。

（3）先進性。通過高性能的計算機網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，采用先進的數(shù)據(jù)庫管理軟件、開發(fā)軟件、圖形處理軟件及數(shù)據(jù)處理方法來實現(xiàn)系統(tǒng)功能。

（4）穩(wěn)定性。要求系統(tǒng)在惡劣的環(huán)境下能夠長期穩(wěn)定地運行，具有完善的數(shù)據(jù)備份功能，能夠方便地對重要的數(shù)據(jù)進行備份和恢復；實現(xiàn)監(jiān)測自動化時，還應(yīng)設(shè)置人工監(jiān)測手段，以便定期校測，并保證當自動化系統(tǒng)發(fā)生故障時，能測得人工監(jiān)測數(shù)據(jù)，以保證資料的連續(xù)性。

（5）安全性。要求系統(tǒng)具有完善的安全保密、安全控制和安全管理功能，防止非法用戶對數(shù)據(jù)進行操作。

（6）實時性。將自動化監(jiān)測的數(shù)據(jù)和人工監(jiān)測數(shù)據(jù)及時導入到系統(tǒng)，實時對各種數(shù)據(jù)進行分析處理，監(jiān)控大壩的運行工作性態(tài)。

（7）可擴展性。系統(tǒng)應(yīng)具有較強的可擴展性，提供良好的接口，能夠方便地添加功能模塊。

（8）規(guī)范性。系統(tǒng)改造必須嚴格遵守DL/T 5178-2003《混凝土壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》、DL/T5211-2005《大壩安全監(jiān)測自動化技術(shù)規(guī)范》、SL268-2001《大壩安全自動化監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備基本技術(shù)條件》、《水電站大壩安全管理規(guī)定》（電監(jiān)會3號令）等規(guī)程規(guī)范的相關(guān)要求。

2 自動化改造的實施

根據(jù)上述原則，電廠委托華東勘測設(shè)計研究院對湖南鎮(zhèn)大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)自動化改造進行了規(guī)劃設(shè)計，并逐步開始實施。目前已完成湖南鎮(zhèn)大壩167 m高程變形監(jiān)測系統(tǒng)、壩體水平位移（垂線）監(jiān)測系統(tǒng)、壩基揚壓力和滲流量監(jiān)測系統(tǒng)、壩體接縫監(jiān)測系統(tǒng)、繞壩滲流監(jiān)測系統(tǒng)以及環(huán)境量監(jiān)測的自動化改造，同時也完成了大壩安全信息管理系統(tǒng)的開發(fā)建設(shè)。

2.1 高程167 m變形監(jiān)測系統(tǒng)改造

湖南鎮(zhèn)大壩167 m高程變形監(jiān)測包括水平和垂直位移監(jiān)測，分別采用引張線法和精密水準法進行人工觀測。2000年8月采用真空激光準直測量技術(shù)對其進行改造，于2001年4月投入正式試運行。系統(tǒng)由一套真空激光準直位移測量裝置和兩個端點的位移校核設(shè)備組成。真空激光準直距離全長255.466 m。激光發(fā)射端位于左側(cè)的2號壩段觀測房內(nèi)，接收端和真空泵位于右側(cè)的15號壩段觀測房，中間共設(shè)12個測點。2號壩段激光發(fā)射端的位移原采用三向倒垂進行觀測；15號壩段接收端的位移只有水平方向采用二向倒垂實現(xiàn)了自動化觀測，垂直方向仍用人工觀測。采用的設(shè)備是南京南瑞集團公司生產(chǎn)的ZJG型真空激光準直測量系統(tǒng)和電容式垂線坐標儀。

2002年7月16日該系統(tǒng)通過了驗收，從試運行情況看，真空激光系統(tǒng)以及兩端點垂線坐標儀水平方向位移測值穩(wěn)定可靠、精度高、可靠性好，各項指標均達到了技術(shù)設(shè)計要求。但2號壩段三向倒垂的垂直方向位移測值存在問題。

考慮到真空激光系統(tǒng)本身運行情況良好，但兩端點位移校核垂直方向不完善的現(xiàn)狀，決定采用雙金屬管標技術(shù)對系統(tǒng)進行完善化改造。改造工作從2004年10月開始，每端點鉆孔一只，深40 m?？變?nèi)安裝直徑50 mm的鋼管和鋁管各一根。2005年3月完成整個完善化改造工作。完善化改造后，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠、故障率低、測值精度高，達到了技術(shù)設(shè)計要求。

2.2 大壩水平位移（垂線）監(jiān)測系統(tǒng)改造

2003～2004年對湖南鎮(zhèn)大壩水平位移（垂線）監(jiān)測系統(tǒng)進行自動化改造。改造后整個系統(tǒng)包括4條倒垂和4條正垂，每條倒垂設(shè)1個測點，每條正垂設(shè)2個測點，共12測點。現(xiàn)場共安裝12臺LN2002A雙向CCD智能型全數(shù)字垂線遙測坐標儀。通訊總線與布置在電梯井觀測房的“無人值守”工控機相聯(lián)。工控機通過光纖與設(shè)在觀測班內(nèi)的管理主機相聯(lián)。

