滿拉水利樞紐工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)改造設(shè)計

楊 軍，阿旺次仁

（西藏滿拉水利樞紐管理局，西藏自治區(qū) 江孜857400）

1 工程概況

滿拉水利樞紐工程位于西藏自治區(qū)日喀則地區(qū)江孜縣龍馬鄉(xiāng)境內(nèi)的年楚河支流龍馬河上，下游距江孜縣城28 km，距日喀則市118 km。

滿拉水利樞紐工程是年楚河流域農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)的骨干工程，具有以灌溉、發(fā)電為主，兼有防洪、旅游等綜合效益的水利工程。其永久建筑物主要由大壩、泄洪洞、引水隧洞及地面式發(fā)電廠房等四部分組成。工程規(guī)模為大（2）型、等別為二等，大壩及泄洪洞為Ⅱ級建筑物，引水隧洞及廠房為Ⅳ級建筑物。大壩為粘土心墻堆石壩，壩頂高程為4261.3 m，壩頂寬10 m，長287 m，最大壩高76.3 m。

2 工程安全監(jiān)測現(xiàn)狀

為了保證樞紐的安全運行，設(shè)計并安裝一定數(shù)量的監(jiān)測儀器設(shè)備，對樞紐的運行情況和工作性態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。滿拉水利樞紐工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)于2001年5月投入試運行，按其所屬工程建筑物及功能劃分主要為：1）大壩安全監(jiān)測；2）引水系統(tǒng)安全監(jiān)測；3）樞紐外部變形安全監(jiān)測；4）工程安全監(jiān)測自動化。

滿拉水利樞紐工程大壩的地震設(shè)防烈度為8度，屬地震高烈度區(qū)。強(qiáng)震監(jiān)測系統(tǒng)主要由4套強(qiáng)震測點、1臺強(qiáng)震采集儀及1臺強(qiáng)震采集工作站組成。通過現(xiàn)場調(diào)查，結(jié)合管理人員描述及有關(guān)資料確認(rèn)，兩套系統(tǒng)自2004年以來就已經(jīng)出現(xiàn)一定的故障率，到2013年4月22日現(xiàn)場測試，基本處于癱瘓狀態(tài)。通過于2013年4月22至24日現(xiàn)場實地檢測發(fā)現(xiàn)，DAU均已不同程度損壞，有電源系統(tǒng)及主模塊受雷擊損壞，也有部分設(shè)備電路老化嚴(yán)重，主板受潮濕及電解液的浸泡已銹爛。負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集及強(qiáng)震采集的2臺工作站也無法使用，強(qiáng)震采集儀也無法工作。

3 改造的必要性及設(shè)計原則

3.1 必要性

由于滿拉大壩建造在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、巖土特性不均勻的地基上，在各種力的作用和自然因素的影響下，其工作性態(tài)和安全狀況隨時都在變化。加上受大壩開工時的設(shè)計水平、施工質(zhì)量、建筑材料及配套安全監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)水平與使用壽命的影響，如果大壩的工作性態(tài)出現(xiàn)異常，而現(xiàn)場技術(shù)人員卻不能及時掌握而任險情發(fā)展，其后果不堪設(shè)想。

西藏所在的喜馬拉雅山脈形成歷史較晚，構(gòu)造較年輕，加上正處于歐亞大陸板塊與印度板塊碰撞的前沿地帶，這些因素導(dǎo)致西藏成為中國大陸地震頻度最高、強(qiáng)度最大的省份。2011年9月18日鄰近的亞東就發(fā)生了6.8級地震。為此，對現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行升級改造，建立一套可靠先進(jìn)的工程安全監(jiān)控系統(tǒng)，對于實時監(jiān)控樞紐的安全運行，具有重大意義。

3.2 設(shè)計原則

1）系統(tǒng)的可靠性，可靠性指標(biāo)要求滿足下列要求：系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集裝置的平均無故障時間（MTBF）不小于6 300 h；監(jiān)測系統(tǒng)自動采集數(shù)據(jù)的缺失率應(yīng)不大于3%；自動采集的數(shù)據(jù)其準(zhǔn)確度應(yīng)滿足SL551，SL268等規(guī)程規(guī)范要求。

2）系統(tǒng)的先進(jìn)性，充分利用當(dāng)前監(jiān)測儀器設(shè)備、計算機(jī)、自動化和通訊控制的先進(jìn)軟、硬件技術(shù)。

3）充分了解樞紐工程實際，確定需要改造的監(jiān)測項目，同時充分考慮利用現(xiàn)有的儀器及設(shè)備，達(dá)到節(jié)省投資、經(jīng)濟(jì)實用的目標(biāo)。

