新豐江水電站大壩安全在線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
——融合在線監(jiān)測(cè)、智能巡檢、結(jié)構(gòu)安全度計(jì)算與綜合評(píng)判

沈 靜，郭潔惠

（1.國(guó)家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江 杭州，311122；2.廣東省能源集團(tuán)有限公司水電分公司，廣東 河源，517021）

2015年，國(guó)家能源局頒布了《水電站大壩運(yùn)行安全監(jiān)督管理規(guī)定》（發(fā)改委23號(hào)令），其中第八條規(guī)定：“對(duì)壩高一百米以上的大壩、庫(kù)容一億立方米以上的大壩和病險(xiǎn)壩，電力企業(yè)應(yīng)當(dāng)建立大壩安全在線監(jiān)控系統(tǒng)……”。

為落實(shí)國(guó)家法規(guī)要求，提高水電站大壩安全管理的信息化水平，開發(fā)了水電站大壩安全在線監(jiān)控系統(tǒng)。該監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)用了大壩安全在線監(jiān)控、協(xié)同計(jì)算分析與評(píng)判的新理念，創(chuàng)建了在線監(jiān)測(cè)管理、在線快速結(jié)構(gòu)計(jì)算、在線結(jié)構(gòu)安全評(píng)判的在線監(jiān)控技術(shù)與方法體系，融合了儀器監(jiān)測(cè)信息、巡檢信息、結(jié)構(gòu)安全計(jì)算等對(duì)大壩安全進(jìn)行綜合評(píng)判，目前在國(guó)內(nèi)大壩安全在線監(jiān)控技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用方面處于領(lǐng)先水平。

1 開發(fā)意義

目前僅有小部分大壩具有測(cè)值評(píng)判功能，且多為單測(cè)點(diǎn)評(píng)判，僅著眼于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，沒(méi)有進(jìn)行大壩安全綜合性評(píng)判。因此，建立融合儀器監(jiān)測(cè)信息、巡檢信息、結(jié)構(gòu)安全度計(jì)算的大壩安全在線監(jiān)控系統(tǒng)具有重大意義。

大壩安全在線監(jiān)控系統(tǒng)能針對(duì)大壩工程特點(diǎn)，以大壩安全信息化建設(shè)為基礎(chǔ)，立足于工程運(yùn)行過(guò)程中獲得的大量監(jiān)測(cè)、巡檢數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果等多源信息，形成可視化、圖形化、實(shí)時(shí)化的分析、預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)大壩安全評(píng)判從“單一信息”向“多源信息融合[1-5]”、“靜態(tài)”向“動(dòng)態(tài)”、“人工”到“智能”、“碎片化”到“共享化”的重要升級(jí)，實(shí)現(xiàn)大壩運(yùn)行性態(tài)智能化實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保更及時(shí)、高效地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

2 方案概述

在線監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)大壩安全進(jìn)行綜合評(píng)判時(shí)，需要的信息包括：儀器監(jiān)測(cè)信息、巡查信息、水情信息、荷載信息、結(jié)構(gòu)安全度信息等，屬多源信息，需將多源信息進(jìn)行融合，構(gòu)建一個(gè)以多源信息為基礎(chǔ)、具有多指標(biāo)和多層次結(jié)構(gòu)的融合分析診斷模型[6-7]。

大壩安全評(píng)判信息的融合，包括：（1）儀器監(jiān)測(cè)信息層內(nèi)從單測(cè)點(diǎn)→多測(cè)點(diǎn)→不同類測(cè)點(diǎn)的融合；（2）不同層如儀器監(jiān)測(cè)信息層、巡視檢查層及結(jié)構(gòu)安全度層的融合；（3）從單一結(jié)構(gòu)項(xiàng)目評(píng)判至結(jié)構(gòu)整體評(píng)判的融合。

