“5.12”震后碧口大壩監(jiān)測自動化系統(tǒng)恢復(fù)及改造

陳 容

（甘肅大唐碧口水力發(fā)電廠，甘肅文縣746412）

1 工程概況

碧口水電站位于甘肅省文縣碧口鎮(zhèn)上游3 km的白龍江干流上，控制流域面積26 000 km2，占全流域面積的80%。樞紐工程由壤土心墻土石混合壩、溢洪道、右岸泄洪洞、左岸泄洪洞、排沙洞和引水發(fā)電系統(tǒng)組成。大壩壩頂全長297.36 m，最大壩高101.8 m，壩基巖石為千枚巖和凝灰?guī)r，河床覆蓋層由兩道混凝土防滲墻截滲。大壩于1969年10月開工，1976年3月竣工，是當(dāng)時我國最高的土石壩。

1996年，碧口水電站開始實施大壩監(jiān)測系統(tǒng)自動化改造工作，經(jīng)2002年及2005年自動化系統(tǒng)升級改造，采用南京水文所研制的DG型分布式大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)了變形監(jiān)測、滲流監(jiān)測、危巖裂縫監(jiān)測及壩區(qū)溫度監(jiān)測等多個監(jiān)測量的自動化監(jiān)測。其中自動化變形監(jiān)測包括采用單向引張線方式的670馬道（壩下0+093.0）、691馬道（壩下0+041.8 m）的水平位移監(jiān)測、采用水平、垂直位移同時測量的雙向引張線方式的壩前10m（壩上0+010.0m）、壩下7.8 m（壩下0+007.8 m）兩個縱斷面監(jiān)測，包括大壩浸潤線三個橫向斷面測管及近壩區(qū)繞壩滲流測管滲流監(jiān)測自動化、危巖裂縫監(jiān)測及壩區(qū)溫度計等，目前已基本實現(xiàn)監(jiān)測工作的自動化。

2 大壩自動化系統(tǒng)受損情況

“5.12”地震對大壩的變形影響較大，河床段最大位移達(dá)到24.2 cm（沉降）和15.7 cm（水平位移），致使4條引張線河床段測點都超出了量程范圍（引張線儀測量范圍），引張線端點移位，線體保護(hù)管扭曲變形，傳感器扭曲變形等，引張線系統(tǒng)各測點傳感器的觀測值產(chǎn)生很大偏差，共計25個引張線測點及4個倒垂均停測，變形監(jiān)測陷入癱瘓；滲流監(jiān)測只有心墻上的HL2測壓管被地震中大壩下游壩肩上震倒的圍墻砸斷了通訊電纜，因而無法觀測；左岸危巖測縫計通訊電纜斷路無法觀測；自動化系統(tǒng)通訊總線等遭到破壞。碧口大壩自動化監(jiān)測系統(tǒng)12個MCU測量控制單元，只有3個MCU能正常觀測，缺測率達(dá)到了75%。

3 恢復(fù)改造及實現(xiàn)功能

為了更快捷、全面地了解掌握大壩的運(yùn)行情況，結(jié)合自動化系統(tǒng)在“5.12”地震中的損壞情況及大壩第三次定檢中提出的單向引張線保護(hù)管管徑偏小、雙向引張線垂直位移測值可信度不高等問題［1］，對地震造成破壞的一些觀測項目進(jìn)行修復(fù)及對原系統(tǒng)不足之處進(jìn)行改造，主要修復(fù)改造工作包括位移監(jiān)測系統(tǒng)的修復(fù)改造、滲流監(jiān)測的恢復(fù)和完善、危巖監(jiān)測的實施、有線無線通信技術(shù)的融合、防雷功能完善等工作。

3.1 壩體變形監(jiān)測方案及實現(xiàn)功能

碧口大壩引張線布置見圖1，對4條引張線保護(hù)管及測量儀器在原位置進(jìn)行重新安裝，對各引張線測點進(jìn)行修復(fù)及改造，使引張線線體位于各引張線儀器的中間測量位置，均把原來的DN110PVC塑料管保護(hù)管徑改為DN160；重新更換蓄電池及部分電源盒，更新維修部分受損儀器設(shè)備及測量模塊。

