李家峽水電站垂線自動(dòng)化系統(tǒng)改造

張京利

（青海黃河水電公司大壩管理中心，青海西寧 810008）

1 李家峽水電站工程概況

李家峽水電站位于青海省尖扎縣和化隆縣交界處，是以發(fā)電為主，兼顧灌溉、供水等綜合利用的大型水電工程。電站至龍羊峽水電站河道里程108.6 km，距青海省會(huì)西寧市直線距離55km，公路里程112km。電站設(shè)計(jì)裝機(jī)5臺(tái)，總裝機(jī)容量為2000MW（5×400 MW）。工程分二期，一期工程裝機(jī)1 600 MW（4×400MW），二期工程裝機(jī)400 MW（未安裝），土建工程一次建成。電站在系統(tǒng)中擔(dān)任調(diào)峰、調(diào)頻、汛期擔(dān)負(fù)基荷。

2 李家峽水電站大壩自動(dòng)化垂線監(jiān)測(cè)介紹及系統(tǒng)改造前問題

李家峽水電站垂線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要用于李家峽大壩及壩基巖體的水平位移及壩體撓度監(jiān)測(cè)，共布置了7條垂線，分別在拱壩的兩岸壩肩（左重力墩1段和右1號(hào)壩段）、拱冠（11號(hào)壩段）和1/4拱處（6號(hào)壩段和16號(hào)壩段），以及F7′斷層和左重力墩3段。11號(hào)壩段共設(shè)基礎(chǔ)倒垂3組，孔深分別為25 m、45 m和65 m，相應(yīng)錨固點(diǎn)高程分別為2 010 m、1 990 m和1 970 m；其余垂線各設(shè)一組倒垂，除16號(hào)壩段倒垂線錨固高程為2 037 m外，其余垂線錨固點(diǎn)高程均為2 029 m。為了監(jiān)測(cè)左岸壩肩巖體的變位，在左岸重力墩3段外側(cè)布置有0號(hào)垂線，掛點(diǎn)高程為2 185 m，錨固點(diǎn)高程為2 029 m，共計(jì)32個(gè)測(cè)點(diǎn)。如圖1所示。

自李家峽大壩垂線自動(dòng)化系統(tǒng)投運(yùn)以來，為大壩動(dòng)態(tài)分析累計(jì)了寶貴的原始數(shù)據(jù)，從歷年系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)情況來看，CCD垂線坐標(biāo)儀故障率頻繁，數(shù)據(jù)采集率低，造成數(shù)據(jù)中斷不連續(xù)，主要的故障現(xiàn)象見表1。

3 垂線自動(dòng)化系統(tǒng)改造

3.1 設(shè)備改造方式及設(shè)備選型

從李家峽大壩垂線自動(dòng)化運(yùn)行情況來看，原CCD垂線儀的主要問題是發(fā)光筒故障率高，主板燒毀。經(jīng)過電源改造和垂線室環(huán)境整治后，設(shè)備運(yùn)行環(huán)境得到改善，基本可以達(dá)到“環(huán)境適應(yīng)設(shè)備”的目的，在數(shù)據(jù)采集模塊不變的情況下，則不考慮更換其它類型的坐標(biāo)儀，采用聯(lián)能公司升級(jí)后CCD垂線遙測(cè)坐標(biāo)儀——LN2002A-I型CCD垂線遙測(cè)坐標(biāo)儀，其技術(shù)參數(shù)見表2。人工觀測(cè)CG-2A垂線坐標(biāo)儀軸系存有系統(tǒng)間隙差，觀測(cè)精度隨著時(shí)間的增長而降低，觀測(cè)時(shí)攜帶不方便，更換為MZ-1垂線瞄準(zhǔn)儀，技術(shù)參數(shù)見表3。

表1 李家峽大壩自動(dòng)化垂線系統(tǒng)出現(xiàn)故障Table 1:Faults arose within the plumb line system

表2 LN2002A-I型CCD垂線遙測(cè)坐標(biāo)儀技術(shù)參數(shù)Table 2:Technical parameters of the LN2002A-I type CCD telemetric coordinator

表3 MZ-1型垂線瞄準(zhǔn)儀主要技術(shù)指標(biāo)Table 3:Technical parameters of the MZ-1 type plumb line col-limator

