白鶴灘水電站施工期安全監(jiān)測自動化技術(shù)的應(yīng)用

胡旭陽，陳昌華，段 杭，上官瑾

（中國三峽建設(shè)管理有限公司白鶴灘工程建設(shè)部，615421，寧南）

一、工程概況

白鶴灘水電站安全監(jiān)測對象主要包括混凝土雙曲拱壩、左右岸地下廠房、引水隧洞、水墊塘、二道壩、上下游圍堰、導(dǎo)流洞、大寨溝、料場、渣場、左右岸高邊坡、滑坡體、庫區(qū)等，涉及外部變形、內(nèi)部變形、滲流滲壓、應(yīng)力應(yīng)變及溫度等監(jiān)測內(nèi)容。

白鶴灘水電站共布置安全監(jiān)測儀器1.5萬余支，已經(jīng)完成安裝的安全監(jiān)測儀器1萬余支，監(jiān)測儀器數(shù)量多、分布廣。目前地下電站開挖階段監(jiān)測儀器已基本埋設(shè)安裝完成，大壩安全監(jiān)測儀器隨混凝土澆筑逐步安裝，施工期間監(jiān)測儀器數(shù)據(jù)采集觀測和資料整編工作量巨大。

為有效監(jiān)控施工期工程安全，及時反映施工過程中建筑物的安全狀況，白鶴灘水電站針對施工期安全監(jiān)測自動化技術(shù)展開了研究，并決定優(yōu)先在大壩基礎(chǔ)廊道和右岸廠房南側(cè)小樁號段實施施工期安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)安裝。

二、實施難點及對策研究

安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)由監(jiān)測儀器、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)傳輸模塊和數(shù)據(jù)采集及管理軟件組成。系統(tǒng)工作時，由數(shù)據(jù)采集單元發(fā)送信號，通過監(jiān)測電纜，從監(jiān)測儀器采集原始數(shù)據(jù)并存儲于數(shù)據(jù)采集單元內(nèi)，需要時經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸模塊通過通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)據(jù)采集及管理軟件進(jìn)行處理。

水電工程施工期相較于運行期，現(xiàn)場環(huán)境較差，各工程部位條件千差萬別，且工程形象隨時變化，這一系列問題為施工期安全監(jiān)測自動化技術(shù)的實施帶來了巨大的困難。為解決這些難題，白鶴灘水電站需要建立一套穩(wěn)定可靠、可復(fù)制、可遷移和擴(kuò)展的施工期安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)。

1.系統(tǒng)穩(wěn)定性及可靠性研究

施工期現(xiàn)場環(huán)境較差，通信網(wǎng)絡(luò)未完全固化成型，且隨時存在交叉作業(yè)可能帶來的干擾和設(shè)備損壞等情況。為了適應(yīng)施工期特殊的現(xiàn)場環(huán)境，需要建立一套兼具穩(wěn)定性及可靠性的系統(tǒng)。系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性研究及解決方案見表1。

2.系統(tǒng)可復(fù)制性研究

施工期各部位進(jìn)度不一，現(xiàn)場實際條件千差萬別。為了能夠第一時間滿足現(xiàn)場觀測需求，需要建立一套普適性、固化的施工期安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)，其他部位可快速復(fù)制應(yīng)用。

根據(jù)白鶴灘水電站安全監(jiān)測現(xiàn)狀和特點，將施工期安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分為三級：①現(xiàn)場監(jiān)測站主要作用是數(shù)據(jù)采集單元對監(jiān)測儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲、電源管理及監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳，同時接收管理站上位機(jī)的控制指令；②監(jiān)測單位管理分站接收現(xiàn)場監(jiān)測站采集的數(shù)據(jù)，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整編和管理，根據(jù)需求向現(xiàn)場監(jiān)測站發(fā)布指令；③監(jiān)測中心管理站接收管理分站發(fā)送的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并通過白鶴灘安全監(jiān)測管理系統(tǒng)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行整編分析及信息發(fā)布。

表1 系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性研究及解決方案

3.系統(tǒng)遷移性和擴(kuò)展性研究

施工期各部位受開挖支護(hù)及混凝土澆筑等作業(yè)影響，工程形象經(jīng)常發(fā)生變化，施工期安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)現(xiàn)場監(jiān)測站位置需要隨之進(jìn)行遷移，此外現(xiàn)場監(jiān)測站還需具備接入新監(jiān)測儀器的能力，這就需要建立一個具備遷移性和擴(kuò)展性系統(tǒng)。為滿足該要求，白鶴灘水電站施工期安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)（見圖1）。