原有670 m、690 m馬道變形監(jiān)測采用單向引張線方式觀測，監(jiān)測儀器采用SWT-100型引張線儀。壩上0+010.0 m、壩下0+007.8 m的雙向引張線共布置13個測點，實現(xiàn)水平位移、垂直位移的自動化觀測，監(jiān)測儀器采用SWT-100B型雙向引張線儀。在雙向引張線左岸（活動端）安裝高精度的靜力水準(zhǔn)儀，準(zhǔn)確獲得液面高度，同時也是對雙向引張線豎向位移測量的修正和補(bǔ)充。在此認(rèn)為靜力水準(zhǔn)儀安裝處的基座沉降為零，該傳感器浮子感應(yīng)的整個雙向引張線連通管內(nèi)液面高度可認(rèn)為是液面的絕對高度。正常情況下，補(bǔ)水電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)，即儲水桶與連通管間通道是關(guān)閉的。為了盡量減小補(bǔ)水對引張線雙向位移監(jiān)測的干擾，數(shù)據(jù)采集模塊僅在每天兩個固定時間（與引張線自動測量時間錯開）判斷液面的高度是否低于已設(shè)定的補(bǔ)水液面，若低于則打開電磁閥進(jìn)行加水，若高于則維持正常工作狀態(tài)不再加水［3］。

地震前原有的雙向引張線液面系統(tǒng)是溢流狀態(tài)，雙向引張線垂直向位移測值可信度不高［1］，與大壩實際垂直位移有一定的偏差，原因如下［3］：

（1）之前的補(bǔ)水系統(tǒng)很難做到每天的補(bǔ)水量與每天的蒸發(fā)量一致，因此讓引張線連通管內(nèi)液面處于循環(huán)溢流狀態(tài)，水面產(chǎn)生波動，連通管內(nèi)的液面高度不一致導(dǎo)致引張線測值Y與壩體實際變化量不一致。改造后每天最多補(bǔ)水兩次，且補(bǔ)水時間與引張線測量時間是錯開的，水面也不存在溢流狀態(tài)，可認(rèn)為不產(chǎn)生波動，液面是靜止的。

（2）之前補(bǔ)水系統(tǒng)補(bǔ)水桶內(nèi)水多，補(bǔ)水速度就快，引張線內(nèi)水體的比降就大；補(bǔ)水桶內(nèi)水少，補(bǔ)水速度就慢，引張線內(nèi)水體的比降就小，即連通管內(nèi)水體比降不恒定［2］，這也會產(chǎn)生誤差。改造后連通管內(nèi)液面可認(rèn)為是靜止的，即不存在比降不恒定問題。

圖1 壩頂引張線布置Fig.1 Arrangement of wire-alignment on dam crest

（3）壩上游10 m雙向引張線長度為296 m、壩后7.8 m雙向引張線長度為292 m，之前補(bǔ)水系統(tǒng)一端進(jìn)水，水流不斷在水桶附近的引張線連通管內(nèi)循環(huán)，不能及時流到另一端，另一端在實際中很可能保持平衡，這導(dǎo)致整個連通管內(nèi)液面高度不是很一致，這也產(chǎn)生誤差。

改造后通過靜力水準(zhǔn)儀監(jiān)測液面變化，可認(rèn)為液面幾乎是靜止不動的，同時通過靜力水準(zhǔn)儀精確地監(jiān)測液面高度，對雙向引張線Y方向測值進(jìn)行補(bǔ)充修正。采用人工比測方法，即將靜力水準(zhǔn)儀測值修正過的壩體豎向位移成果與在相同時間內(nèi)人工實測成果進(jìn)行比較，改造前其自動化測值與人工測值最大偏差達(dá)0.64 mm，改造后其測值與人工測值最大偏差0.16 mm。因此，改造后雙向引張線能更準(zhǔn)確地反映大壩的實際運(yùn)行狀況。