3.3 改造項目的確定

根據(jù)現(xiàn)場實地調(diào)研安全監(jiān)測設(shè)施現(xiàn)狀及存在的問題，確定此次安全監(jiān)測改造的重點為大壩安全監(jiān)測及工程安全監(jiān)測自動化，具體改造的監(jiān)測項目有：1）大壩壩體內(nèi)部位移；2）大壩滲流；3）大壩強(qiáng)震；4）庫區(qū)環(huán)境量；5）工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)。庫區(qū)環(huán)境量監(jiān)測項目為新增項目，其余監(jiān)測項目均為升級改造項目。

4 系統(tǒng)改造設(shè)計

4.1 大壩壩體內(nèi)部變形監(jiān)測

為監(jiān)測大壩壩體的內(nèi)部位移，選擇樁號0+150.00 m，在壩軸線下游側(cè)，距壩軸線7 m處，布設(shè)1條測斜管，監(jiān)測粘土心墻內(nèi)部分層水平位移分布的大小與分布規(guī)律。人工監(jiān)測采用活動測斜儀，自動監(jiān)測采用在測斜管內(nèi)安裝固定測斜儀的方式實現(xiàn)，固定測斜儀間距6 m，共安裝13臺。

4.2 大壩滲流監(jiān)測

1）壩體浸潤線監(jiān)測

為了解壩體內(nèi)浸潤線的位置變化，掌握壩體在運行期的滲流情況，在壩體內(nèi)設(shè)測壓管進(jìn)行浸潤線監(jiān)測。沿壩軸線選擇2個監(jiān)測斷面，樁號為：0+088.00 m，0+146.00 m，每個監(jiān)測斷面布設(shè)2個測壓管，分別布設(shè)在壩軸線上游側(cè)距壩軸線1 m和壩軸線下游側(cè)、距壩軸線7 m處。人工監(jiān)測采用平尺水位計，自動監(jiān)測采用測壓管內(nèi)放置滲壓計，共布設(shè)4個測壓管和6支滲壓計。

2）繞壩滲流和滲流量自動化監(jiān)測

滿拉水利樞紐工程繞壩滲流和滲流量監(jiān)測布設(shè)12個測壓孔，為實現(xiàn)自動監(jiān)測，在孔內(nèi)安裝滲壓計，共12支。

4.3 大壩強(qiáng)震監(jiān)測

滿拉水利樞紐工程大壩在原址重新布設(shè)強(qiáng)震監(jiān)測臺陣，即在大壩上選擇一個最高（樁號0＋142.30 m）和一個自由場測點（大壩下游距壩趾約100 m處）為主要監(jiān)測目標(biāo)。在監(jiān)測斷面的下游壩坡上，在壩頂、1/2壩高和壩趾布設(shè)3個測點；在溢洪道、右岸壩肩及自由場各布設(shè)1個測點，共6個。每個測點安裝1臺3向一體式加速度傳感器，每臺加速度傳感器配1臺強(qiáng)震儀。強(qiáng)震采集儀安裝在左岸監(jiān)測房內(nèi)，通過強(qiáng)震儀之間的組網(wǎng)進(jìn)行自動監(jiān)測地震動力加速度變化的瞬間過程。

4.4 庫區(qū)環(huán)境量監(jiān)測

在滿拉水利樞紐壩上1號監(jiān)測站屋頂（左壩頭）設(shè)置1套一體式小型自動氣象站，測量要素有降水、風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度。數(shù)據(jù)采集軟件安裝在監(jiān)測管理站內(nèi)的數(shù)據(jù)采集工作站上，通過采集網(wǎng)絡(luò)的通訊光纜實現(xiàn)環(huán)境量監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時采集與存儲。

5 工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)

5.1 監(jiān)測站設(shè)置

滿拉水利樞紐工程共設(shè)3座監(jiān)測站，分別位于大壩左岸、進(jìn)水口閘室及施工支洞出口，1號監(jiān)測站同時為強(qiáng)震監(jiān)測站。監(jiān)測管理站設(shè)置于廠區(qū)辦公樓內(nèi)，監(jiān)測管理中心站設(shè)置于江孜縣滿拉水利樞紐管理局辦公樓內(nèi)的會商中心。

