烏克蘭水電站的地球動力學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)

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1 監(jiān)測的目的

水工建筑物對經(jīng)濟(jì)、社會及環(huán)境發(fā)展具有重要的意義，因此，必須對其運(yùn)行狀態(tài)實施定期監(jiān)測(包括肉眼觀測及儀器監(jiān)測)，這也是行業(yè)規(guī)范的要求。

對水電站實施監(jiān)測是一個包括系統(tǒng)觀測、定期調(diào)查、研究及測試在內(nèi)的復(fù)雜過程，旨在確定水工建筑物及其基礎(chǔ)和附屬建筑物的運(yùn)行狀態(tài)。另外，監(jiān)測還應(yīng)包括對建筑物所承受的荷載進(jìn)行評估，以驗證其可靠性及安全性。因此，監(jiān)測過程不僅僅是檢查與觀測，還應(yīng)對所涉及的長度、完整性、化學(xué)性質(zhì)、容量、過濾及水力學(xué)流態(tài)等監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行計算和分析。

2 監(jiān)測方式的改進(jìn)

目前，對位于烏克蘭第聶伯(Dniepro)河和德涅斯特(Dniester)河已投運(yùn)的水電站及抽水蓄能電站在監(jiān)測方式方面進(jìn)行了改進(jìn)，具體描述如下。

(1) 對監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)管規(guī)劃及監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行了補(bǔ)充更新。

(2) 提高了控制水工建筑物安全性及可靠性方面的要求。

(3) 采用的控制設(shè)備及監(jiān)測技術(shù)更加先進(jìn)。

(4) 陳舊或破損的檢測設(shè)備、過時的監(jiān)測方法等已被擯棄。

(5) 在水電站設(shè)計和運(yùn)行方面借鑒了大量國際先進(jìn)經(jīng)驗。

現(xiàn)場檢查的范圍是按照設(shè)計的操作規(guī)程，在工程開發(fā)階段即已獲得批準(zhǔn)。烏克蘭水電公司旗下所有水電工程在施工階段均按現(xiàn)有施工程序配置了監(jiān)測設(shè)備，對水電站運(yùn)行階段的狀態(tài)監(jiān)測及現(xiàn)場檢查一直是依靠肉眼觀測，并將觀測數(shù)據(jù)記錄在工作日志上，維護(hù)人員會對每臺檢測儀器的測量值與其極限值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果，來控制建筑物參數(shù)的一致性。工作人員定期將監(jiān)測及觀測日志連同檢測數(shù)據(jù)一并提交給專業(yè)研究機(jī)構(gòu)，以對水電站各部分建筑物及機(jī)組狀況進(jìn)行綜合分析，為今后的補(bǔ)救工作及其方案研究提供參考。

烏克蘭水電站目前所采用的控制系統(tǒng)可以確保水電站在設(shè)計、施工及運(yùn)行等各階段的安全與穩(wěn)定。按照現(xiàn)行監(jiān)測慣例，維修隊或?qū)I(yè)機(jī)構(gòu)仍應(yīng)堅持現(xiàn)場檢查，對發(fā)現(xiàn)的問題及時加以分析研究。

3 新概念安全控制系統(tǒng)

由于監(jiān)測系統(tǒng)不符合現(xiàn)代要求，烏克蘭最大的公共水電股份公司(PJSC Ukrhydroenergo)要求其子公司-烏克蘭水電工程公司(PJSC Ukrhydroproject)開發(fā)了一個新的概念項目，即第聶伯河和德涅斯特河梯級水電站水工建筑物安全控制系統(tǒng)，以綜合改進(jìn)水工建筑物安全監(jiān)測方法。

該系統(tǒng)是一個涉及工業(yè)、技術(shù)、研究、經(jīng)濟(jì)及法律等諸多領(lǐng)域的綜合性系統(tǒng)，各級政府均采取了相應(yīng)措施，以使水工建筑物性能的可靠性及安全性達(dá)到更高的水平。該系統(tǒng)的主要目標(biāo)如下：