3.2 滲流監(jiān)測方案及實現(xiàn)功能

壩殼滲流與左右岸繞壩滲流測孔布置見圖2，為完善大壩滲流監(jiān)測項目，在原有測點的基礎(chǔ)上，新增加右岸繞壩滲流（4個繞滲孔：Z134、Z133、Z137、Z110）、730公路繞壩滲流（5個繞滲孔：Z7、Z9、Z101、Z102、Z19）、左岸650下繞壩滲流（2個繞滲孔：Z130、Z129）測壓管自動化，通訊采用GSM短信方式。比測標(biāo)定原有滲壓計，修正儀器漂移值；更換壩坡測壓管F3、F8、Z135、Z136四支滲壓計；改造原有滲流監(jiān)測線路走線，使線路落地、鋼管保護(hù)，壩面走線美觀。

新增儀器采用美國基康北京公司生產(chǎn)的BGK-4500S-100PSI型鋼弦式滲壓計；通訊采用GSM短信方式，在中心站和MCU房內(nèi)各放置Saro310 GSM工業(yè)modem一個，提供RS232標(biāo)準(zhǔn)接口，直接與用戶設(shè)備連接，實現(xiàn)短消息收發(fā)功能。

GSM通信方式與RS-485通信比較，其優(yōu)點為：

（1）遠(yuǎn)程應(yīng)用，左右岸繞壩滲流測管與中心站距離較遠(yuǎn)，再者這之間有交通公路且所處地勢不便于架設(shè)信號線。

（2）抗干擾能力強(qiáng)，由于GSM短信的數(shù)據(jù)是以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送，傳輸過程中丟碼的情況很少發(fā)生，只要短信息能夠順利被接收，基本上內(nèi)容的真實性可以保證，數(shù)據(jù)的有效性也可以被認(rèn)可。

圖2 壩殼及左右岸繞壩滲流測孔布置Fig.2 Arrangement of monitoring holes for by-pass seepage at dam shell and on left and right bank

（3）防雷性較好，在短距離通信應(yīng)用上由于采用無線技術(shù)，相對于有線通信方式在避免雷擊方面有其優(yōu)勢，如果在安裝現(xiàn)場安裝避雷針、做好接地及設(shè)備安裝于室內(nèi)將使得防雷效果更好，類似于普通手機(jī)的雷雨天應(yīng)用環(huán)境和條件。

3.3 危巖監(jiān)測方案及實現(xiàn)功能

為了更好地監(jiān)測危巖的安全狀況，對危巖部分的傳感器線路進(jìn)行徹底改造，為保證改造后系統(tǒng)的防雷、通訊等性能的提高，儀器電纜采用地埋結(jié)合穿鋼管保護(hù)，以徹底消除傳感器線路上雷電及其他干擾和破壞的影響，同時檢查不能正常工作儀器的損壞原因，對非儀器故障的進(jìn)行修復(fù)。

新增8支JM-100電位器式測縫計。由于危巖與中心站距離較遠(yuǎn)，不易架設(shè)有線信號線，故通信方式與滲流測管相同，利用現(xiàn)有的MCU-1M型測控裝置，在MCU房內(nèi)放置Saro310 GSM工業(yè)modem一個，利用GSM通信方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳至中控室，在此不做闡述。

2009年10月20日0 時42分，四川北川、平武交界處發(fā)生4.9級地震，大壩左岸邊坡發(fā)生巖石坍塌，塌落巖體正好位于調(diào)壓井上游側(cè)安裝危巖裂縫監(jiān)測儀器處，損毀4支危巖測縫計，使得12號MCU箱停測。