圖1 自動化數(shù)據(jù)采集單元模塊化結(jié)構(gòu)示意圖

三、實施方案

按照兼顧系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性、可復(fù)制性、遷移性及擴(kuò)展性的原則，對需要優(yōu)先實施的大壩基礎(chǔ)廊道和右岸廠房南側(cè)小樁號段進(jìn)行施工期安全監(jiān)測自動化方案優(yōu)化設(shè)計。

1.儀器選擇和測站布置

大壩施工期安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)接入儀器包括多點變位計、測縫計、壓應(yīng)力和無應(yīng)力計，設(shè)置1個現(xiàn)場監(jiān)測站，現(xiàn)場監(jiān)測站布置在壩后，位置選在施工干擾少、網(wǎng)絡(luò)信號通暢、具備遷移和擴(kuò)展的空間。基礎(chǔ)廊道壩后臨時測站及走線布置見圖2。

右岸廠房南側(cè)小樁號段施工期安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)接入儀器包括多點變位計和錨索測力計，布置5個現(xiàn)場監(jiān)測站，現(xiàn)場監(jiān)測站布置在廠房頂錨固洞、排水廊道、下游巖臺梁等部位，位置選在施工干擾少、網(wǎng)絡(luò)信號通暢、具備遷移和擴(kuò)展的空間。右岸廠房頂部錨固洞測站布置見圖3，右岸廠房下游邊墻五層排水廊道測站布置見圖4，右岸廠房南側(cè)下游邊墻測站布置見圖5。

圖2 基礎(chǔ)廊道壩后臨時測站及走線布置圖

2.自動化監(jiān)測設(shè)備通信方式

白鶴灘水電站施工期安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分為三級，即現(xiàn)場監(jiān)測站、監(jiān)測單位管理分站和監(jiān)測中心管理站，各層級之間均需要穩(wěn)定可靠的通信連接，目前白鶴灘水電站現(xiàn)場已實現(xiàn)了移動網(wǎng)絡(luò)信號全覆蓋，現(xiàn)場監(jiān)測站通過數(shù)據(jù)傳輸模塊，利用移動網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)測單位管理分站實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸，監(jiān)測單位管理分站利用通信光纜與監(jiān)測中心管理站實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

3.電纜牽引及保護(hù)

監(jiān)測儀器電纜牽引按照避開主要施工作業(yè)區(qū)域、強(qiáng)弱電牽引路線，確保監(jiān)測成果連續(xù)性的原則，就近牽引至相應(yīng)的現(xiàn)場監(jiān)測站并接入施工期安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)。

（1）大壩監(jiān)測儀器電纜牽引及保護(hù)

除廊道內(nèi)常規(guī)電纜牽引外，為確保大壩監(jiān)測成果的連續(xù)性，大壩在從廊道澆筑開始預(yù)埋電纜線，并隨混凝土澆筑向上牽引，在倉面進(jìn)行臨時自動化數(shù)據(jù)觀測。待廊道拆模后將預(yù)埋電纜線與壩后臨時測站電纜連接，實現(xiàn)無間斷觀測。典型部位電纜走線示意見圖6。

圖3 右岸廠房頂部錨固洞測站布置圖

圖4 右岸廠房下游邊墻五層排水廊道測站布置圖

圖5 右岸廠房南側(cè)下游邊墻測站布置圖

（2）右岸廠房監(jiān)測自動化儀器電纜牽引及保護(hù)

右岸廠房南側(cè)小樁號段監(jiān)測電纜穿管或用消防水帶保護(hù)后沿巖壁牽引，巖壁上采用插筋固定電纜，監(jiān)測電纜處設(shè)置醒目的警示標(biāo)志，避免監(jiān)測電纜被人為破壞，電纜接頭采用熱熔膠、熱縮管、燙錫進(jìn)行保護(hù)，電纜牽引路線選擇施工干擾較少和無強(qiáng)弱電線路干擾的地方。

4.測站安裝調(diào)試

將電纜牽引至保護(hù)箱后，可對測站內(nèi)自動化采集單元及相關(guān)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試。

（1）測站內(nèi)各設(shè)備功能

自動化數(shù)據(jù)采集單元：連接監(jiān)測儀器，讀取原始數(shù)據(jù)，具有通信接口可與數(shù)據(jù)傳輸模塊相連，與自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)管理平臺的配套軟件運行可定制按時巡測、實時召測等，且可根據(jù)需要，以模塊化形式方便地擴(kuò)展數(shù)據(jù)采集通道。