3.2 改造內(nèi)容

改造內(nèi)容主要包括垂線支架制作、倒垂線浮筒臨時(shí)支護(hù)、MZ-1垂線瞄準(zhǔn)儀安裝、CCD坐標(biāo)儀安裝和垂線室環(huán)境整治等內(nèi)容。

3.3 改造難點(diǎn)

本次垂線自動(dòng)化改造的難點(diǎn)在于：（1）自動(dòng)化垂線坐標(biāo)儀、人工觀測(cè)垂線儀與壩體徑、切向調(diào)整一致，同一垂線上的測(cè)點(diǎn)方向調(diào)整一致。（2）電纜絕緣處理。

3.3.1 MZ-1人工垂線瞄準(zhǔn)儀安裝（以拱冠3號(hào)垂線舉例）

（1）拱冠垂線位于主壩11號(hào)壩段，分別共布在2 150 m、2 114 m、2 087 m、2 059 m和2 035 m高程，其中正垂測(cè)點(diǎn)5個(gè)，倒垂測(cè)點(diǎn)3個(gè)。拱冠3號(hào)垂線測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)盤實(shí)際徑向方位角、理論徑向方位角如表4所示。

表4 3號(hào)垂線各測(cè)點(diǎn)實(shí)際、理論徑向方位角統(tǒng)計(jì)表Table 4:Practical and theoretical radial azimuth angles of the monitoring points on the No.3 plumb line

（2）依據(jù)李家峽水電站大壩觀測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)改造方案審查意見“將拱冠、左右1/4拱2 150 m層測(cè)點(diǎn)垂線儀安裝方位調(diào)整為大壩徑、切向，同一垂線上的測(cè)點(diǎn)方向調(diào)整一致”，本次改造中以2150層PL3-1測(cè)點(diǎn)理論徑向方向67°48′為準(zhǔn)，將其它測(cè)點(diǎn)MZ-1瞄準(zhǔn)儀徑向測(cè)量方向調(diào)整為67°48′，MZ-1垂線瞄準(zhǔn)儀徑向方向與三角標(biāo)盤徑向方向夾角見表5，夾角即MZ-1垂線瞄準(zhǔn)儀在現(xiàn)場安裝時(shí)的修正角度。

（3）考慮MZ-1瞄準(zhǔn)儀安裝時(shí)空間因素，安裝時(shí)將MZ-1瞄準(zhǔn)儀圓弧面背對(duì)上游或下游，具體見表6。

表5 3號(hào)垂線各測(cè)點(diǎn)MZ-1瞄準(zhǔn)儀徑向安裝方向及修正角度Table 5:Radial installation direction and correction angles of the MZ-1 type plumb line collimator

表6 3號(hào)垂線各測(cè)點(diǎn)MZ-1瞄準(zhǔn)儀圓弧面背對(duì)方向Table 6:Installation position of the monitoring points of MZ-1 type plumb line collimator

（4）現(xiàn)場放樣及旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量

現(xiàn)場放樣：在安裝MZ-1垂線瞄準(zhǔn)儀前，在目前已知垂線三角觀測(cè)標(biāo)盤徑向方向的基礎(chǔ)上，將三角觀測(cè)標(biāo)盤徑向方向延長，在垂線室上下游前面畫點(diǎn)，作點(diǎn)標(biāo)記，精確定位三角觀測(cè)標(biāo)盤徑向方位。

安裝MZ-1垂線瞄準(zhǔn)儀時(shí)，MZ-1垂線瞄準(zhǔn)儀徑向方向在已知垂線室上下游墻面點(diǎn)標(biāo)記方位的基礎(chǔ)上，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)夾角。旋轉(zhuǎn)后，MZ-1垂線瞄準(zhǔn)儀徑向方向統(tǒng)一調(diào)整為67°48′。其旋轉(zhuǎn)夾角用量角器測(cè)量，精度控制在1°之內(nèi)（因現(xiàn)場空間狹小，精密測(cè)角儀器存在盲角）。