系統(tǒng)于2004年底改造完成。在運行過程中，由于傳感器所處環(huán)境條件較差，雨天有滴水，春夏比較潮濕等，偶有無法正常測讀現(xiàn)象發(fā)生。為此，在傳感器旁加裝了一個加熱器，基本解決了上述問題。目前系統(tǒng)運行較為穩(wěn)定，各項指標能夠滿足規(guī)范要求。

2.3 壩基揚壓力和滲流量監(jiān)測系統(tǒng)改造

2005～2006年對大壩揚壓力及滲流量監(jiān)測系統(tǒng)進行改造，包括54只揚壓力孔和4只量水堰。揚壓力觀測傳感器選用加拿大RST公司生產(chǎn)的VW2100A型鋼弦式滲壓計，量程0.35 MPa的46支，量程0.7 MPa的7支，量程1.0 MPa的1支。滲漏量觀測傳感器選用基康公司生產(chǎn)的GK4675型鋼弦式滲壓計，量程300 mm。上述每支傳感器均將電纜接至設(shè)在7號和14號壩段的MCU，由MCU引出網(wǎng)絡(luò)線，就近接入已建成的原自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，統(tǒng)一由監(jiān)測中心計算機管理，并在原測控管理軟件上增加相應(yīng)功能模塊。

系統(tǒng)于2006年4月安裝調(diào)試完畢。從運行情況看，揚壓力監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測成果基本能夠滿足規(guī)范要求；量水堰的堰上水頭測值誤差也不大，但將其轉(zhuǎn)換成流量成果時，誤差就比較大了，究其原因主要是這幾個量水堰的滲流量只有幾十到幾百毫升每秒，流量比較小，不太適合用三角堰法進行測量。同時運行過程中也出現(xiàn)過因雷擊而使系統(tǒng)通訊模塊被擊穿的情況，為此對系統(tǒng)走線及防雷功能進行了完善。目前系統(tǒng)運行正常。

2.4 大壩安全信息管理系統(tǒng)開發(fā)

2006年委托國家電力監(jiān)管委員會大壩安全監(jiān)察中心開發(fā)了大壩安全信息管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括大壩安全信息管理、監(jiān)測系統(tǒng)信息管理、安全監(jiān)測信息管理、水工管理信息管理等主要內(nèi)容。大壩安全信息管理包括工程建設(shè)信息資料管理、工程運行及維修加固資料管理、大壩安全檢查資料管理、大壩安全注冊信息管理、險情預計及應(yīng)急方案管理、工程其他安全資料管理、觀測資料分析成果管理等功能；監(jiān)測系統(tǒng)信息管理包括監(jiān)測項目、儀器分布等基本信息管理，測點、儀器特性等參數(shù)管理，測點、儀器等完好率統(tǒng)計管理，監(jiān)測系統(tǒng)運行記錄資料管理，監(jiān)測系統(tǒng)改造資料管理，監(jiān)測自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集缺失率統(tǒng)計，系統(tǒng)人工比測指標統(tǒng)計等功能；安全監(jiān)測信息管理包括在線監(jiān)控，數(shù)據(jù)集成與輸入，數(shù)據(jù)計算與處理，監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計與查詢，監(jiān)測數(shù)據(jù)輸出和報表、圖表制作，離線綜合分析等功能；水工管理信息管理包括有關(guān)大壩安全的法律法規(guī)、技術(shù)規(guī)范等查詢，水工管理相關(guān)崗位職責、規(guī)章制度查詢等功能。同時系統(tǒng)還具有監(jiān)測數(shù)據(jù)自動上報功能。

2007年系統(tǒng)完成開發(fā)。從使用情況看，系統(tǒng)功能完備，運行穩(wěn)定，大大提高了電廠大壩安全管理的效率和信息化、自動化水平。

2.5 壩體接縫和環(huán)境量監(jiān)測系統(tǒng)改造

2007～2008年，對湖南鎮(zhèn)大壩壩體接縫監(jiān)測系統(tǒng)進行了改造，包括28副三向測縫計和5支單向測縫計。選用的是西安聯(lián)能生產(chǎn)的LN-J-12差動電阻式測縫計，量程12 mm。上述每支傳感器均將電纜接至現(xiàn)場的MCU，由MCU引出網(wǎng)絡(luò)線，就近接入已建成的原自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，統(tǒng)一由監(jiān)測中心計算機管理，并在原測控管理軟件上增加相應(yīng)功能模塊。

