水電站大壩自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

蔣賢忠

摘 ?要：伴隨城建事業(yè)的興盛、市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的繁榮，各行業(yè)領(lǐng)域發(fā)展速度顯著加快，對(duì)電能資源的依賴性也明顯提升，作為發(fā)電中堅(jiān)力量，“十三五”時(shí)期我國(guó)水電裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到了3.8億千瓦，約為電力行業(yè)節(jié)省3.75億噸標(biāo)煤支出，對(duì)供能維穩(wěn)作出了巨大貢獻(xiàn)。本文聚焦水電站大壩安全監(jiān)測(cè)問題，引進(jìn)貴州黃花寨水電站自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建造實(shí)例，對(duì)其施工、調(diào)試要點(diǎn)進(jìn)行了展開論述。

關(guān)鍵詞：水電站大壩;安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng);自動(dòng)化設(shè)計(jì)

前言：水電站是電力供能體系中不可或缺的部分，能夠有效緩解傳統(tǒng)火力發(fā)電負(fù)擔(dān)，為區(qū)域產(chǎn)業(yè)振興提供基礎(chǔ)能源支撐。當(dāng)前伴隨水電開發(fā)、建設(shè)事業(yè)的興盛，大壩安全性、可靠性問題開始進(jìn)入研究視域，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式分散性特征明顯，需要投入大量的人力、物力資源，標(biāo)準(zhǔn)化、集成化管理難度較大，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性也難以保障，因此有必要從自動(dòng)化角度出發(fā)，對(duì)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與改造。

1項(xiàng)目背景概況

黃花寨水電站位于蒙江干流格凸河上，屬黔南自治州長(zhǎng)順縣墩操鄉(xiāng)，距離蒙江干流格凸河與支流漣江匯口位置（雙河口）18km，是蒙江流域格凸河干流上的第三個(gè)梯級(jí)電站。樞紐建筑物由攔河壩、放空兼沖沙底孔、發(fā)電取水口、引水隧洞、壓力鋼管、發(fā)電廠房等建筑物組成。大壩為碾壓砼雙曲拱壩，壩頂寬6m，最大壩高110.0m，最大壩底寬26.5m，水庫(kù)正常蓄水位795.5m，死水位770m，總庫(kù)容1.748億m3。發(fā)電廠房為地面岸邊式，裝機(jī)容量2×27MW，保證出力12.96MW，年發(fā)電量2.216億kW·h，工程為Ⅱ等大（2）型。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)與施工要點(diǎn)

2.1監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝

2.1.1垂線坐標(biāo)儀施工

大壩共布設(shè)1條正倒垂線用于監(jiān)測(cè)大壩傾斜變形，倒垂IP1位于712觀測(cè)房?jī)?nèi)，作為工作基點(diǎn)。正垂線共布設(shè)3個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別位于770廊道PL1、735廊道PL2-1、712廊道PL2-2。原有電測(cè)設(shè)備均失效已拆除，主要通過人工觀測(cè)方法獲取大壩傾斜位移。此次改造拆除原有人工觀測(cè)基座，安裝智能電容式垂線坐標(biāo)儀接入自動(dòng)化，并布設(shè)人工比測(cè)裝置。正視施工環(huán)節(jié)，要首先對(duì)儀器支架進(jìn)行坐標(biāo)、方向定位，確認(rèn)位置正確、水平度良好后，采用螺栓連接方式固定坐標(biāo)儀，并通過電纜芯線與采集單元相連接，電纜頭要保證焊接牢固，防止?fàn)恳^程中出現(xiàn)脫落、損壞。接著在人工讀數(shù)底板、支撐架長(zhǎng)孔的幫助下，調(diào)節(jié)好儀器、垂線的相對(duì)位置[1]，優(yōu)化底板水平度，用M8螺栓固緊即可。安裝操作完成后，還應(yīng)進(jìn)行垂線復(fù)位測(cè)試，防止異常擾動(dòng)對(duì)垂線精準(zhǔn)度造成不良影響，測(cè)試方法為：在垂線未擾動(dòng)狀態(tài)下讀取原始參數(shù)，然后沿著上下游或左、右岸的方向輕輕推動(dòng)，距離控制在10mm即可，等待垂線穩(wěn)定后記錄讀數(shù)和時(shí)間。經(jīng)過測(cè)試，本項(xiàng)目中垂線復(fù)位時(shí)間、復(fù)位差均在合格范圍之內(nèi)，可以滿足運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.1.2滲壓計(jì)施工