其它各條垂線測(cè)點(diǎn)安裝方法與上相同。

3.3.2 LN2002A-I型CCD垂線坐標(biāo)儀安裝

（1）在準(zhǔn)備好的支架上，先安裝儀器底板，儀器底板四個(gè)螺栓孔與支架孔連接好，固定螺絲擰緊時(shí)要適量。見圖2。

圖2 LN2002A-I型垂線遙測(cè)坐標(biāo)儀安裝示意圖Fig.2 Instruction of installation of LN2002A-I type telemetric coordinator

（2）安裝時(shí)，將垂線線體置于坐標(biāo)系中間，使測(cè)量基值x=25.0±1 mm，y=25.0±1 mm，累積位移量=±（實(shí)測(cè)值-基值），正、負(fù)號(hào)按DL/T5178-2003規(guī)范選取。調(diào)整核實(shí)坐標(biāo)儀徑向與切向方向。安裝時(shí)要考慮該垂線觀測(cè)點(diǎn)今后變化范圍及方向，安裝起始點(diǎn)選擇與MZ-1垂線瞄準(zhǔn)儀安裝時(shí)起始點(diǎn)選擇相同。

（3）精確現(xiàn)場放樣CCD垂線遙測(cè)坐標(biāo)儀經(jīng)切向方向，放樣方法與MZ-1垂線瞄準(zhǔn)儀放樣方法相同。放樣后CCD垂線遙測(cè)坐標(biāo)儀經(jīng)切向方向與MZ-1垂線瞄準(zhǔn)儀經(jīng)切向方向精確調(diào)整一致。

（4）將儀器支架與垂線鋼支架點(diǎn)焊固定。

（5）再次核實(shí)CCD垂線遙測(cè)坐標(biāo)儀經(jīng)切向方向與MZ-1垂線瞄準(zhǔn)儀經(jīng)切向方向是否一致，一致后滿焊焊接，焊接牢固。焊接前將儀器支架用水準(zhǔn)尺調(diào)平。

3.3.3 網(wǎng)線連接及絕緣處理

電纜絕緣處理工藝與方法：首先將電纜頭護(hù)層剝開50～60 mm，然后按照絕緣層顏色錯(cuò)落依次剝開絕緣層，將絕緣顏色相同的導(dǎo)體分別叉接并焊接好，用電工絕緣布包扎，外套?5 mm熱縮管，接好屏蔽和地線，最后將接好電纜用電工絕緣膠布整體纏繞起來，外套兩層?12 mm、?16 mm熱縮管，在熱縮管兩端纏繞熱熔膠帶，進(jìn)行烘烤，對(duì)接頭做密封處理。電纜連接工藝如圖3所示。相同顏色芯線焊接要求密實(shí)無虛焊、外形平順；焊接處芯線套管長度應(yīng)能全部覆蓋并留有5～10 mm的余量；絕緣膠帶的纏繞應(yīng)緊密無松動(dòng)，粘接可靠；內(nèi)層套管應(yīng)緊密熱縮，內(nèi)無存留氣泡。

圖3 電纜連接工藝示意圖Fig.3 Linkage of the cable

4 設(shè)備調(diào)試

CCD垂線坐標(biāo)儀安裝完畢后，在采集軟件參數(shù)庫中對(duì)儀器連接模塊通道號(hào)（地址）、儀器靈敏度系數(shù)等進(jìn)行設(shè)置。CCD垂線坐標(biāo)儀與推線裝置對(duì)比測(cè)試過程中，垂線徑、切向兩個(gè)方向的率定分檔按5 mm進(jìn)行往返推線工作?，F(xiàn)場進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)，僅列舉PL5_2進(jìn)行說明。見表7。

5 公式編輯及資料銜接

5.1 公式編輯

可參照MZ-1垂線瞄準(zhǔn)儀使用說明書和DL/T5178-2003《混凝土大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》中有關(guān)變形儀器公式編輯要求進(jìn)行編輯，編輯包括人工測(cè)值部分和自動(dòng)化測(cè)值部分。