數(shù)據(jù)傳輸模塊：與數(shù)據(jù)采集單元連接，將儀器數(shù)據(jù)通過移動網(wǎng)絡(luò)信號發(fā)送到數(shù)據(jù)管理軟件。

電源管理設(shè)備：將交流電轉(zhuǎn)換成可供自動化數(shù)據(jù)采集單元使用的直流電，具有變壓穩(wěn)壓功能。

不間斷電源及蓄電池：當(dāng)沒有交流電時，可給設(shè)備供電。

（2）自動化數(shù)據(jù)采集單元的安裝

①安裝位置考慮移動網(wǎng)絡(luò)信號傳輸質(zhì)量。在測站處安裝測站保護(hù)箱，將儀器電纜牽引至保護(hù)箱。

②將各模塊安裝在機(jī)箱固定背板上，順序連接。

③保護(hù)箱采用全密封防水不銹鋼機(jī)箱，所有電纜進(jìn)出口全部采用防水密封緊固接口以防止水氣的侵入。

④根據(jù)設(shè)計編號及儀器類型，將現(xiàn)場監(jiān)測站內(nèi)的儀器電纜理順，從機(jī)箱進(jìn)線口接入自動化數(shù)據(jù)采集單元。儀器電纜、通信電纜和電源電纜布設(shè)整潔、美觀。

⑤現(xiàn)場監(jiān)測站的不間斷電源串接于電源電纜及自動化采集單元電源模塊之間，通過AC/DC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成直流電對采集單元進(jìn)行統(tǒng)一供電。

⑥機(jī)箱接地線柱應(yīng)與接地網(wǎng)連通。

（3）數(shù)據(jù)采集單元的調(diào)試

自動化數(shù)據(jù)采集單元安裝完畢后，進(jìn)行設(shè)備的現(xiàn)場調(diào)試。

①自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)管理軟件對每個自動化監(jiān)測點進(jìn)行循壞連續(xù)召測，確保測值的穩(wěn)定性。

②對有條件的監(jiān)測項目及監(jiān)測點，人工干預(yù)給予一定物理量變化，檢查自動化測值是否出現(xiàn)相應(yīng)變化。

③逐項檢查系統(tǒng)功能，以滿足要求。

④定期進(jìn)行人工比測，確保監(jiān)測成果準(zhǔn)確無誤。

圖6 大壩壩體內(nèi)電纜走線示意圖

5.防水、防潮

施工期大壩廊道內(nèi)噴水養(yǎng)護(hù)，濕度較大，地下洞室存在滲水、漏水情況，惡劣環(huán)境容易造成自動化數(shù)據(jù)采集單元損壞，因此需要提前做好觀測單元防水、防潮工作。

6.測站供電

現(xiàn)場監(jiān)測站的供電方式主要有兩種方案。方案一：就近引設(shè)交流電供電方式。在現(xiàn)場選取一個電源供應(yīng)點，電源引至測站后經(jīng)穩(wěn)壓電源再供給各設(shè)備使用。方案二：交流電停供情況下，采用不間斷電源及蓄電池進(jìn)行供電。

7.系統(tǒng)防雷、接地

（1）系統(tǒng)防雷

鑒于白鶴灘工區(qū)已建立防雷系統(tǒng)，大壩自動化現(xiàn)場監(jiān)測站位于壩后位置較低部位和廊道內(nèi)，右岸廠房南側(cè)小樁號段自動化現(xiàn)場監(jiān)測站位于地下洞室，工區(qū)自有的防雷系統(tǒng)可以對自動化系統(tǒng)起到保護(hù)作用，本系統(tǒng)除自動化采集單元內(nèi)防浪涌配件外，不再另外考慮增加防雷措施。

（2）接地

鑒于白鶴灘工區(qū)已有接地網(wǎng)，自動化測站與其連接即可。若安裝部位附近無接地扁鐵，可用36 mm的鋼筋打入地下2 m并與導(dǎo)線焊接。

四、應(yīng) 用

白鶴灘水電站施工期安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)目前已在大壩及右岸廠房南側(cè)小樁號段成功投入使用，并已運行超過一年，成功解決了施工期重點關(guān)鍵部位高頻次觀測、長期加密觀測的難題，實現(xiàn)了針對重點部位安全狀況的實時監(jiān)測和施工過程中的連續(xù)監(jiān)控，并實現(xiàn)了施工期監(jiān)測成果自動實時預(yù)警預(yù)報，為施工期工程建設(shè)提供了重要參考依據(jù)。