3.4 系統(tǒng)防雷方案及實現(xiàn)功能

碧口大壩地勢空曠，自動化系統(tǒng)使用了大量表面敷設(shè)的電源電纜、通訊電纜及傳感器的信號電纜，分布范圍廣、傳輸距離長，易遭受雷擊破壞，尤其是感應(yīng)雷擊的破壞較為嚴(yán)重。1994年系統(tǒng)設(shè)計時限于當(dāng)時防雷技術(shù)條件，導(dǎo)致夏季在樞紐附近發(fā)生雷擊時，電纜上產(chǎn)生很強(qiáng)的感應(yīng)電壓，時常對設(shè)備及監(jiān)測系統(tǒng)造成一定破壞。

根據(jù)多年運(yùn)行經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，一般雷電多從電源電纜、通訊電纜和各種傳感器電纜侵入系統(tǒng)，造成系統(tǒng)設(shè)備損壞，所以如何減少感應(yīng)過電壓對監(jiān)測系統(tǒng)中連接在電源電纜、通訊電纜和各種傳感器電纜另一端的設(shè)備造成的破壞，是監(jiān)測系統(tǒng)防雷抗雷的關(guān)鍵所在。

接地、屏蔽和濾波是防止雷擊的三種主要方法。根據(jù)雷電的特點和耦合途徑的多樣性，為了達(dá)到較好的效果，結(jié)合碧口雷擊特征，進(jìn)行如下防雷系統(tǒng)升級改造。

（1）對供電系統(tǒng)進(jìn)行防雷升級改造。在監(jiān)控機(jī)房內(nèi)電源入口設(shè)置不間斷電源（UPS）、隔離變壓器，在測控裝置供電處設(shè)置隔離變壓器、電源穩(wěn)壓器、電源防雷器，防止電纜上感應(yīng)的雷電對中心機(jī)房和測控裝置造成供電破壞；對所有供電電纜進(jìn)行開挖埋設(shè)，并用鋼管保護(hù)，鋼管與碧口電廠設(shè)置的防雷網(wǎng)聯(lián)接，形成自動化系統(tǒng)防雷網(wǎng)。

（2）對通訊系統(tǒng)進(jìn)行了改造。碧口大壩自動化系統(tǒng)原有通信線路多處采用架空鋪設(shè)，極易遭受雷擊破壞。本次改造將所有架空鋪設(shè)通信線路均開挖埋設(shè)，并利用鋼管保護(hù)，在通信線路兩端設(shè)置通信防雷器，形成防雷網(wǎng)，同時取消架空線路也利于電廠美觀和為電廠線路綜合布局打下基礎(chǔ)。

（3）對傳感器線路進(jìn)行改造。所有傳感器電纜均采用屏蔽電纜聯(lián)接，將屏蔽線接入接地網(wǎng)，將感應(yīng)雷電引入地下；同時所有傳感器進(jìn)入測控裝置處均安裝防雷通道板，將傳感器與測控裝置間隔離，防止雷電對測控裝置造成破壞。

（4）對防雷接地進(jìn)行全面檢查，檢查所有通訊電纜、電源電纜、傳感器電纜保護(hù)管的接地及連接情況，發(fā)現(xiàn)不符合要求的，重新對其進(jìn)行了焊接處理，并統(tǒng)一接入樞紐接地網(wǎng)。檢查所有避雷器的接地情況，發(fā)現(xiàn)不符合要求的，重新對其進(jìn)行處理。

本次三級防雷措施保證了系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，特別是在測量模塊和信號線路之間增加防雷通道板，雷電通過傳感器的信號電纜傳輸，防雷模塊在此起到一個隔斷的作用，對測量模塊起到保護(hù)作用。2009年9月9日在強(qiáng)雷電天氣下，系統(tǒng)經(jīng)受了考驗，運(yùn)行正常。