表7 PL5_2數(shù)據(jù)對(duì)比表Table 7:Data comparison

5.2 資料銜接

（1）在本次MZ-1垂線瞄準(zhǔn)儀安裝過程中，采取整條垂線安裝方法。安裝前先用CG-2A對(duì)整條線進(jìn)行連續(xù)3次觀測(cè)，即在兩天內(nèi)對(duì)整條垂線觀測(cè)3次。同時(shí)記錄當(dāng)天的自動(dòng)化測(cè)值。在一條垂線中，每安裝完一個(gè)測(cè)點(diǎn)MZ-1后，次日對(duì)該測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)。觀測(cè)時(shí)段和測(cè)次與CG-2A的觀測(cè)時(shí)段和測(cè)次相同。整條垂線的MZ-1全部安裝完畢，并對(duì)最后安裝MZ-1的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)后，記錄自動(dòng)化測(cè)值。

（2）數(shù)據(jù)銜接時(shí)，對(duì)某一測(cè)點(diǎn)安裝前的CG-2A觀測(cè)數(shù)據(jù)和安裝后的首次MZ-1觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到該垂線安裝前、后的相對(duì)位移值，并進(jìn)行差值計(jì)算，得到“C1”值。提取該點(diǎn)在MZ-1安裝前、后的自動(dòng)化相對(duì)位移值，并進(jìn)行差值計(jì)算，得到“C2”值。垂線各測(cè)點(diǎn)的取值時(shí)間及所取得的“C1”、“C2”值如表8所示。

（3）由于李家峽水電站在前期大壩垂線觀測(cè)中將上下游方向設(shè)定為“Y”，左右岸方向設(shè)定為“X”。因此，考慮到數(shù)據(jù)銜接問題，在公式編輯中，進(jìn)行了角度轉(zhuǎn)換，使后期的觀測(cè)數(shù)據(jù)能夠與前期數(shù)據(jù)銜接起來。

（4）在MZ-1瞄準(zhǔn)儀計(jì)算公式編輯時(shí)，將“C1”值和“C2”值加入到測(cè)點(diǎn)相對(duì)位移的計(jì)算公式內(nèi)。

（5）根據(jù)編輯好的各垂線計(jì)算公式，對(duì)計(jì)算機(jī)Damsafety2005程序中的“系統(tǒng)管理和數(shù)據(jù)管理”中垂線人工觀測(cè)的計(jì)算公式進(jìn)行修改。

垂線自動(dòng)化系統(tǒng)完工驗(yàn)收并投入試運(yùn)行后，及時(shí)展開了人工與自動(dòng)化比測(cè)工作。垂線坐標(biāo)儀設(shè)備運(yùn)行良好，自動(dòng)化與人工比測(cè)成果偏差保持基本穩(wěn)定，無趨勢(shì)性漂移。見圖4、圖5。

表8 4號(hào)垂線測(cè)點(diǎn)取值及“C1”、“C2”修正值Table 8:Measured data by the monitoring points on the plumb line 4 and correction of C1 and C2

圖4 PL3-1X方向人工與自動(dòng)化對(duì)比過程線Fig.4 Comparison between monitoring data by automatic sys-tem and by man measurement in the PL3-1X direction

圖5 PL3-1Y方向人工與自動(dòng)化對(duì)比過程線Fig.5 Comparison between monitoring data by automatic sys-tem and by man measurement in the PL3-1Y direction

5 結(jié)語

本次垂線自動(dòng)化是在原有垂線自動(dòng)化觀測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)備更新、維修、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)更換、軟件更新升級(jí)等，因包含舊設(shè)備及電纜的拆除、舊設(shè)備維修、歷史數(shù)據(jù)銜接等內(nèi)容，改造項(xiàng)目的施工比新建項(xiàng)目難度更大。由于之前未進(jìn)行過自動(dòng)化觀測(cè)系統(tǒng)工程的施工，經(jīng)驗(yàn)較為缺乏，本次改造中主要加大培訓(xùn)力度，重點(diǎn)放在人員的培養(yǎng)上，在施工的同時(shí)加強(qiáng)學(xué)習(xí)，以理論與實(shí)際相結(jié)合的方式，提升個(gè)人能力及整體技術(shù)水平。

從李家峽大壩垂線自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用來看，系統(tǒng)自改造投入運(yùn)行以來，測(cè)值與改造前相比較，連續(xù)性、可靠性得到提高。由于改造后運(yùn)行時(shí)間較短，存在的個(gè)別問題還沒有凸顯出來，只有在今后的運(yùn)行中不斷總結(jié)、探索，才能使自動(dòng)化系統(tǒng)得到不斷完善，使大壩自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)水平得到提高。