通過(guò)模擬工程師思維，采用規(guī)則進(jìn)行多源信息融合。設(shè)置組合規(guī)則，即以已有評(píng)判規(guī)則為基礎(chǔ)，選取多個(gè)已有評(píng)判規(guī)則組合成一個(gè)新的組合規(guī)則。

每層級(jí)評(píng)判正常與否的結(jié)論與DL/T 5313-2014《水電站大壩運(yùn)行安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》一致，分為正常（a）、輕微異常（a-）、一般異常（b）和嚴(yán)重異常（c）四種結(jié)論。結(jié)構(gòu)評(píng)判模型逐層融合，上層測(cè)點(diǎn)組無(wú)“a-”、“b”、“c”任何一種結(jié)論，則為“a”；有n（n可調(diào)，或采用百分比，下同）條以下“a-”，則為“a-”；超過(guò)n條“a-”，或有1條及以上“b”，則為“b”；有1條及以上“c”，則為“c”。

3 方案設(shè)計(jì)

3.1 工程概況

新豐江水電站位于廣東省河源市境內(nèi)東江支流新豐江的亞婆山峽谷處，水庫(kù)總庫(kù)容138.96億m3，樞紐主要由大壩、壩后式廠房及放水隧洞等建筑物組成。大壩為混凝土單支墩大頭壩，最大壩高105 m。工程于1958年動(dòng)工，1959年下閘蓄水，主體工程于1962年完工，1969年竣工驗(yàn)收。

1960年7 月，發(fā)生M4.3級(jí)、震中烈度為6度的淺源地震后，按地震設(shè)防烈度8度、照顧9度對(duì)大壩進(jìn)行了抗震加固。1962年3月，庫(kù)壩區(qū)附近又發(fā)生了M6.1級(jí)、震中烈度為8度的淺源地震，震后右岸13～17號(hào)壩段在高程108 m左右發(fā)生長(zhǎng)達(dá)82 m裂縫和局部裂縫，同年5月在下游壩面跨縫設(shè)置鋼筋混凝土貼板，上游設(shè)置止水塞。同年7月、8月分別發(fā)生5度、6度地震，下游壩面原裂縫再次裂開并有滲水現(xiàn)象，于是對(duì)大壩進(jìn)行了二期抗震加固。1966年又對(duì)支墩大頭進(jìn)行了加固。

新豐江水電站大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要有大壩變形、大壩滲流、邊坡變形、環(huán)境量監(jiān)測(cè)等項(xiàng)目。

3.2 監(jiān)控內(nèi)容

對(duì)照DL/T 2096-2020《水電站大壩運(yùn)行安全在線監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》要求，監(jiān)控內(nèi)容應(yīng)包括監(jiān)控對(duì)象、監(jiān)控部位、監(jiān)控項(xiàng)目和監(jiān)控測(cè)點(diǎn)。

3.2.1 監(jiān)控對(duì)象

根據(jù)新豐江大壩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，新豐江大壩的監(jiān)控對(duì)象包括環(huán)境量、大壩、溢洪道、放水洞、廠房、空腔及廊道、近壩庫(kù)岸。其中溢洪道、放水洞、廠房未設(shè)置監(jiān)測(cè)設(shè)施，以巡檢信息進(jìn)行監(jiān)控。

3.2.2 監(jiān)控部位

納入在線監(jiān)控的監(jiān)控部位：（1）大壩壩頂、各廊道和壩腔；（2）放水洞進(jìn)水口、放水洞洞身、放水洞出口等；（3）溢洪道閘墩、溢洪道泄槽、溢洪道挑流鼻坎等；（4）廠房頂、第一副廠房頂、GIS平臺(tái)、電纜廊道、開關(guān)廊道、伸縮節(jié)及集水井廊道、水輪機(jī)層、發(fā)電機(jī)層、主變平臺(tái)、廠房左岸等；（5）右岸壩肩、左岸壩肩、下游河道及護(hù)坡、庫(kù)區(qū)等；（6）監(jiān)控對(duì)象中存在安全隱患或需要重點(diǎn)關(guān)注的部位及問(wèn)題，主要有高程108 m裂縫、9～10號(hào)壩腔在高程43 m廊道頭部伸縮縫滲水、7號(hào)支墩的揚(yáng)壓力偏大問(wèn)題和支墩側(cè)向穩(wěn)定問(wèn)題；（7）典型壩段為8號(hào)支墩、14號(hào)支墩。

