宮山咀水庫除險(xiǎn)加固工程自動(dòng)化系統(tǒng)的優(yōu)化與實(shí)現(xiàn)

劉　巖　郎福山

(沈陽翼羽工程建設(shè)監(jiān)理有限公司， 遼寧 沈陽　110161)

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運(yùn)行管理

宮山咀水庫除險(xiǎn)加固工程自動(dòng)化系統(tǒng)的優(yōu)化與實(shí)現(xiàn)

劉巖郎福山

(沈陽翼羽工程建設(shè)監(jiān)理有限公司， 遼寧 沈陽110161)

【摘要】宮山咀水庫除險(xiǎn)加固工程自動(dòng)化系統(tǒng)主要包括水情自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)、大壩滲流監(jiān)測系統(tǒng)、表面變形監(jiān)測系統(tǒng)、流量自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)和綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，通過對(duì)五大自動(dòng)化系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終得到了準(zhǔn)確的監(jiān)測成果，工程實(shí)施達(dá)到了預(yù)期效果。

【關(guān)鍵詞】宮山咀水庫；自動(dòng)化系統(tǒng)；優(yōu)化；實(shí)現(xiàn)

1工程概況

宮山咀水庫是大凌河上游的一座大(2)型綜合水利工程，位于距建昌縣城6km的宮山咀鄉(xiāng)。2001年9月開始宮山咀水庫除險(xiǎn)加固施工圖設(shè)計(jì)，因資金額度限制，2001—2004年只完成了大壩灌漿和擴(kuò)建溢洪道兩個(gè)項(xiàng)目。宮山咀水庫除險(xiǎn)加固工程由未完建筑工程和新增建筑工程組成，未完建筑工程調(diào)整概算總投資為209.42萬元，新增工程概算總投資為2972.48萬元，合計(jì)工程總投資3181.89萬元。

電站裝機(jī)容量為3105kW，多年平均發(fā)電量為622萬kW·h；水庫養(yǎng)魚面積為10000畝，年產(chǎn)魚量為7.5萬kg。水庫由于大壩存在質(zhì)量問題而多年壓低水位運(yùn)行，很少達(dá)到正常蓄水位，直接影響水庫的效益。大壩部分除險(xiǎn)加固內(nèi)容為重新翻修上下游護(hù)坡，防浪墻修補(bǔ)，石材罩面處理，壩頂擋墻罩面處理；溢洪道部分除險(xiǎn)加固內(nèi)容為溢洪道護(hù)坦混凝土修整，溢洪道下游漿砌石重力擋墻防護(hù)，溢洪道下游消力池修整；第一輸水洞除險(xiǎn)加固內(nèi)容為輸水洞裂縫處理，下游尾渠兩岸漿砌石防護(hù)，啟閉機(jī)室重新修繕；同時(shí)增設(shè)大壩觀測設(shè)施。此次配電改造主要任務(wù)是更換變壓器，1處輸水洞配電系統(tǒng)改造，電站出口閥門配電系統(tǒng)改造以及管理區(qū)配電；建立水文自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)；建立水庫綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。

2自動(dòng)化系統(tǒng)組成分析

宮山咀水庫除險(xiǎn)加固工程自動(dòng)化系統(tǒng)主要包括水情自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)、大壩滲流監(jiān)測系統(tǒng)、表面變形監(jiān)測系統(tǒng)、流量自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)和綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。五大系統(tǒng)設(shè)備組成情況分析如下：

a.水情自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)。上游雨量站8個(gè)(包括4個(gè)GPRS和衛(wèi)星雙通道雨量站、4個(gè)GPRS單通道雨量站)、庫區(qū)水文監(jiān)測站1個(gè)(含雨量和庫水位)、中心處理站1個(gè)(中心接收系統(tǒng)和避雷等設(shè)施)。

