運(yùn)行期水電站大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)評級方法及應(yīng)用

周建波，王玉潔

（國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州，311122）

運(yùn)行期水電站大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)評級方法及應(yīng)用

周建波，王玉潔

（國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州，311122）

在對監(jiān)測系統(tǒng)可靠性、完備性評價(jià)的基礎(chǔ)上，提出監(jiān)測系統(tǒng)評級原則，明確監(jiān)測系統(tǒng)完備性、可靠性等評價(jià)要素的具體內(nèi)容和標(biāo)準(zhǔn)，并在實(shí)際工程中進(jìn)行應(yīng)用。

監(jiān)測系統(tǒng)；評級；監(jiān)測管理

0 引言

大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)是監(jiān)控水電站大壩運(yùn)行安全不可或缺的重要設(shè)施，也是大壩運(yùn)行管理的耳目。根據(jù)2015年水電站大壩安全監(jiān)測工作情況報(bào)告，在統(tǒng)計(jì)的358座大壩中，有355座設(shè)置了監(jiān)測系統(tǒng)，其中227座大壩采用自動(dòng)化監(jiān)測，平均每座大壩設(shè)339個(gè)測點(diǎn)。上述大壩通過監(jiān)測系統(tǒng)獲取了大量監(jiān)測數(shù)據(jù)，為保障大壩安全運(yùn)行發(fā)揮了重要作用。因此保證監(jiān)測系統(tǒng)可靠運(yùn)行，全面掌握監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行狀況，定期進(jìn)行監(jiān)測系統(tǒng)的鑒定評價(jià)是非常必要的。在DL/T 5313-2014《水電站大壩運(yùn)行安全評價(jià)導(dǎo)則》中，對監(jiān)測系統(tǒng)評價(jià)已提出了相關(guān)的要求，但尚未制定專門的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)加以規(guī)范。目前監(jiān)測系統(tǒng)的鑒定評價(jià)一般通過現(xiàn)場檢查、現(xiàn)場測試、查閱資料等手段，對監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性、完備性進(jìn)行綜合評價(jià)[1]。自第二輪大壩安全定期檢查以來基本按此方法開展工作，但該方法對整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)狀況的描述往往比較模糊，不利于監(jiān)測管理工作的有效開展；另外有些學(xué)者在理論上對監(jiān)測系統(tǒng)綜合評價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行研究[2-3]，以期能定量對監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行評價(jià)，但在實(shí)際操作中由于評價(jià)層次和評價(jià)指標(biāo)較繁多，各個(gè)監(jiān)測項(xiàng)目、測點(diǎn)所占的權(quán)重確定困難等原因，在實(shí)際工程中很少應(yīng)用。

因此，有必要在監(jiān)測系統(tǒng)可靠性、完備性評價(jià)基礎(chǔ)上，研究易于理解和方便操作的監(jiān)測系統(tǒng)評級方法，對水電站大壩監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行狀況進(jìn)行分類，有助于監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行狀況的監(jiān)控和管理工作。

1 監(jiān)測系統(tǒng)評級原則

大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)由環(huán)境量、變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變及溫度等監(jiān)測項(xiàng)目組成，按重要性可分為重要監(jiān)測項(xiàng)目和一般監(jiān)測項(xiàng)目。重要監(jiān)測項(xiàng)目是指針對大壩重要部位和薄弱環(huán)節(jié)、根據(jù)大壩實(shí)際運(yùn)行特性和工作性態(tài)而確定的監(jiān)測項(xiàng)目[4]。工程投運(yùn)以后，隨著時(shí)間推移，必然會(huì)出現(xiàn)部分監(jiān)測儀器設(shè)備性能降低、失效甚至損壞等現(xiàn)象。為此，運(yùn)行期大壩安全監(jiān)測要突出重點(diǎn)，從滿足大壩安全監(jiān)控的要求，對重要監(jiān)測項(xiàng)目需確保其長期可靠，對于一般監(jiān)測項(xiàng)目，應(yīng)盡可能保證其正常運(yùn)行。按照上述原則，通過監(jiān)測系統(tǒng)綜合評價(jià)，可將監(jiān)測系統(tǒng)等級分為a級、a-級、b級、c級，具體評級原則如下：