3.2.3 監(jiān)控項(xiàng)目

監(jiān)控項(xiàng)目主要包括：（1）環(huán)境量，包括上游水位、降雨量、入庫(kù)流量；（2）壩頂水平位移（引張線）、壩頂垂直位移、壩基水平位移、壩體水平位移；（3）壩基揚(yáng)壓力、壩體滲流量、壩基滲流量、繞壩滲流；（4）近壩庫(kù)岸邊坡表面變形；（5）8號(hào)支墩的所有監(jiān)測(cè)項(xiàng)目；（6）14號(hào)支墩的所有監(jiān)測(cè)項(xiàng)目；（7）各部位的巡視檢查結(jié)果。

3.2.4 監(jiān)控測(cè)點(diǎn)

新豐江大壩的儀器監(jiān)測(cè)點(diǎn)總數(shù)并不多，為全面掌握大壩的整體變形和滲流性態(tài)，并兼顧重點(diǎn)關(guān)注部位的運(yùn)行性態(tài)和重點(diǎn)關(guān)注問(wèn)題變化情況，將新豐江大壩絕大部分儀器監(jiān)測(cè)點(diǎn)納入監(jiān)控。

3.3 監(jiān)測(cè)評(píng)判

監(jiān)測(cè)評(píng)判前需要對(duì)儀器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行在線篩選和管理，在線監(jiān)測(cè)管理功能模塊界面見(jiàn)圖1，主要功能包括信息及時(shí)性檢查和數(shù)據(jù)有效性檢查。

圖1 在線監(jiān)測(cè)管理模塊展示Fig.1 Display of online monitoring management module

3.3.1 信息及時(shí)性檢查

新豐江大壩各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)頻次已滿足相關(guān)規(guī)范和在線監(jiān)控的要求，因此按照現(xiàn)有的頻次，進(jìn)行及時(shí)性指標(biāo)設(shè)置。

3.3.2 測(cè)值有效性檢查

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)送入庫(kù)后，測(cè)值有效性檢查主要依次通過(guò)測(cè)值物理意義檢查、量程限值檢查、包絡(luò)域限值檢查、統(tǒng)計(jì)模型限值檢查等步驟進(jìn)行控制。測(cè)值有效性檢查流程見(jiàn)圖2。

圖2 測(cè)值有效性檢查流程Fig.2 Checking the validity of measured values

3.3.3 監(jiān)測(cè)融合及單測(cè)點(diǎn)指標(biāo)

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)篩選完成之后，進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的評(píng)判，由單測(cè)點(diǎn)監(jiān)控→監(jiān)控項(xiàng)目→監(jiān)控部位→監(jiān)控對(duì)象，逐層融合。在線監(jiān)控評(píng)判設(shè)置模塊界面詳見(jiàn)圖3。

圖3 在線監(jiān)控評(píng)判設(shè)置模塊展示Fig.3 Display of evaluation setting module of online monitoring and controlling system

單測(cè)點(diǎn)監(jiān)控指標(biāo)主要采用時(shí)效性、變化速率、絕對(duì)值限值法三種方法進(jìn)行設(shè)置，時(shí)效性、變化速率監(jiān)控均以建立統(tǒng)計(jì)模型為基礎(chǔ)。新豐江大壩為混凝土壩，對(duì)所有監(jiān)控項(xiàng)目建立統(tǒng)計(jì)模型，目前變形、滲流項(xiàng)目均較穩(wěn)定或無(wú)時(shí)效，因此監(jiān)控中模型表現(xiàn)為不存在時(shí)效則為正常；統(tǒng)計(jì)模型出現(xiàn)時(shí)效，且時(shí)效趨于收斂的為測(cè)點(diǎn)輕微異常，時(shí)效表現(xiàn)為直線或發(fā)散的為測(cè)點(diǎn)一般異常；無(wú)嚴(yán)重異常。