b.大壩滲流監(jiān)測系統(tǒng)。測壓管鉆孔近200m，原測壓孔舊基礎(chǔ)拆除及改造，水位傳感器及附件19套，無線網(wǎng)絡(luò)終端機(jī)19套(含終端及其天線等安裝)、網(wǎng)絡(luò)路由1套(含路由設(shè)備、太陽能電池供電系統(tǒng)和支架等)、儀表箱19個(gè)，中心工控機(jī)及傳輸接收設(shè)備1套，大壩安全分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)軟件1套，庫區(qū)淤積測量設(shè)備等。

c.大壩表面變形監(jiān)測系統(tǒng)。徠卡全站儀主機(jī)及附件1套，棱鏡及其附件5套，強(qiáng)制對(duì)中基座21個(gè)，變形測點(diǎn)護(hù)罩9個(gè)，數(shù)字水準(zhǔn)儀及其附屬設(shè)備1套，起測基點(diǎn)及其保護(hù)裝置6套，工作基點(diǎn)及保護(hù)裝置6套等。

d.流量自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)。超聲波流量計(jì)3套，超聲波水位計(jì)2套，防雷接地系統(tǒng)1套，流量自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)軟件1套,以及系統(tǒng)傳輸、采集設(shè)備。

e.綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)1套，水庫管理處局域網(wǎng)及綜合自動(dòng)化設(shè)備1套[1]。

3自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)施

3.1水情自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)

水情自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)首次采用以GPRS為主通道、北斗衛(wèi)星通信為備用通道混合組網(wǎng)的方式；北斗衛(wèi)星終端由專業(yè)公司為水利水電行業(yè)開發(fā)研制，通過北斗衛(wèi)星通信設(shè)備傳輸水文監(jiān)測數(shù)據(jù)。

a.雨量點(diǎn)建設(shè)。雨量計(jì)安裝符合水文自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)規(guī)范和水文測報(bào)裝置遙測雨量計(jì)要求(雨量計(jì)安裝地點(diǎn)必須具備10m2以上無遮擋的條件，如果有遮擋，則去掉遮擋)的開闊地，雨量計(jì)的承雨口不能被樹木遮擋，其周邊與遮擋物的距離應(yīng)大于遮擋物高度的2倍。

b.水文站建設(shè)。雨量計(jì)和遙測設(shè)備采用分體式結(jié)構(gòu)，雨量計(jì)要緊固于水泥基座上，基礎(chǔ)尺寸不小于400mm×400mm×300mm(長×寬×高)，并預(yù)埋地腳螺栓或下膨脹螺栓。三個(gè)螺栓在直徑為276mm圓的三等分點(diǎn)上，螺栓為M8×80mm，埋好后應(yīng)露出水泥臺(tái)面35mm以上。

水位計(jì)探頭投放在水位線以下，引線固定在套管管口法蘭處，經(jīng)變送器將引線數(shù)據(jù)傳送至遙測終端機(jī)，實(shí)現(xiàn)水位數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與傳輸功能。

c.中心站建設(shè)。配置中心控制機(jī)，調(diào)試GPRS通信和衛(wèi)星通信信道暢通率，開發(fā)洪水預(yù)報(bào)與防洪調(diào)度系統(tǒng)軟件平臺(tái)，建立實(shí)時(shí)監(jiān)測原始數(shù)據(jù)收集中心，分析數(shù)據(jù)的合理性和準(zhǔn)確性，進(jìn)行數(shù)據(jù)分類處理、實(shí)時(shí)顯示，并與其他應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。整編后形成有效數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫可以實(shí)現(xiàn)同步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)功能[2]。

以直方圖形式顯示大壩內(nèi)部各測壓管的實(shí)際觀測情況，從而直觀地展現(xiàn)出大壩內(nèi)部滲流情況。以某日數(shù)據(jù)為例，水庫大壩安全監(jiān)測橫斷面顯示如下頁圖所示。