(1) 實現(xiàn)水電站綜合監(jiān)測，包括評估水電站的當(dāng)前狀況和提出一些補(bǔ)救建議及措施。

(2) 運(yùn)用特殊分析技術(shù)，對初步控制結(jié)果進(jìn)行定期分析，并據(jù)此對水工建筑物磨損程度及安全可靠性進(jìn)行定期評估。

(3) 根據(jù)水電站運(yùn)行維修要求以及其他監(jiān)管手冊，對水工建筑物狀態(tài)進(jìn)行技術(shù)檢測。

監(jiān)測水工建筑物的安全控制系統(tǒng)的作用及功能可以用下列等式表達(dá)為SCS=MS+SSMM，其中SCS表示安全控制系統(tǒng)；MS表示技術(shù)維護(hù)；SSMM表示現(xiàn)代化安全特別措施。

技術(shù)維護(hù)是指對水工建筑物進(jìn)行適當(dāng)?shù)臋z查及維護(hù)，包括診斷檢查、設(shè)計、研究、修復(fù)及補(bǔ)救等必要的工作。自動監(jiān)測系統(tǒng)是水電站控制的基礎(chǔ)，圖1顯示了自動化監(jiān)測系統(tǒng)的工作流程。

圖1 自動化監(jiān)測系統(tǒng)流程

實現(xiàn)水電站安全現(xiàn)代化需要采取特別的措施。執(zhí)行這些措施(包括調(diào)查研究)需要有明確的計劃或遵照特定的要求。在該過程中，部門或跨部門委員會及技術(shù)檢查人員負(fù)責(zé)組織指揮，其他監(jiān)管部門給出相關(guān)指令。

第聶伯河及德涅斯特河梯級水電站高壓建筑物安全評價，是一種基于多標(biāo)準(zhǔn)安全評價體系的綜合概念。極限狀態(tài)設(shè)計法雖然具有優(yōu)勢，但由于受到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的限制而不能對建筑物的可靠性及安全性給出客觀的評定。其原因是設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)給定的參考值通常是假定的，且有時會出現(xiàn)不合理或無意義的情況。歐洲設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中所采用的現(xiàn)代建筑物可靠性理論是概率法，它能提供一個更為客觀的安全評估方法。該方法是目前烏克蘭現(xiàn)代工程實踐中優(yōu)先采用的方法之一。

2000年，在基輔水電站啟動了一個基于自動化監(jiān)測系統(tǒng)的概念項目。項目招標(biāo)方為國際復(fù)興開發(fā)銀行，中標(biāo)人為加拿大洛克泰斯特(Roctest)集團(tuán)，班卡姆茲維雅佐克(Bancomzvjazok)公司為項目分包商。這一概念項目目前正處于建設(shè)中。

4 新控制系統(tǒng)的主要任務(wù)

新的自動化監(jiān)測系統(tǒng)可以完成以下3個主要任務(wù)。

(1) 實現(xiàn)水電站建筑物狀況評估，有助于制定及時必要的措施以確保水電站安全可靠地運(yùn)行。

(2) 研究建筑物老化過程，預(yù)測其使用壽命。

(3) 維護(hù)科研信息數(shù)據(jù)庫，以改善水電站運(yùn)行工況。

該系統(tǒng)的操作是由安裝在測試點(diǎn)、本地數(shù)據(jù)集中器(多路器)、服務(wù)器、工作站、通信信道及用戶軟件的眾多傳感器(主要測量傳感器)來實現(xiàn)的。系統(tǒng)的主要目的是最大限度地提高自動化處理數(shù)據(jù)的能力，采用綜合方法實現(xiàn)測量過程及數(shù)據(jù)處理自動化，可以最大限度地減少人工誤差對測量結(jié)果精度造成的影響。

在現(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集、自動化處理并與極限值進(jìn)行比較，以及對觀測結(jié)果進(jìn)行圖表分析，旨在防止水利工程及基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)生不良事故。