同時安裝了壩下游水位計（VW2100LV型）1支、壩頂氣溫觀測溫度計（LN-T型）1支，實現(xiàn)了環(huán)境量監(jiān)測的自動化。

上述系統(tǒng)于2008年12月初完成安裝調(diào)試，至今未出現(xiàn)過任何故障，測值穩(wěn)定、精度高、規(guī)律性強，完全滿足有關(guān)規(guī)范要求。

2.6 繞壩滲流監(jiān)測系統(tǒng)自動化改造

2009年對繞壩滲流監(jiān)測系統(tǒng)進行了自動化改造，共20只繞滲觀測孔。傳感器選用加拿大RST公司生產(chǎn)的VW2100A型鋼弦式滲壓計，量程根據(jù)孔內(nèi)水位變幅分別選用0.35 MPa、0.7 MPa和1.0 MPa。由于測孔分布于大壩兩側(cè)邊坡，對繞壩滲流各孔口到大壩的信號線采用PVC管進行防護，進入壩體之前的30 m則采用鍍鋅鋼管進行保護。同時為加強系統(tǒng)的防雷，采取下述措施：儀器信號線的防雷，在大壩廊道口加裝“繼電器”，在系統(tǒng)不工作時，繼電器斷開以免雷擊；信號線接入數(shù)據(jù)采集裝置（MCU）前，加裝防雷用戶板防止系統(tǒng)工作時遭受雷擊。

系統(tǒng)投入運行后，工作正常穩(wěn)定，沒有發(fā)生過影響整個系統(tǒng)運行的故障，測值精度、缺測率等指標均符合規(guī)定要求。

3 結(jié)論和體會

經(jīng)過多年努力，湖南鎮(zhèn)大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)中比較重要、技術(shù)條件成熟、現(xiàn)場具備實施條件的項目均已完成了自動化改造。期間也遇到過一些問題，但通過不斷完善改進，問題基本得到了解決。從目前情況看，整個系統(tǒng)運行狀況良好，系統(tǒng)平均無故障工作時間、儀器故障率、數(shù)據(jù)缺失率、測值精度等指標以及系統(tǒng)功能等均能夠滿足規(guī)范和設(shè)計文件要求。自動化系統(tǒng)的投運，提高了監(jiān)測工作的及時性和準確度，增強了資料整編、分析、上報等信息處理工作的自動化程度，節(jié)約了人力，提升了大壩安全管理的能力和水平，達到了改造的預期效果。由于現(xiàn)場條件制約，目前湖南鎮(zhèn)大壩還有壩頂變形、高程130 m垂直位移等監(jiān)測項目未完成自動化改造。對此，將密切關(guān)注業(yè)界的技術(shù)進步狀況，在條件成熟時及時進行改造。

在改造過程中，也深切地體會到要實施好大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)自動化改造工作，必須高度重視以下幾個方面：

（1）整體規(guī)劃，統(tǒng)一平臺。大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的設(shè)備類型繁多，傳感器的工作原理和適用條件千差萬別，再加上工程條件各不相同，因此，在實施前最好委托具有較強綜合技術(shù)能力的設(shè)計單位對系統(tǒng)進行整體的規(guī)劃，在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，做出先進合理的設(shè)計，以保證具體實施的順利進行。如系統(tǒng)比較大，需要分期分項逐步實施，那么最好能夠選擇統(tǒng)一的管理和網(wǎng)絡(luò)平臺，或委托有實力的單位統(tǒng)一進行系統(tǒng)集成，以方便后續(xù)的系統(tǒng)管理。

（2）選擇技術(shù)成熟、適合自身實際的方法和傳感器。如湖南鎮(zhèn)大壩高程167 m變形監(jiān)測系統(tǒng)自動化改造時，2號壩段激光發(fā)射端的位移原采用的是三向倒垂進行觀測，由于存在銦鋼絲徐變的影響，該技術(shù)并不成熟，因此投運后未能取得理想的效果；湖南鎮(zhèn)大壩量水堰的改造也出現(xiàn)了類似的情況。當然，對于某些少量的、試驗性質(zhì)的情況，也未嘗不可。

（3）高度關(guān)注系統(tǒng)的防雷問題。大壩一般都位于山區(qū)，雷電多發(fā)，系統(tǒng)由于遭受雷擊而癱瘓的現(xiàn)象時有發(fā)生，湖南鎮(zhèn)大壩也曾碰到過此情況。對此要高度重視，系統(tǒng)設(shè)計時根據(jù)工程特點選擇有效的防雷措施，同時實施中要嚴格保證防雷工程的施工質(zhì)量。

（4）適當改善現(xiàn)場環(huán)境。大壩的現(xiàn)場環(huán)境條件一般都比較差，尤其是年代比較久遠的大壩，雖然現(xiàn)在的大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)設(shè)備對環(huán)境條件的要求不高，但環(huán)境因素對系統(tǒng)設(shè)備的可靠穩(wěn)定運行和使用壽命肯定是有影響的。因此在條件許可的情況下，適當改善一下現(xiàn)場環(huán)境也是必要的?！?/p>