烏東德水電站施工期大壩安全監(jiān)測自動化

楊 寧，盧正超，喬 雨，張振華，趙代鵬

(1.中國三峽建設管理有限公司，四川 成都 610000；2.中國水利水電科學研究院水電可持續(xù)發(fā)展研究中心，北京 100038；3.流域水循環(huán)模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038)

1 工程概況

烏東德水電站是金沙江下游河段規(guī)劃建設的4個水電梯級——烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩的最上游梯級，總庫容74.08億m3，電站裝機容量1 020萬kW。烏東德大壩為混凝土雙曲拱壩，最大壩高270 m，拱冠梁底厚45.45 m，壩頂上游面弧長325.67 m，共分15個壩段，壩體混凝土方量約273萬m3。壩身布置5個表孔、6個中孔。

“烏東德水電站大壩施工期安全監(jiān)測自動化與工作性態(tài)智能化監(jiān)控”(以下簡稱“烏東德施工期監(jiān)測自動化項目”)是烏東德大壩工程智能建造項目的重要組成部分之一，主要針對烏東德大壩施工控制3大要素中的安全維度，通過擴大工程安全相關信息涉及的時空覆蓋范圍，提高信息的時間、空間分辨能力，全面感知烏東德大壩工程風險的相關信息，真實分析評價工程風險因素及其演變規(guī)律和后果，動態(tài)控制風險事件及其發(fā)展過程，動態(tài)監(jiān)控和主動應對相結合，實現(xiàn)烏東德大壩施工期安全管理上的智能化。

“烏東德施工期監(jiān)測自動化項目”主要工作內容包括：①壩踵應力、倒懸變形專項監(jiān)測；②施工期安全監(jiān)測數(shù)據(jù)全過程實時在線監(jiān)測及其自動化；③施工期大壩安全監(jiān)測信息在線分析預警系統(tǒng)；④大壩安全監(jiān)測信息在線分析預警系統(tǒng)維護；⑤大壩安全監(jiān)測資料分析及安全評價。

隨著監(jiān)測自動化、網(wǎng)絡通信、計算等信息技術的飛速發(fā)展，監(jiān)測自動化是未來的發(fā)展趨勢[1-2]，也是智慧水利建設和水電智能建造的必由之路[3]?；炷链髩问┕て诒O(jiān)測自動化在從倉面采集、倉面轉廊道采集和廊道觀測房內采集等3個階段均面臨很大困難和挑戰(zhàn)。國內的有關規(guī)程規(guī)范均未對混凝土大壩從施工、蓄水、運行全過程的監(jiān)測提出明確的要求[4-7]。本文主要介紹烏東德高拱壩施工期安全監(jiān)測數(shù)據(jù)全過程實時在線監(jiān)測及其自動化的有關技術內容[8]。

2 混凝土高拱壩施工期監(jiān)測自動化面臨的困難

在以往的混凝土大壩監(jiān)測中，由于施工條件的限制，通常是在大壩施工開始到后期甚至竣工都采用人工觀測，大壩澆筑到頂、廊道完全形成并具備有線通信工作條件才進行監(jiān)測自動化。這就勢必帶來數(shù)據(jù)采集實時性差，有時還會有數(shù)據(jù)采集中斷，難以為大壩灌漿、澆筑等提供實時數(shù)據(jù)支撐等問題。這無疑是大壩智能建造中需要解決的一個重點和難點。

就施工期監(jiān)測自動化而言，施工條件的限制主要包括如下幾個方面：①在大壩內部，壩內各層廊道觀測房形成時間不一，觀測房之間或與外界不連通，僅在大壩施工后期甚至是大壩竣工后方才具備通信條件。②在大壩外部，施工期間大壩樞紐區(qū)不具備有線或無線通信條件。③施工過程中，倉面及廊道內環(huán)境惡劣，且不時停電，往往超出電子設備的正常工作條件。

3 施工期大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)總體設計

為實現(xiàn)烏東德水電站大壩智能監(jiān)控的目標，烏東德施工期監(jiān)測自動化項目招標文件的對施工期自動化監(jiān)測系統(tǒng)的要求是：“為保證施工期安全監(jiān)測數(shù)據(jù)全過程實時在線監(jiān)測，與運行期觀測順利銜接，在大壩混凝土澆筑期間，電纜線未牽引至廊道觀測站前，對各混凝土倉面內監(jiān)測儀器設施采用無線智能傳感采集儀自動采集數(shù)據(jù)，并通過無線通訊方式傳輸數(shù)據(jù)。電纜線牽引至廊道觀測站后，采用數(shù)據(jù)采集單元采集數(shù)據(jù)，利用光纖將各層觀測站組網(wǎng)后牽引至地面，使用無線方式傳輸?！?/p>