（1）符合下列條件的監(jiān)測系統(tǒng)，評定為a級：監(jiān)測系統(tǒng)完備，涵蓋了大壩安全監(jiān)控的各個(gè)部位；重要監(jiān)測項(xiàng)目儀器設(shè)備可靠，方法合適，一般監(jiān)測項(xiàng)目儀器完好率較高；監(jiān)測成果精度高，能真實(shí)反映大壩運(yùn)行性態(tài)。

（2）符合下列條件的監(jiān)測系統(tǒng)，評定為a-級：監(jiān)測系統(tǒng)總體完備，重要部位和工程薄弱環(huán)節(jié)設(shè)有相應(yīng)監(jiān)測項(xiàng)目；重要監(jiān)測項(xiàng)目監(jiān)測儀器設(shè)備總體可靠，方法合適；重要監(jiān)測項(xiàng)目監(jiān)測成果精度高，總體能反映大壩運(yùn)行性態(tài)。

（3）具有下列情形之一的監(jiān)測系統(tǒng)，評定為b級：重要部位和工程薄弱環(huán)節(jié)缺失監(jiān)測項(xiàng)目一項(xiàng)；一項(xiàng)重要監(jiān)測項(xiàng)目監(jiān)測儀器設(shè)備不可靠或方法不合適；重要監(jiān)測項(xiàng)目監(jiān)測成果不能反映大壩運(yùn)行性態(tài)。

（4）具有下列情形之一的監(jiān)測系統(tǒng)，評定為c級：監(jiān)測系統(tǒng)未設(shè)置或未能涵蓋大壩主要部位；監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行總體較差，多項(xiàng)重要監(jiān)測項(xiàng)目監(jiān)測儀器設(shè)備不可靠或方法不合適；監(jiān)測成果不能反映大壩運(yùn)行性態(tài)。

2 評級要素

從評級原則中可以將評級要素分為完備性和可靠性：完備性可分為整體完備性和重要監(jiān)測項(xiàng)目完備性；可靠性可分為監(jiān)測儀器設(shè)備可靠性和監(jiān)測數(shù)據(jù)可信度。因此，對監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行合理、準(zhǔn)確的評級，需準(zhǔn)確界定上述評級要素的內(nèi)容和標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 運(yùn)行期重要監(jiān)測項(xiàng)目

重要監(jiān)測項(xiàng)目是根據(jù)大壩的實(shí)際情況確定的，既有一定共性，更有其個(gè)性，不同壩型不一樣，同一類壩型也存在一定差異。每個(gè)工程由于先天條件、設(shè)計(jì)原則、施工質(zhì)量、運(yùn)行管理等方面存在差異，導(dǎo)致每座大壩的重要部位和薄弱環(huán)節(jié)都有各自的特點(diǎn)，難以統(tǒng)一界定。經(jīng)收集和分析已建工程的運(yùn)行情況，其常規(guī)需要布置的重要監(jiān)測項(xiàng)目見表1。

除進(jìn)行常規(guī)布置外，還有根據(jù)工程具體特點(diǎn)所設(shè)置的監(jiān)測項(xiàng)目也是重要監(jiān)測項(xiàng)目。具體如下：

（1）壩基存在明顯地質(zhì)缺陷，影響大壩穩(wěn)定或出現(xiàn)應(yīng)力集中，如緩傾角軟弱夾層、順河向大斷層，需設(shè)置軟弱夾層錯(cuò)動(dòng)監(jiān)測，對大斷層部位滲壓、基礎(chǔ)變位等進(jìn)行監(jiān)測。

（2）兩岸壩肩存在不利地質(zhì)構(gòu)造或階地岸坡，允許滲透坡降較低，需設(shè)置繞壩滲流監(jiān)測。

（3）碾壓混凝土壩（中高壩）需設(shè)置壩體滲壓監(jiān)測。

（4）直心墻堆石壩基礎(chǔ)部位設(shè)置廊道的，需設(shè)置基礎(chǔ)廊道變形監(jiān)測。

（5）建在深覆蓋基礎(chǔ)的工程，需設(shè)置基礎(chǔ)防滲體的變形、滲壓等監(jiān)測。

（6）進(jìn)行過補(bǔ)強(qiáng)加固或特殊處理的工程，需設(shè)置相應(yīng)的監(jiān)測項(xiàng)目。

（7）工程邊坡穩(wěn)定對地下水作用比較敏感的，需設(shè)置地下水位監(jiān)測。如存在明顯滑動(dòng)面的，需設(shè)置深部變形監(jiān)測。