本次改造在大壩712廊道內(nèi)鉆孔增加5支揚(yáng)壓力測(cè)壓管，孔深22m與原測(cè)壓管P11和P12共同監(jiān)測(cè)大壩壩基揚(yáng)壓力。揚(yáng)壓力測(cè)壓管內(nèi)安裝滲壓計(jì)，接入自動(dòng)化監(jiān)測(cè)在線系統(tǒng)，同時(shí)在測(cè)壓管管口安裝壓力表進(jìn)行人工比測(cè)。735灌漿平洞內(nèi)鉆孔增加布設(shè)2支測(cè)壓管P13和P14，孔深15m，測(cè)壓管內(nèi)安裝滲壓計(jì)，接入自動(dòng)化監(jiān)測(cè)在線系統(tǒng)，同時(shí)在測(cè)壓管管口安裝壓力表進(jìn)行人工比測(cè)。壩頂左右岸平洞在原有繞壩測(cè)壓管內(nèi)安裝2支滲壓計(jì)，接入自動(dòng)化監(jiān)測(cè)在線系統(tǒng)，觀測(cè)大壩繞壩滲流。實(shí)踐安裝環(huán)節(jié)，首先要立足工程需要，設(shè)定合理的直徑、孔深，鉆孔完成后，及時(shí)采用壓力風(fēng)水進(jìn)行沖洗，促進(jìn)巖屑、泥沙的排出，重復(fù)操作直至回水變清10min后方可停止，送入壓縮空氣幫助排水[2]。

其次還應(yīng)關(guān)注揚(yáng)壓力測(cè)壓管的制作工序，測(cè)壓管本身可分為進(jìn)水管、導(dǎo)管兩個(gè)部分，本次工程主要采用了DN50鍍鋅鋼材質(zhì)，壁厚為4.6mm，透水孔開孔率為18%，孔徑設(shè)定為5至6mm，整體以梅花形分布。埋設(shè)環(huán)節(jié)使用鵝卵石墊層對(duì)鉆孔底部進(jìn)行預(yù)處理，粒徑控制在5至8mm，厚度為30cm，嚴(yán)格保證密實(shí)程度，將測(cè)壓管放入孔內(nèi)后，進(jìn)水管段應(yīng)當(dāng)位于墊層上方，周圍填筑洗凈砂石，確保密實(shí)后回填M10水泥砂漿，高度與管口平齊，接著安裝滲壓計(jì)、孔口附件，引出電纜即可。安裝完成之后要及時(shí)開展泄壓試驗(yàn)，打開水龍頭后，觀測(cè)壓力表是否能迅速歸零，關(guān)閉后又是否能在15min內(nèi)恢復(fù)狀態(tài)，若24h之后，所有壓力表均回復(fù)至泄壓前刻度，則說明壓控靈敏性較高。

2.1.3量水堰計(jì)施工

大壩量水堰（2個(gè)）分別布置在▽712.76m左右岸帷幕廊道出口，采用人工觀測(cè)堰上水頭計(jì)算大壩滲漏量。本次改造重新整治堰體，定制堰板，同時(shí)安裝量水堰計(jì)，接入自動(dòng)化監(jiān)測(cè)在線系統(tǒng)，自動(dòng)觀測(cè)計(jì)算大壩滲漏量。此外在沖砂底孔兩邊增設(shè)兩套量水堰，監(jiān)測(cè)壩體滲流。對(duì)滲漏量進(jìn)行分析后，采用了不銹鋼材質(zhì)的直角三角形堰板，厚度控制在5mm以上，土建施工環(huán)節(jié)堰板要與水流方向保持垂直，頂部則與側(cè)墻保持鉛直[3]，在堰口上游適當(dāng)位置安裝量水堰傳感器，注意做好連接電纜的絕緣、防潮處理。