為實施烏東德大壩智能建造的目標，在烏東德樞紐區(qū)建立了聯(lián)通專網(wǎng)，施工期間在施工區(qū)和辦公區(qū)有可靠的無線通信，辦公區(qū)和三峽成都數(shù)字中心有可靠的網(wǎng)絡通信。因此，烏東德施工期監(jiān)測自動化主要需要解決傳感器埋設后的數(shù)據(jù)采集和傳輸問題。

通過對混凝土大壩施工特點的分析，并考慮到施工期監(jiān)測系統(tǒng)與運行期監(jiān)測系統(tǒng)的無縫對接，采用基于LORA協(xié)議的低功耗廣域網(wǎng)(LPWAN)技術，本工程智能數(shù)據(jù)采集按照二級規(guī)劃，第一級即監(jiān)測中心站，第二級為現(xiàn)場智能數(shù)據(jù)監(jiān)測站和無線智能采集站。

(1)監(jiān)控中心站。包含采集計算機、數(shù)據(jù)服務器、WEB服務器、網(wǎng)絡交換機、打印機等外設組成，其主要功能是通過平臺軟件對監(jiān)測站自動和半自動采集的數(shù)據(jù)、人工測讀的數(shù)據(jù)、工程所有與安全監(jiān)測相關的文檔資料進行集中統(tǒng)一管理并發(fā)布給相應權限的管理人員，同時，可向現(xiàn)場自動化監(jiān)測站發(fā)送相關控制指令。

(2)無線智能采集站。采用自帶電源、功耗低、體積小、質量輕、便于組網(wǎng)、配置簡單靈活的無線數(shù)據(jù)采集裝置，建于大壩澆筑倉面，可隨混凝土澆筑移動。本工程選用由北京基康生產的基于低功耗無線廣域網(wǎng)技術的GL2型無線智能采集采集系統(tǒng)。GL2型無線廣域網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由支持3/4G/FE網(wǎng)絡GL2型無線網(wǎng)與多個GL2系列無線終端組成，具有組網(wǎng)簡單，配置靈活、終端無需額外供電、自動化程度高的特點。對于本工程而言，只需在壩體兩側壩肩處各設置1臺無線網(wǎng)關，即可對整個大壩施工區(qū)域的監(jiān)測儀器實施自動化數(shù)據(jù)采集。實際上，它也可應用于大壩基坑、邊坡等部位的監(jiān)測儀器的數(shù)據(jù)采集。

(3)現(xiàn)場智能數(shù)據(jù)監(jiān)測站。建于廊道內觀測房，具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸、設備供電及防雷等功能，可用于施工期和運行期監(jiān)測?，F(xiàn)場智能數(shù)據(jù)監(jiān)測站由1臺或多臺BGK-Micro-48自動化數(shù)據(jù)采集單元組成。相關倉面儀器電纜牽引至廊道觀測站后，將儀器電纜與無線數(shù)據(jù)直接接入BGK-Micro-48自動化數(shù)據(jù)采集單元。BGK-Micro-48自動化數(shù)據(jù)采集單元除具有RS232/RS485等常規(guī)通訊接口外，還具有RJ45以太網(wǎng)絡端口。每個現(xiàn)場智能數(shù)據(jù)監(jiān)測站內設置有多端口以太網(wǎng)交換機，將測站內的各自動化數(shù)據(jù)采集單元實施通訊匯聚，并通過網(wǎng)線與鄰近廊道監(jiān)測站組成更大的網(wǎng)絡，同時還通過網(wǎng)線連接到廊道口的光纖網(wǎng)絡交換機、利用光纜與4G路由器等實現(xiàn)與監(jiān)控中心站之間的無線或有限通訊通訊。通過本測站內的網(wǎng)絡交換機與串口服務器連接本測站內的CCD設備，由監(jiān)控中心站直接對CCD設備實施通訊采集。現(xiàn)場智能數(shù)據(jù)監(jiān)測站的供電采用施工用電，BGK-Micro-48自動化數(shù)據(jù)采集單元內置有后備電池，即使短暫停電也能保證數(shù)據(jù)采集不會中斷。

系統(tǒng)總體結構如圖1所示。

圖1 烏東德水電站大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)總體結構

4 施工期大壩安全監(jiān)測自動化實施方案

4.1 監(jiān)測自動化階段劃分

考慮混凝土大壩施工特點，施工期大壩安全監(jiān)測可以分為以下3個階段：

(1)倉面采集。近基礎部位埋設的傳感器，下方?jīng)]有廊道，儀器電纜只能上引。其他部位引線規(guī)劃為自傳感器埋設高程起上引至上部高程廊道或牽引至其他具備采集條件的位置進行采集，但未進行電纜預埋。對于上述兩種情形，在大壩混凝土澆筑倉面進行采集是不可缺少的階段。