烏克蘭首次在其自動化監(jiān)測系統(tǒng)中添加了一個獨(dú)立元素，即實時空間位移測量系統(tǒng)，該國目前還沒有類似配置的系統(tǒng)投入運(yùn)行?；谌?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)的大地測量技術(shù)，可用來監(jiān)測水工建筑物變形。烏克蘭水電站所用的大地測量監(jiān)測系統(tǒng)包含有一個永久性大地控制網(wǎng)，該控制網(wǎng)是由2組基點(diǎn)綜合而成，其中第1組基點(diǎn)配備有高精度的GNSS接收器以及環(huán)形反射器；而第2組則配備有自動全站儀。

如圖4可見，優(yōu)化體系擴(kuò)增出來的譜帶明亮，背景清晰，穩(wěn)定性好。因此，建立的ITS-PCR體系和擴(kuò)增程序能夠滿足芋螺毒腺的ITS序列研究、芋螺遺傳多樣性分析、親緣關(guān)系鑒定和種質(zhì)資源評價等分子生物學(xué)的試驗要求。

對其他平面控制點(diǎn)，除了配備有GNSS接收機(jī)外，還在高程控制點(diǎn)和斜面控制點(diǎn)上布置了環(huán)形反射器。自動全站儀是利用傳統(tǒng)的反射器或環(huán)形反射器來讀取水平、垂直角度以及基站到控制點(diǎn)的距離。所有測量數(shù)據(jù)均通過各種數(shù)據(jù)信道實時地傳輸?shù)街醒霐?shù)據(jù)處理單元，數(shù)據(jù)處理中心則從最近的國家永久性網(wǎng)站在線接收GNSS測量數(shù)據(jù)，并進(jìn)行連續(xù)的數(shù)據(jù)處理。

因此，GNSS控制網(wǎng)給水電站分配了一個獨(dú)立的位移動力學(xué)參考系統(tǒng)，該系統(tǒng)的組成包括基點(diǎn)、全站儀及控制點(diǎn)。綜合空間測量可以保證對基線網(wǎng)的連續(xù)控制并可識別網(wǎng)絡(luò)控制點(diǎn)的位移。建筑安全統(tǒng)計學(xué)顯示，安裝了傳感器監(jiān)測系統(tǒng)的工程建筑物，發(fā)生意外事故的概率要比那些沒安裝的至少低一個數(shù)量級。工程建筑的監(jiān)測設(shè)備成本尚不及建筑物總成本的 0.5%～2%，比發(fā)生事故時的損毀成本更要低得多。

目前，班卡姆茲維雅佐克公司正在開發(fā)分析軟件CASCAD，該軟件是綜合監(jiān)測系統(tǒng)最后階段的組成部分。CASCAD軟件可以自動處理測試點(diǎn)的最大數(shù)據(jù)量，并可運(yùn)用數(shù)學(xué)工具及統(tǒng)計技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行多變量分析；同時，還可以通過定量定性分析，來確定建筑物特性是否與設(shè)計參數(shù)(強(qiáng)度、完整性、破壞評估及可靠性評估、風(fēng)險評價與評估)相符。

5 結(jié) 語

烏克蘭在國內(nèi)水電站水工建筑物中安裝了自動化監(jiān)測系統(tǒng)，其安裝及運(yùn)行狀況如下。

(1) 已運(yùn)營的水電站目前正在安裝自動化監(jiān)測系統(tǒng)，現(xiàn)有建筑物正在埋設(shè)傳感器。

(2) 該系統(tǒng)會對所有測試點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行全自動化處理，對現(xiàn)場肉眼檢查結(jié)果進(jìn)行半自動化處理。

(3) 為實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)全自動化分析，提出了開發(fā)并運(yùn)用定制軟件的要求。

(4) 正在建立水電站運(yùn)行、狀態(tài)及安全信息的綜合電子數(shù)據(jù)庫。

(5) 該系統(tǒng)為烏克蘭水電站的設(shè)計與運(yùn)行管理提供了有價值的信息。

(6) 為其他國家應(yīng)用該系統(tǒng)提供了最好的經(jīng)驗。