橫斷面顯示對(duì)比柱狀圖

對(duì)所有測點(diǎn)在同一時(shí)間實(shí)際觀測水位進(jìn)行對(duì)比分析表明：各測點(diǎn)水位均低于庫水位，且符合設(shè)計(jì)值范圍。

3.2大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)

3.2.1滲流監(jiān)測子系統(tǒng)

大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)中的滲流監(jiān)測子系統(tǒng)采用ZigBee無線連接方式進(jìn)行組網(wǎng)，頻段為全球流行的2.4GHz；每個(gè)滲流觀測孔設(shè)1臺(tái)(套)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)終端進(jìn)行傳感器的水位數(shù)據(jù)采集；水位傳感器采用英國巖土弦式儀器，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和運(yùn)行期的微功耗。

3.2.2表面變形監(jiān)測系統(tǒng)

表面變形監(jiān)測系統(tǒng)采用人工測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)的方式，進(jìn)行大壩表面變形狀態(tài)分析。

a.水平位移測點(diǎn)。測點(diǎn)采用現(xiàn)澆混凝土體，基座與基礎(chǔ)采用鋼管連接，外部增設(shè)保護(hù)蓋。

b.豎向位移測點(diǎn)。測點(diǎn)采用預(yù)制混凝土體，混凝土在摸板澆筑至頂部時(shí)，插入混凝土中，測點(diǎn)頭露出1～1.5cm。

c.工作基點(diǎn)。基點(diǎn)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)部形成鋼筋籠，進(jìn)行配筋，基礎(chǔ)澆在設(shè)計(jì)基面上。澆筑完畢的混凝土的表面無較大的蜂窩、狗洞出現(xiàn)[3]。

3.2.3河床淤積測量

沿著庫區(qū)兩岸上游1000m范圍內(nèi)，每隔100m設(shè)一個(gè)橫斷面，每個(gè)斷面在庫區(qū)岸邊設(shè)橫斷標(biāo)記作為控制點(diǎn)。觀測人員坐船根據(jù)GPS確定的方向，用測深儀觀測河床沖刷、淤積情況，觀測方法如下：

a.水下部分一般采用交會(huì)法定位，用測桿、測深錘或回聲測深儀測深。水上部分采用普通測量方法。

b.對(duì)于斷面不能全部控制的局部復(fù)雜地形，應(yīng)輔以局部地形測量。

c.有條件時(shí)，可應(yīng)用電磁波測距儀或激光測距儀定位，或利用遙感照片分析水庫淤積。

通過監(jiān)測成果分析，得出的測量數(shù)據(jù)與水庫實(shí)際情況相符，且滿足相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3流量自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)

各流量監(jiān)測點(diǎn)的探頭經(jīng)電纜接入現(xiàn)地單元，再經(jīng)光纜接入設(shè)置在水庫管理中心的監(jiān)控主機(jī)，通過流量監(jiān)測系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)各流量監(jiān)測斷面的數(shù)據(jù)采集、處理、計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、各種圖象顯示、報(bào)表等功能，使整個(gè)系統(tǒng)的流量監(jiān)測集中處理存儲(chǔ)。

在進(jìn)入安裝現(xiàn)場施工前，需對(duì)設(shè)備進(jìn)行組裝、檢測，然后運(yùn)到現(xiàn)場進(jìn)行安裝；現(xiàn)場首先根據(jù)渠道寬度、流速和水位設(shè)計(jì)超聲波流量計(jì)安裝位置，然后進(jìn)行設(shè)備的安裝和布線。設(shè)備安裝完成后，進(jìn)行整體設(shè)備安裝與連接檢查，檢查合格后進(jìn)行局部調(diào)試，局部調(diào)試合格后進(jìn)行整體調(diào)試[4]。

3.4遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)

根據(jù)水庫監(jiān)控點(diǎn)的分布特點(diǎn)和現(xiàn)狀，對(duì)各分布點(diǎn)的視頻信號(hào)進(jìn)行收集匯總，匯集后的視頻監(jiān)控信息通過SDH光纜傳送至管理中心終端機(jī)。