1號監(jiān)測站接入傳感器34支，2號監(jiān)測站接入傳感器35支，3號監(jiān)測站接入傳感器81支。共計需要7臺DAU。

5.2 自動化采集網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

滿拉水利樞紐工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的采集網(wǎng)絡(luò)設(shè)計采用基于RS-485通訊協(xié)議的控制網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)覆蓋其3個監(jiān)測站及1個監(jiān)測管理站。由于監(jiān)測站分布范圍較廣，設(shè)計采用光纜作為通訊介質(zhì)布設(shè)安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的采集網(wǎng)絡(luò)。為保證通訊的可靠性，采集網(wǎng)絡(luò)設(shè)計為雙環(huán)自愈型，光纜類型要求為鎧裝聚乙烯護(hù)層通信用室外8芯光纜。

5.3 強(qiáng)震監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

滿拉水利樞紐工程強(qiáng)震監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)設(shè)計采用基于TCP/IP通訊協(xié)議的以太網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)覆蓋1號監(jiān)測站、2號監(jiān)測站及現(xiàn)場辦公樓內(nèi)的監(jiān)測管理站。設(shè)計采用光纜做為通訊介質(zhì)布設(shè)強(qiáng)震監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。

壩頂中間、1/2壩高、壩趾及自由場的強(qiáng)震傳感器通過強(qiáng)震專用電纜接入安裝在1號監(jiān)測站內(nèi)的強(qiáng)震監(jiān)測儀內(nèi)，壩頂右岸及溢洪道的強(qiáng)震傳感器通過強(qiáng)震專用電纜接入安裝在2號監(jiān)測站內(nèi)的強(qiáng)震監(jiān)測儀內(nèi)。2個監(jiān)測站內(nèi)的強(qiáng)震監(jiān)測儀通過光纜與監(jiān)測管理站內(nèi)的強(qiáng)震采集服務(wù)器相連，完成強(qiáng)震的數(shù)據(jù)的采集及存儲。

5.4 自動化監(jiān)測系統(tǒng)集成

現(xiàn)場監(jiān)測管理站設(shè)置廠區(qū)辦公樓內(nèi)，并安裝1臺數(shù)據(jù)采集工作站。在江孜縣滿拉水利樞紐管理局辦公樓設(shè)立監(jiān)測管理中心站（與水情會商中心共用），安裝1臺服務(wù)器及1臺遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與分析工作站。監(jiān)測管理站內(nèi)的數(shù)據(jù)采集工作站通過電廠控制光纜將自動化采集網(wǎng)絡(luò)接入江孜縣滿拉水利樞紐管理局辦公樓內(nèi)監(jiān)測管理中心站的管理網(wǎng)絡(luò)中。由安裝在現(xiàn)場監(jiān)測管理站的數(shù)據(jù)采集工作站完成現(xiàn)場實時自動化數(shù)據(jù)采集工作，由安裝在監(jiān)測管理中心站的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集及分析工作站完成遠(yuǎn)程控制數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)管理分析工作。

5.5 安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)軟件

“滿拉水利樞紐工程安全監(jiān)測自動化軟件系統(tǒng)”是一個基于自動化數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)、計算機(jī)管理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、分布式關(guān)系數(shù)據(jù)庫、數(shù)學(xué)物理模型方法為基礎(chǔ)的，為滿拉水利樞紐工程安全運行服務(wù)的工程安全監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)應(yīng)具有先進(jìn)性、可靠性、實用性、易用性、可擴(kuò)充性及兼容性等先進(jìn)特征。

系統(tǒng)主要由以下子系統(tǒng)組成：數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)——主要由原始數(shù)據(jù)庫、整編數(shù)據(jù)庫、分析數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)配置庫、模型庫、方法庫、工程資料庫等組成；數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)——人工監(jiān)測數(shù)據(jù)輸入模塊、自動化數(shù)據(jù)采集模塊、遠(yuǎn)程控制數(shù)據(jù)采集模塊；數(shù)據(jù)管理分析子系統(tǒng)——綜合信息管理及分析程序。數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)是整個軟件系統(tǒng)的核心，它為其它子系統(tǒng)提供底層數(shù)據(jù)服務(wù)支持。

6 結(jié) 語

此次改造設(shè)計結(jié)合國內(nèi)工程安全監(jiān)測技術(shù)、自動化技術(shù)的發(fā)展，并充分考慮利用原有儀器設(shè)備并節(jié)約工程投資等要求，改造方案全面系統(tǒng)，改造后滿拉水利樞紐工程安全監(jiān)測自動化水平可達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平，對于其它類似工程的安全監(jiān)測自動化項目升級改造也具有一定的借鑒意義。

［1］中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司.西藏滿拉水利樞紐工程安全監(jiān)測系統(tǒng)改造設(shè)計報告（審定稿）［R］.2013，6.