變化速率監(jiān)控，即判斷模型的時(shí)效年變化速率是否超過(guò)設(shè)定值（一般為近幾年的年平均變化速率），適用于尚未穩(wěn)定的邊坡變形等，速率超限即為測(cè)點(diǎn)異常。新豐江大壩不存在不穩(wěn)定的變形，因此不采用變化速率監(jiān)控。

絕對(duì)值限值法可采用三種方法，即固定上下限法、歷史極值法和統(tǒng)計(jì)模型法，每種的上、下限值均可最多分3級(jí)，分別對(duì)應(yīng)輕微異常、一般異常和嚴(yán)重異常。

固定上下限法、歷史極值法無(wú)需建模，主要適用于：（1）統(tǒng)計(jì)模型精度較低（復(fù)相關(guān)系數(shù)小于0.8）；（2）曾經(jīng)有報(bào)告中提過(guò)極限監(jiān)控指標(biāo)；（3）變形、滲流的一些控制性數(shù)據(jù)，如壩體最大變形、壩基滲壓系數(shù)設(shè)計(jì)值、滲漏量等；（4）分析具體情況，認(rèn)為需要設(shè)定的其他情況。

固定上下限法指采用固定的限值進(jìn)行評(píng)判，如：y≤[y設(shè)計(jì)值]，[y設(shè)計(jì)值]為設(shè)計(jì)直接給出的值，或通過(guò)換算得到的設(shè)計(jì)值；y≤[y經(jīng)驗(yàn)值]，[y經(jīng)驗(yàn)值]為通過(guò)以往工程經(jīng)驗(yàn)得到的值。歷史極值法即[ymin]-kS≤y≤[ymax]+kS，其中[ymax]、[ymin]為統(tǒng)計(jì)時(shí)間序列內(nèi)的極大值和極小值；k為放大倍數(shù)，S表示模型標(biāo)準(zhǔn)差，倍率可人工調(diào)整，或根據(jù)精度、量程等直接采用固定值。統(tǒng)計(jì)模型法即通過(guò)建模后取模型標(biāo)準(zhǔn)差的若干倍數(shù)設(shè)置限值。

3.4 巡檢評(píng)判

巡檢模塊界面如圖4所示。

圖4 巡檢模塊展示Fig.4 Display of the patrol inspection module

3.4.1 巡檢信息獲取

新豐江智能巡檢采用基于移動(dòng)設(shè)備的巡檢方式，即通過(guò)手機(jī)（或平板）等移動(dòng)設(shè)備掃描設(shè)置在巡檢對(duì)象的芯片，系統(tǒng)引導(dǎo)開展巡視檢查工作，并將巡視檢查時(shí)間、路徑自動(dòng)記錄，對(duì)檢查到的現(xiàn)象進(jìn)行專業(yè)化描述，同時(shí)拍攝必要的照片、視頻，巡檢結(jié)果自動(dòng)上傳至服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)檢查結(jié)果的查詢、對(duì)比及分析。對(duì)空腔、洞室等日常無(wú)法近距離巡檢部位，通過(guò)監(jiān)控視頻進(jìn)行巡檢。

用戶根據(jù)大壩實(shí)際結(jié)構(gòu)或工作習(xí)慣定義多級(jí)巡檢部位，將對(duì)象與相應(yīng)的部位關(guān)聯(lián)。按部位將對(duì)象進(jìn)行分類組合，用戶可以直觀地按部位查詢關(guān)聯(lián)對(duì)象的檢查結(jié)果。