實(shí)施過程中首先進(jìn)行視頻監(jiān)控點(diǎn)的匯集和中心設(shè)備的調(diào)試，然后連接租用的通信鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和管理中心設(shè)備的調(diào)試。管理中心配置逆向解壓、信號(hào)接收、存儲(chǔ)設(shè)備、集中顯示控制軟件和視頻服務(wù)器；通信鏈路采用10M帶寬，保障了視頻監(jiān)控系統(tǒng)信息傳送的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性。水庫管理中心視頻監(jiān)控設(shè)備與其他自動(dòng)化系統(tǒng)組成星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)框架，同時(shí)視頻服務(wù)器預(yù)留了足夠的接口，以備系統(tǒng)后續(xù)擴(kuò)展使用[5]。

3.5局域網(wǎng)及綜合自動(dòng)化系統(tǒng)

水庫管理處局域網(wǎng)的建設(shè)，將構(gòu)建水文自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)、洪水預(yù)報(bào)與防洪調(diào)度系統(tǒng)、大壩安全自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)、流量自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)、防汛會(huì)商系統(tǒng)和綜合調(diào)度會(huì)商決策支持系統(tǒng)等各子系統(tǒng)監(jiān)控中心和防汛會(huì)商中心等網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和傳輸，凸顯水利水電行業(yè)管理的自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化水平，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代信息化管理。實(shí)施過程中對(duì)水庫管理調(diào)度樓進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)布線，通過交換機(jī)進(jìn)行組網(wǎng)，通過相關(guān)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)管理[6]。

4結(jié)語

宮山咀水庫除險(xiǎn)加固工程自動(dòng)化系統(tǒng)的投入使用，使水庫運(yùn)行效果顯著。水庫運(yùn)行人員和上級(jí)管理部門能夠?qū)崟r(shí)掌握水庫的運(yùn)行情況，及時(shí)指導(dǎo)水庫的安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高了大壩安全水平。大壩監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)踐表明：安全監(jiān)測設(shè)計(jì)項(xiàng)目及測點(diǎn)布置比較全面，符合土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范的要求；進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化改進(jìn)后，能夠滿足該工程安全監(jiān)測的需要，監(jiān)測儀器埋設(shè)質(zhì)量較好，儀器檢驗(yàn)基本符合要求，已埋設(shè)儀器完好率高，觀測資料可正常采集，觀測精度能滿足工程監(jiān)測技術(shù)要求。工程完工以來，水庫供水、防洪等運(yùn)行正常。水庫蓄水位接近正常高水位，可供水量約5250多萬m3，供水效益明顯[7]。

該工程自動(dòng)化系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)為水庫運(yùn)行管理提供了有力保障，確保了各監(jiān)測系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，監(jiān)測數(shù)據(jù)高效準(zhǔn)確；為調(diào)度管理部門做出正確決策提供了數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)為水庫電站提高發(fā)電量創(chuàng)造了條件，大大提高了水庫運(yùn)行效率。

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The optimization and implementation of automation system in Gongshanzui Reservoir Risk Removal and Consolidation Project

LIU Yan, LANG Fushan

(ShenyangYiyuEngineeringConstructionSupervisionCo.,Ltd.,Shenyang110161,China)

Abstract:Automation system in Gongshanzui Reservoir Risk Removal and Consolidation Project mainly includes water condition automatic monitoring system, dam seepage monitoring system, surface deformation monitoring system, flow automatic monitoring system and integrated automation system. Accurate monitoring results are finally obtained through the optimization design of five major automation systems. Anticipated effects are reached in project implementation.

Key words:Gongshanzui Reservoir; automation system; optimization; implementation

DOI:10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.06.010

中圖分類號(hào)：TV697

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1673-8241(2016)06- 0031- 04