表1 各類壩型常規(guī)重要監(jiān)測項(xiàng)目一覽表Table 1 List of important monitoring items of various dam types

運(yùn)行期大壩應(yīng)根據(jù)大壩的實(shí)際運(yùn)行情況，在監(jiān)測系統(tǒng)評價(jià)時(shí)需確定重要監(jiān)測項(xiàng)目，對照大壩監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)置現(xiàn)狀，可以確定是否存在漏項(xiàng)、缺項(xiàng)情況，如存在漏項(xiàng)、缺項(xiàng)，則認(rèn)為監(jiān)測系統(tǒng)完備性不能滿足要求。

2.2 監(jiān)測儀器設(shè)備可靠性

監(jiān)測儀器設(shè)備可靠運(yùn)行是取得可信數(shù)據(jù)的基本保證，儀器出廠及安裝埋設(shè)時(shí)，均經(jīng)過相應(yīng)的檢驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)均符合相關(guān)規(guī)范要求，但投入運(yùn)行后受外部條件影響和自身性能下降，導(dǎo)致可靠性降低。因此，日常需通過現(xiàn)場檢查外觀是否完好，運(yùn)行條件是否符合儀器廠家要求，現(xiàn)場測試儀器設(shè)備性能指標(biāo)是否滿足要求，據(jù)此來評價(jià)監(jiān)測儀器設(shè)備是否可靠。運(yùn)行期監(jiān)測儀器設(shè)備性能指標(biāo)主要考查穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。重要監(jiān)測項(xiàng)目的可靠性評價(jià)內(nèi)容如下。

2.2.1 大壩水平位移

大壩壩頂水平位移通常采用視準(zhǔn)線、極坐標(biāo)、交會(huì)法、引張線、垂線、真空激光等進(jìn)行監(jiān)測；壩基水平位移一般采用引張線、垂線、真空激光等進(jìn)行監(jiān)測；壩體水平位移主要采用垂線進(jìn)行監(jiān)測?，F(xiàn)行規(guī)范要求，混凝土壩壩頂水平位移中誤差限值：重力壩±1 mm、拱壩徑向±2 mm、拱壩切向±1 mm；混凝土壩壩基水平位移中誤差限值±0.3 mm；土石壩表面水平位移中誤差限值±3 mm?？煽啃栽u價(jià)內(nèi)容如下：

視準(zhǔn)線、極坐標(biāo)、交會(huì)法：各測點(diǎn)觀測墩的外觀完好情況，與壩體結(jié)合是否牢固，觀測方法是否合理，全站儀、經(jīng)緯儀觀測精度是否滿足要求及送檢情況。

引張線：固定端裝置、線體、浮托裝置、保護(hù)管、掛重端裝置等完好情況，線體是否能自由活動(dòng)，浮船有無擱淺碰壁?，F(xiàn)場需對線體進(jìn)行三角形試驗(yàn)和復(fù)位差測試，評價(jià)其安裝質(zhì)量和抗干擾性能，對測讀裝置進(jìn)行準(zhǔn)確性測試，評價(jià)其準(zhǔn)確性。

垂線：油桶、護(hù)管、線體、觀測裝置等完好情況，倒垂浮力和正垂重錘是否滿足要求，線體是否能自由活動(dòng)，現(xiàn)場需對線體進(jìn)行復(fù)位差測試，評價(jià)其安裝質(zhì)量和抗干擾性能；對測讀裝置進(jìn)行準(zhǔn)確性測試，評價(jià)其準(zhǔn)確性。

真空激光：發(fā)射裝置、接收裝置、真空管道等外觀情況，管道抽真空時(shí)間、真空度及保持度、漏氣率等是否滿足要求；現(xiàn)場需進(jìn)行短期穩(wěn)定性測試。

2.2.2 大壩垂直位移

大壩垂直位移一般采用幾何水準(zhǔn)、靜力水準(zhǔn)、雙金屬標(biāo)、真空激光等進(jìn)行監(jiān)測。現(xiàn)行規(guī)范要求，混凝土壩壩頂垂直位移中誤差限值±1 mm，壩基垂直位移中誤差限值±0.3 mm；土石壩表面垂直位移中誤差限值±3 mm?？煽啃栽u價(jià)內(nèi)容如下：

幾何水準(zhǔn)：各測點(diǎn)標(biāo)芯外觀完好情況，與壩體結(jié)合是否牢固，觀測方法是否合理，水準(zhǔn)儀觀測精度是否滿足要求及送檢情況。