(2)倉面采集轉廊道采集，為進入廊道觀測房內采集的過渡階段。對于上述不可缺少的倉面采集階段，儀器電纜最終需由倉面進入廊道。受廊道立模、拆模、混凝土澆筑等施工影響，有兩個月左右的時間難以進入廊道內進行人工采集。因此，人工采集數(shù)據(jù)通常要中斷兩個月左右。

(3)廊道觀測房內采集。廊道拆模具備交通條件后。

4.2 倉面采集的監(jiān)測自動化

對于傳感器的倉面采集階段，主要采用如下方式進行自動化監(jiān)測：

(1)在大壩混凝土澆筑倉面，根據(jù)設計要求進行儀器電纜集中和牽引，在電纜集中處，采用北京基康公司的無線智能采集儀進行匯聚。烏東德現(xiàn)場應用的無線智能采集儀主要有GL2-VW-6(每臺可接入鋼弦式傳感器6支)、GL2-DR-6(每臺可接入差阻式傳感器6支)以及GL2-VW-MM(每臺可接入雙軸電解液質高精度傾斜計1套)3種規(guī)格。

(2)各壩段倉面上分散布設的GL2無線智能采集儀，通過北京基康公司的GL2-G無線網(wǎng)關進行匯聚，形成一個結構簡單的星形拓撲結構。1臺GL2無線網(wǎng)關等同于1個“基站”，網(wǎng)關下允許6萬余個無線智能采集儀。由于烏東德現(xiàn)場壩肩邊坡高陡，施工過程各壩段澆筑高程上升不同步，倉面高低錯落，為保證無線傳輸質量，在大壩兩側壩肩布置了2臺GL2無線網(wǎng)關。

(3)GL2-G無線網(wǎng)關通過移動通訊網(wǎng)絡與烏東德監(jiān)測中心站相連。GL2無線網(wǎng)關一般是通過公網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳至商用云平臺(如中興、阿里等)，再通過專用軟件下傳數(shù)據(jù)。為保障數(shù)據(jù)安全，烏東德建立了私有云平臺。除了私有云平臺(中興)，烏東德監(jiān)測中心站還布置了1臺數(shù)據(jù)庫服務器和1臺4G無線路由器。無線路由器和GL2-G無線網(wǎng)關均配置了聯(lián)通網(wǎng)卡，通過烏東德現(xiàn)場開通的4G無線聯(lián)通專網(wǎng)進行數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)庫服務器(DELL T330)配置了SQL Server 2012數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)采集管理軟件BGK-Logger。

(4)烏東德監(jiān)測中心站通過有線網(wǎng)絡與烏東德智能建造平臺iDam2.0連接。

無智能采集儀功能特點有：①自動聯(lián)網(wǎng)功能。在GL2無線網(wǎng)關下自動聯(lián)網(wǎng)，異地使用無需任何設置。②多網(wǎng)關支持。同一區(qū)域支持多個網(wǎng)關并自動選擇上報數(shù)據(jù)。③自動偵測。自動偵測網(wǎng)關、信道占用并自動調頻切換。④內建藍牙4.0接口和磁性鑰匙喚醒開關，可通過安裝APP的藍牙手機讀取當前數(shù)據(jù)、存儲數(shù)據(jù)或進行配置。磁性鑰匙還可激活即時測報功能，利用手機掃描二維碼通過平臺直接查看當前數(shù)據(jù)，方便現(xiàn)場安裝調試。⑤可更換電池。⑥全密封殼體，防護等級IP67，適應全天候工作。

GL2無線網(wǎng)關功能特點有：①完全免配置，即裝即用。②支持3G/4G全網(wǎng)通或有線LAN等數(shù)據(jù)傳輸方式。③覆蓋能力強，視距最遠可達15km里與6萬個測點的覆蓋。④支持藍牙路測終端查看網(wǎng)關及終端信息，GPS用于網(wǎng)關定位及授時。⑤防水性能良好，防水等級IP67。⑥支持市電220 V交流供電和太陽能供電。⑦功耗低，正常工作情況下功耗小于5 W。

無線智能采集儀內置有可更換的獨立供電的電池，采用超低功耗和遠距離無線傳輸技術，同時具備無線數(shù)據(jù)傳輸及有線數(shù)據(jù)傳輸功能，實現(xiàn)了傳感器的采集、信號處理、通訊、供電一體化，具有自動聯(lián)網(wǎng)、自動偵測、支持多網(wǎng)關、免調試等功能，即裝即用。