4 系統(tǒng)運(yùn)行情況

4.1 自動化故障點及故障率

大壩自動化監(jiān)測儀器共77支（臺），2010年故障點數(shù)28個，故障率為2.0%。其中故障主要是2010年“9.20”強(qiáng)雷雨使得廠房后高邊坡滑塌導(dǎo)致MCU13電源線被砸斷及壩上游10 m雙向引張線液面監(jiān)控系統(tǒng)的電磁閥故障，由于各種原因，該系統(tǒng)經(jīng)一個月時間才恢復(fù)，導(dǎo)致故障率略偏大。從長期穩(wěn)定性來講，大壩自動化監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行良好，觀測精度得到提高，能實時監(jiān)測大壩運(yùn)行情況，同時大大減小了人工強(qiáng)度。

4.2 人工比測分析

采用人工比測方法，對測點在相同時間內(nèi)自動化與人工測值進(jìn)行比較分析。除了壩上游10 m雙向引張線液面監(jiān)控系統(tǒng)的電磁閥故障，導(dǎo)致一段時間該引張線豎向測值與人工測值吻合不是很好外，更換電磁閥后，所有自動化測值過程線與人工監(jiān)測成果吻合。如圖3所示，個別測值存在一定的起伏，主要是測量儀器精度低和換人操作儀器引起的偶然誤差。總體來講，自動化成果與人工觀測成果變化趨勢一致，能準(zhǔn)確及時反映大壩的運(yùn)行工況。

4.3 自動化儀器穩(wěn)定性分析

自動化儀器穩(wěn)定性實驗主要通過短時間內(nèi)的重復(fù)性測試，根據(jù)測量結(jié)果的中誤差來確定儀器穩(wěn)定性。根據(jù)大壩結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特點，短時間內(nèi)水庫水位、溫度等環(huán)境量變化不大，則引張線的測值也應(yīng)基本不變。通過自動化系統(tǒng)在短時間內(nèi)連續(xù)測讀10次，由10次讀數(shù)計算標(biāo)準(zhǔn)偏差，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差確定引張線儀重復(fù)讀數(shù)精度及測值穩(wěn)定性。

引張線儀連續(xù)測量10次，測值變化量很小，根據(jù)10次測量結(jié)果，中誤差均在0.1 mm以內(nèi)，說明儀器水平、垂直方向（注：雙向引張線）測值穩(wěn)定性均可以滿足要求。

滲壓計分別連續(xù)測量10次，根據(jù)10次測量結(jié)果，水位中誤差均在0.1 m內(nèi)，最大值偏差在0.12 m內(nèi)，說明滲壓計水位測量穩(wěn)定。

碧口大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)改造后近兩年的運(yùn)行，其監(jiān)測數(shù)據(jù)與人工測值吻合較好，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)可靠，且特點顯著，運(yùn)行管理方便。

5 存在問題及建議

（1）壩上游10 m雙向引張線測點處水箱高程不是很一致，導(dǎo)致盒子里的水深不一致，有可能導(dǎo)致連通管內(nèi)的水從較低處往外溢流，因此，在安裝引張線連通管時盡量使各測點箱保持在同一高度，使連通管內(nèi)的水不外流。

（2）采用高精度靜力水準(zhǔn)儀來監(jiān)測雙向引張線連通管內(nèi)液面高度，對引張線豎向位移進(jìn)行修正和補(bǔ)充，造價較高。運(yùn)行單位和設(shè)計研究單位可進(jìn)一步分析水流形態(tài)，通過實驗尋求新的造價低的解決辦法，共同提高監(jiān)測儀器的適用性。

（3）部分繞壩滲流觀測設(shè)施新接入自動化系統(tǒng)，采用GSM短信通訊優(yōu)點較多，但GSM通信方式與RS-485通信比較，前者沒有后者穩(wěn)定，具體原因及解決辦法有待運(yùn)行單位和設(shè)計研究單位進(jìn)一步探討。

[1]大唐碧口水力發(fā)電廠第三次安全定檢報告[R].西安理工大學(xué)水電學(xué)院,碧口水力發(fā)電廠，2007.

[2]趙振興,何建京.水力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社,2005.

[3]陳容,強(qiáng)永興.靜力水準(zhǔn)儀在碧口水電站的應(yīng)用[J].西北水電,2011（1）:17-20.