靜力水準(zhǔn)：缽體、連通管完好情況，與壩體結(jié)合是否牢固，是否存在漏液，現(xiàn)場需測試評價(jià)連通管的連通性及靜力水準(zhǔn)儀的準(zhǔn)確性。

雙金屬標(biāo)：鋼標(biāo)、鋁標(biāo)及護(hù)管完好情況，評價(jià)傳感器穩(wěn)定性。

2.2.3 壩體及壩基滲壓

大壩滲壓（包括壩體壩基揚(yáng)壓力、繞壩滲流等）一般采用滲壓計(jì)、測壓管、壓力表等進(jìn)行監(jiān)測?，F(xiàn)行規(guī)范要求的監(jiān)測精度為：滲壓計(jì)±0.5%滿量程，測壓管±50 mm，壓力表等級0.4級?？煽啃栽u價(jià)內(nèi)容如下：

埋入式滲壓計(jì)：現(xiàn)場需測試傳感器測值的短期穩(wěn)定性。

測壓管：孔口裝置密封情況，測壓管靈敏度，孔內(nèi)安裝滲壓計(jì)，現(xiàn)場需進(jìn)行滲壓計(jì)準(zhǔn)確性比測和測值短期穩(wěn)定性測試?？卓诎惭b壓力表的，需對壓力表進(jìn)行卸壓歸零、升壓復(fù)位情況檢查測試。

2.2.4 滲流量

大壩滲流量一般采用量水堰、容積法等進(jìn)行監(jiān)測?，F(xiàn)行規(guī)范要求滲流量監(jiān)測精度為：±10%滿量程。量水堰可靠性評價(jià)主要是：檢查堰型是否標(biāo)準(zhǔn)，堰板、堰槽及測讀水尺、測針是否規(guī)范，水頭測量是否準(zhǔn)確及流量計(jì)算公式是否正確；現(xiàn)場有條件時(shí)需采用容積法等進(jìn)行校測。

2.2.5 監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)

監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)按照DL/T 5211-2005《大壩安全監(jiān)測自動(dòng)化技術(shù)規(guī)范》要求，評價(jià)測控單位、模塊的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性，考核系統(tǒng)平均無故障小時(shí)及數(shù)據(jù)缺失率。

上述評價(jià)是針對監(jiān)測設(shè)施自身硬件條件是否滿足要求，當(dāng)儀器設(shè)備已失效或者性能下降導(dǎo)致各項(xiàng)指標(biāo)不能達(dá)到規(guī)范要求，認(rèn)為監(jiān)測設(shè)施可靠性較低。對于同一監(jiān)測對象有多種監(jiān)測方式或監(jiān)測設(shè)施，以最可靠運(yùn)行的方式進(jìn)行評價(jià)，其他作為輔助參考，評級時(shí)可以不考慮。

2.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)可信度

監(jiān)測儀器設(shè)備可靠，并不能保證監(jiān)測數(shù)據(jù)一定可信，監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取往往與觀測人員有關(guān)，如不按規(guī)定的要求進(jìn)行觀測，導(dǎo)致測值誤差較大，或者缺測、漏測，導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)連續(xù)性差，或整編不及時(shí)或計(jì)算公式錯(cuò)誤，難以真實(shí)評判大壩運(yùn)行性態(tài)。因此從以下幾個(gè)方面評價(jià)監(jiān)測數(shù)據(jù)可信度：

（1）觀測是否達(dá)到相關(guān)要求。如測回?cái)?shù)是否足夠，測回差是否在限差內(nèi)。

（2）物理量計(jì)算公式、參數(shù)、方向規(guī)定是否準(zhǔn)確。特別關(guān)注雙金屬標(biāo)計(jì)算公式、正垂與倒垂疊加計(jì)算公式、垂線測值正負(fù)號方向含義。

（3）實(shí)測數(shù)據(jù)過程線是否平順、合理，毛刺、粗差現(xiàn)象是否顯著。

（4）實(shí)際觀測誤差是否符合規(guī)范要求。

（5）監(jiān)測數(shù)據(jù)連續(xù)性情況，是否存在監(jiān)測頻次少或長期缺測現(xiàn)象。

（6）實(shí)測的監(jiān)測成果反映的大壩運(yùn)行性態(tài)是否符合一般規(guī)律。

3 應(yīng)用情況

根據(jù)上述評級要素和評級原則，初步對118座大壩的安全監(jiān)測系統(tǒng)情況進(jìn)行評級，其中a級和a-級占54%，b級占37%，c級占9%。如四川某大壩，壩頂水平位移、垂直位移均停測，也無滲流量監(jiān)測設(shè)施，被評為c級；又如重慶某大壩，壩頂引張線測值可信度較低，被評為b級。