2.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃花寨水電站自動(dòng)監(jiān)測(cè)在線系統(tǒng)共建設(shè)四個(gè)測(cè)站和一個(gè)管理中心站，分別在712m高程觀測(cè)房，735m高程觀測(cè)房，770m高程觀測(cè)房建設(shè)三個(gè)觀測(cè)站，此外，在大壩壩頂左岸觀測(cè)平洞建立一個(gè)測(cè)站用于觀測(cè)繞壩滲流，DAU 2000型采集單元分散布置于這些觀測(cè)站之中，由采集模塊、電源、防雷部件等共同組成，可以較好地完成滲流、滲壓動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，分布式的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)路徑，還可以進(jìn)一步預(yù)防節(jié)點(diǎn)故障引發(fā)的連鎖效應(yīng)，采集速度、可靠性均有較高保障。

除數(shù)據(jù)采集單元以外，系統(tǒng)中還配備了監(jiān)控主機(jī)設(shè)備，以總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與各單元建立連接，同時(shí)支持遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)接入。數(shù)據(jù)庫(kù)則主要安裝于采集服務(wù)器之中，使用SQL SERVER 2012軟件，結(jié)合實(shí)際使用需求，創(chuàng)建了模塊信息、測(cè)點(diǎn)信息、測(cè)點(diǎn)布置圖等單元，可以通過備份、還原操作，與移動(dòng)工作站實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)。根據(jù)DL/T 5211-2019相關(guān)要求，通信設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)應(yīng)當(dāng)支持雙向傳輸、并適當(dāng)采用冗余設(shè)計(jì)，因此引入4芯單模光纖，其中2條作為通信通道，其余2條則作為備用通道，外部包覆PE管進(jìn)行防護(hù)。各采集單元主要采用串聯(lián)方式從壩頂配電室取電，廠房中控采集計(jì)算機(jī)、各服務(wù)器則從中控室取電，電纜敷設(shè)時(shí)要做好質(zhì)量控制，嚴(yán)禁出現(xiàn)芯線外露、接觸不良等問題。

3系統(tǒng)調(diào)試與維護(hù)

在系統(tǒng)調(diào)試環(huán)節(jié)，重點(diǎn)關(guān)注了軟硬件運(yùn)行狀態(tài)、工作性能，并對(duì)各觀測(cè)點(diǎn)測(cè)值準(zhǔn)確性進(jìn)行了比較試驗(yàn)，測(cè)試方法如下：

設(shè)某時(shí)刻的自動(dòng)化測(cè)值為X自，人工測(cè)值為X人，兩者差值 ，兩者方差 則可表示為 ，（其中 為自動(dòng)化測(cè)值精度， 為人工測(cè)值精度）。

對(duì)于差阻式儀器，電阻比自動(dòng)化精度 ，人工測(cè)值精度 =1，則有 ，當(dāng) 成立時(shí)，即說明合格;電阻和自動(dòng)化精度 Ω，人工測(cè)值精度 Ω，則 Ω，當(dāng) Ω時(shí)，即說明合格。

對(duì)于振弦式儀器，頻率自動(dòng)化精度 Hz，人工測(cè)值精

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)97個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)試測(cè)驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)整體符合建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，僅T79號(hào)溫度計(jì)出現(xiàn)絕緣不合格情況，建議人工跟蹤觀測(cè)。此外，現(xiàn)場(chǎng)還依據(jù)DL/T 5211-2019標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)系統(tǒng)可靠性進(jìn)行了分析計(jì)算，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)期內(nèi)平均無故障時(shí)間遠(yuǎn)超設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)缺失率為0，可以滿足自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)需求。

結(jié)論：綜上所述，大壩是水電站中不可或缺的建筑類型，具有防洪、蓄水等眾多功能，其自身安全情況直接關(guān)系著電站運(yùn)行效率，影響著區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展。相關(guān)部門應(yīng)當(dāng)正視大壩自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的強(qiáng)大價(jià)值功能，從實(shí)踐出發(fā)做好設(shè)備選型，加強(qiáng)垂線坐標(biāo)儀、滲壓計(jì)等設(shè)備的安裝施工，合理設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在設(shè)備、采集單元的通力配合下，實(shí)現(xiàn)水電站大壩的自動(dòng)化、集成化管理，提升其安全性能。

參考文獻(xiàn)：

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