4.3 倉面轉廊道采集的監(jiān)測自動化

烏東德水電站倉面轉廊道采集監(jiān)測自動化采用如下方式：以850 m高程廊道4號和12號壩段觀測房為例加以說明。2018年9月，3、4、5號和10、12、13號壩段在倉面進行人工讀數(shù)的儀器將分別引入850 m高程廊道4號觀測房(接入差阻式84支、鋼弦式47支、雙軸傾斜計1套)和12號壩段觀測房(接入差阻式42支、鋼弦式20支、雙軸傾斜計1套)。在廊道施工期間，850 m高程廊道左右岸未貫通，4、12號壩段觀測房內部無電源、無聯(lián)通無線網(wǎng)絡。通過從觀測房經(jīng)倉面預埋信號線(485和網(wǎng)線)和電源線進行信號傳輸和供電，牽引到大壩下游面853棧橋，長度約60 m。在850 m高程廊道4、12號壩段觀測房內，傳感器接入北京基康BGK-Micro-48數(shù)據(jù)采集單元。網(wǎng)線一端接入觀測房內的以太網(wǎng)交換機，一端接入固定在大壩下游面853棧橋上方的4G路由器，路由器上配置聯(lián)通專網(wǎng)卡，數(shù)據(jù)通過無線直接傳入烏東德監(jiān)測中心站安全監(jiān)測服務器。無線傳輸發(fā)生問題時，利用485線將存儲在采集單元的數(shù)據(jù)讀出，人工導入數(shù)據(jù)庫。4號壩段和12號壩段下游面853棧橋各安裝配聯(lián)通專網(wǎng)卡的4G路由器1臺。

通過上述方式，可以保障倉面轉廊道采集過程中的數(shù)據(jù)連續(xù)不中斷。

4.4 廊道觀測房內采集的監(jiān)測自動化

引入廊道觀測房內的儀器電纜接入BGK-Micro-48數(shù)據(jù)采集單元，采集單元接入以太網(wǎng)交換機或光纖交換機。當廊道內具備無線或有線通信條件時，通過觀測房內配置聯(lián)通專網(wǎng)網(wǎng)卡的路由器連接到烏東德監(jiān)測中心站。對于不具備通信條件的其他觀測房，如廊道左右或上下貫通時，可以通過光纖或網(wǎng)線連接至具備通信條件的其他觀測房。這種監(jiān)測自動化方式與以往運行期自動化監(jiān)測基本一致。

5 監(jiān)測自動化系統(tǒng)實施中需考慮的情況

在混凝土拱壩施工期開展監(jiān)測自動化，需要克服施工條件惡劣等問題。在大壩澆筑倉面，需要對無線智能采集儀GL2加設保護盒，提高防水、防水泥漿能力。廊道內，因為混凝土施工加濕養(yǎng)護防裂要求，相對濕度在95%以上，需要對BGK-Micro-48數(shù)據(jù)采集單元機箱提高防護等級、加熱或加干燥劑除濕。在設備故障時，需及時進行更換。對于施工停電導致網(wǎng)絡不通時，要及時進行處置，必要時手工導出數(shù)據(jù)，人工導入系統(tǒng)。

此外，為便于監(jiān)測儀器埋設單位進行人工觀測，在無線智能采集儀GL2和BGK-Micro-48數(shù)據(jù)采集單元均設置了人工觀測接口。

6 結 語

截至2020年12月，烏東德大壩已全面實現(xiàn)倉面和廊道內的監(jiān)測自動化，目前已接入傳感器1 343支[8]。自2018年10月以來，高頻次的自動化采集為大壩橫縫灌漿以及2020年以來的初期蓄水大壩智能化監(jiān)控提供了及時充分的數(shù)據(jù)支持。人工比測表明，自動化系統(tǒng)運行可靠?？傮w而言，采用功耗無線廣域網(wǎng)技術實施混凝土施工期全過程自動化是可行的，可以實現(xiàn)儀器埋設后遂行自動化監(jiān)測全過程無間斷，且組網(wǎng)靈活、施工方便。

烏東德的經(jīng)驗表明，可以考慮取消大壩監(jiān)測中的人工觀測階段，直接進入全過程的大壩監(jiān)測自動化。在今后的混凝土壩監(jiān)測設計中，建議進行如下優(yōu)化：

(1)對于上部高程埋設的儀器，采用預埋儀器電纜和必要的通訊光纜，牽引至下部廊道或其他具備觀測條件的位置，可以減少倉面采集范圍。

(2)盡早完成壩內廊道及觀測房的總體規(guī)劃，觀測房預留自動化設備位置，并注意避免與垂線鉆孔、安裝施工的干擾。

此外，還宜加強混凝土施工中的精細化管理，避免施工水浸泡壩內廊道電子設備。