3.4.2 巡檢結(jié)果評(píng)判

巡視檢查結(jié)果異常評(píng)判規(guī)則的設(shè)置方法為：選定巡視檢查對(duì)象的檢查項(xiàng)，并指定異常類型（無(wú)異常a、輕微異常a-、一般異常b和嚴(yán)重異常c）。巡檢對(duì)象的異常結(jié)論不代表整個(gè)大壩的巡檢結(jié)論，如監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、柴油發(fā)電機(jī)等的異常不影響大壩整體巡檢正常的結(jié)論。應(yīng)由各巡檢對(duì)象的巡檢規(guī)則及結(jié)論，通過(guò)邏輯表達(dá)式逐級(jí)融合為巡檢的總結(jié)論，也分為正常a、輕微異常a-、一般異常b和嚴(yán)重異常c。

3.5 結(jié)構(gòu)安全度評(píng)判

結(jié)構(gòu)安全度評(píng)判模塊界面如圖5所示。

圖5 結(jié)構(gòu)安全度評(píng)判模塊展示Fig.5 Display of structure safety evaluation module

根據(jù)大壩原有的設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果和復(fù)核結(jié)果，對(duì)比實(shí)際計(jì)算條件與原計(jì)算條件的差異，當(dāng)兩者差別不大時(shí)，可根據(jù)原設(shè)計(jì)成果定性評(píng)判穩(wěn)定、應(yīng)力滿足規(guī)定，給出結(jié)構(gòu)安全度“正?！钡慕Y(jié)論。

若實(shí)際的荷載及其組合、計(jì)算參數(shù)、計(jì)算模型與原計(jì)算條件發(fā)生較大差別時(shí)，按實(shí)際情況進(jìn)行抗滑穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算，與規(guī)范值進(jìn)行比較，得出結(jié)構(gòu)安全度正常與否的結(jié)論，分為正常a、輕微異常a-、一般異常b、嚴(yán)重異常c四種結(jié)論。

當(dāng)上游水位不超過(guò)116.00 m，地震不超過(guò)9.5度，揚(yáng)壓力測(cè)值不超過(guò)設(shè)置的一級(jí)限值時(shí)，評(píng)判新豐江大壩結(jié)構(gòu)安全度為正常；若大壩出現(xiàn)荷載及其組合、計(jì)算參數(shù)改變，即庫(kù)水位超過(guò)116.00 m、地震烈度超過(guò)9.5度或揚(yáng)壓力超三級(jí)限值時(shí)，需進(jìn)行壩基抗滑穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算。

3.6 綜合評(píng)判

根據(jù)最后一層各水工建筑物（環(huán)境量、大壩、溢洪道、放水洞、廠房、近壩庫(kù)岸）層的評(píng)判，融合成綜合評(píng)判，即最終推出水電站樞紐區(qū)整體安全的評(píng)判等級(jí)：A、A-、B、C四個(gè)不同的水平等級(jí)，分別對(duì)應(yīng)為：正常、輕微異常、一般異常和嚴(yán)重異常。融合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、巡檢信息和結(jié)構(gòu)安全度評(píng)判的新豐江大壩安全綜合評(píng)判結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 新豐江大壩安全綜合評(píng)判結(jié)果Fig.6 Result of comprehensive safety evaluation of Xinfengjiang dam

4 結(jié)語(yǔ)

新豐江水電站大壩安全在線監(jiān)控系統(tǒng)解決了對(duì)大壩安全“控”的及時(shí)性問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了大壩監(jiān)測(cè)監(jiān)控手段的巨大轉(zhuǎn)變，并且在國(guó)內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)、巡檢、結(jié)構(gòu)計(jì)算的融合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大壩安全的綜合評(píng)判。系統(tǒng)達(dá)到了專業(yè)化、信息化、數(shù)字化的要求，實(shí)用性強(qiáng)，邁出了信息化在大壩安全領(lǐng)域成功運(yùn)用的一大步，滿足了監(jiān)管機(jī)構(gòu)和電力企業(yè)對(duì)大壩安全管理信息化升級(jí)的迫切需要，促進(jìn)了水利水電科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。