對于c級監(jiān)測系統(tǒng)，應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測系統(tǒng)更新改造；對于b級監(jiān)測系統(tǒng)，應(yīng)盡早安排監(jiān)測設(shè)施的修復(fù)或更換；對于a-級監(jiān)測系統(tǒng)，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測系統(tǒng)的檢查維護(hù)，適時(shí)進(jìn)行處理；對于a級監(jiān)測系統(tǒng)，則繼續(xù)做好日常檢查維護(hù)工作。

4 結(jié)語

綜上所述，通過對監(jiān)測系統(tǒng)的評級，電力企業(yè)可以了解監(jiān)測系統(tǒng)存在問題的實(shí)際情況，同時(shí)，也有助于開展監(jiān)管工作，抓住重點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)管。對于b級、c級監(jiān)測系統(tǒng)，應(yīng)及時(shí)安排處理或更新改造；對于a-級監(jiān)測系統(tǒng)，應(yīng)擇機(jī)進(jìn)行處理或加強(qiáng)維護(hù)。對于b級、c級監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)管單位和技術(shù)服務(wù)單位應(yīng)結(jié)合大壩運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)大小，按照分層分級的方式進(jìn)行監(jiān)督、檢查、指導(dǎo)。

上述方法尚需通過監(jiān)測系統(tǒng)評價(jià)工作進(jìn)一步完善，同時(shí)電力行業(yè)應(yīng)盡早制訂相關(guān)的監(jiān)測系統(tǒng)評價(jià)規(guī)程，使之滿足規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的需要。

根據(jù)《水電站大壩安全監(jiān)測工作管理辦法》（電監(jiān)安全[2009]4號）規(guī)定，監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)定期檢查，一般為五年一次，可結(jié)合大壩安全定期檢查進(jìn)行。但監(jiān)測系統(tǒng)的儀器設(shè)備在較惡劣環(huán)境下運(yùn)行，易損壞，五年一次間隔周期太長，有些監(jiān)測項(xiàng)目觀測精度較低長期得不到解決，建議電力企業(yè)應(yīng)及時(shí)對監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠性進(jìn)行檢查，每年對監(jiān)測儀器設(shè)備進(jìn)行校驗(yàn)，如自動(dòng)化-人工比測、傳感器短期穩(wěn)定性測試、垂線、引張線復(fù)位測試等，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并處理。

隨著信息化水平的提高，大規(guī)模的遠(yuǎn)距離傳輸監(jiān)測信息已實(shí)現(xiàn)，應(yīng)進(jìn)一步研究在線監(jiān)測管理，實(shí)時(shí)對監(jiān)測系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)評判和分級，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)反饋監(jiān)測技術(shù)人員進(jìn)行處理，為評價(jià)大壩運(yùn)行狀況提供準(zhǔn)確可靠的監(jiān)測資料，保證水電站大壩的運(yùn)行安全?！?/p>

[1]趙花城.運(yùn)行期大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)評價(jià)[J].大壩與安全, 2015(1)：73-76.

[2]何金平,施玉群,吳雯嫻.大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)綜合評價(jià)指標(biāo)體系研究[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào),2011,30(4)：175-180.

[3]曹文波,劉頂明,肖蘭.大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)綜合評價(jià)方法研究初探[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2009,7(3)：155-158.

[4]關(guān)于印發(fā)《水電站大壩運(yùn)行安全信息報(bào)送辦法》的通知[EB/OL].

作者郵箱：zhou_jb@ecidi.com

Based on the evaluation of reliability and completeness of monitoring system,the rating principle for the monitoring system is put forward.And the contents and standards of evaluation elements, such as completeness and reliability,are defined.The method has been applied in projects.

monitoring system;rating;monitoring and management

TV698

A

1671-1092（2017）02-0014-04

2016-11-08

周建波（1979-），男，浙江平陽人，高級工程師，主要從事大壩安全管理工作。

Title:Rating method of safety monitoring system for hydropower dams during operation and its application//by ZHOU Jian-bo and WANG Yu-jie//Large Dam Safety Supervision Center,National Energy Administration