淺談下坂地水庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)改造

蘇來曼·司衣提

（新疆下坂地水利樞紐工程建設(shè)管理局，新疆 喀什 844000）

1 工程總體概述

下坂地水利樞紐工程位于新疆塔什庫爾干河中下游，為生態(tài)補(bǔ)水及春旱供水再結(jié)合水力發(fā)電的綜合性工程。該工程攔河大壩為瀝青混凝土心墻砂礫石壩，壩頂高程2 966m，最大壩高78m，總庫容8.67億m3。導(dǎo)流泄洪洞采用表孔側(cè)槽溢洪洞和底孔導(dǎo)流泄洪洞兩洞合一的布置型式，總長1.428km，引水發(fā)電洞全長4.68km，電站廠房位于壩址下游7.5km處，電站裝機(jī)150MW（3×50MW）。主體工程于2005年7月開工，2010年元月初次下閘蓄水，2010年6月電廠首臺(tái)機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電，2011年7月大壩工程全面完成，2020年12月完成竣工驗(yàn)收工作。

2 大壩原監(jiān)測系統(tǒng)存在的突出問題

（1）系統(tǒng)在各建筑物布置的測量單元均只有局部總線連接或純粹只有單點(diǎn)運(yùn)行。日常監(jiān)測采集依靠人工到每臺(tái)設(shè)備跟前，逐臺(tái)人工讀取下載數(shù)據(jù)。監(jiān)測采集工作量巨大，并且效率非常低。

（2）儀器設(shè)備經(jīng)過十幾年的使用，特別是自動(dòng)化設(shè)備如數(shù)據(jù)采集單元、電源模塊故障損壞率非常高，基礎(chǔ)廊道因環(huán)境極其潮濕，導(dǎo)致所有的數(shù)據(jù)采集單元全部被水浸泡，儀器箱銹蝕嚴(yán)重。

（3）部分傳感器還未接入到自動(dòng)化采集設(shè)備中，如繞壩滲流監(jiān)測中左右岸共計(jì)8個(gè)測壓孔監(jiān)測儀器以及4只滲壓計(jì)未接入到自動(dòng)化系統(tǒng)中。

3 大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)改造前的準(zhǔn)備工作

3.1 安全監(jiān)測系統(tǒng)布置

該工程安裝的各種監(jiān)測儀器設(shè)備類型多、數(shù)量大，主要分布于大壩、導(dǎo)流泄洪洞、引水發(fā)電洞、三岔口以及基礎(chǔ)廊道內(nèi)。本文主要介紹大壩安全監(jiān)測布置、運(yùn)行及改造升級(jí)情況。

大壩安全監(jiān)測項(xiàng)目主要有：壩面垂直位移、水平位移、壩體內(nèi)部垂直位移、水平位移、壩基、繞壩的滲透流量、壩體內(nèi)部土體的應(yīng)變、防滲墻撓度、心墻溫度、混凝土應(yīng)力應(yīng)變、鋼筋應(yīng)力監(jiān)測等[1]。下坂地安全監(jiān)測儀器以差阻式儀器為主，部分點(diǎn)位為器式儀器和鋼弦式儀器。

（1）混凝土防滲墻安裝埋設(shè)有應(yīng)變計(jì)40支、無應(yīng)力計(jì)3支、固定式測斜儀19支；

（2）壩軸線上、下游基礎(chǔ)共埋設(shè)滲壓計(jì)36支；

（3）心墻混凝土基座安裝埋設(shè)9支單向應(yīng)變計(jì)、2支無應(yīng)力計(jì)、21支鋼筋計(jì)；

（4）壩底廊道安裝埋設(shè)15支應(yīng)變計(jì)、5支無應(yīng)力計(jì)、20支鋼筋計(jì)；

（5）壩體內(nèi)部埋設(shè)水管沉降儀14個(gè)，沉降管和測斜管共計(jì)14個(gè)；

（6）壩體外部設(shè)置7個(gè)表面變形控制網(wǎng)基準(zhǔn)點(diǎn)7個(gè)。在壩頂壩上游側(cè)設(shè)置12個(gè)外部變形觀測墩，在大壩下游壩體表面設(shè)置48個(gè)外部變形觀測墩；

（7）在左右岸壩肩防滲帷幕范圍內(nèi)各布置7根測壓管，在大壩下游左岸哈姆勒提溝布置2根測壓管；

（8）在瀝青心墻埋設(shè)9支溫度計(jì)。

3.2 大壩安全監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行狀況的鑒定

3.2.1 鑒定范圍及鑒定依據(jù)

本次安全監(jiān)測儀器鑒定的范圍是所有內(nèi)觀監(jiān)測儀器，主要對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和已埋檢測儀器的現(xiàn)場檢測，對(duì)每支儀器給出了綜合評(píng)價(jià)結(jié)果[2]。

3.2.2 歷史數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)

通過歷史觀測過程線的繪制，對(duì)儀器歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果情況如下：

（1）差阻式儀器：共計(jì)評(píng)價(jià)差阻式儀器550個(gè)測點(diǎn)，其中可靠及基本可靠134個(gè)；不可靠50個(gè)；無法評(píng)判規(guī)律正確性的測點(diǎn)202個(gè)；由于缺少基準(zhǔn)值，使計(jì)算成果不正確的測點(diǎn)29個(gè)；無點(diǎn)號(hào)或點(diǎn)號(hào)對(duì)應(yīng)不上的測點(diǎn)9個(gè)；沒有數(shù)據(jù)的測點(diǎn)17個(gè)；數(shù)據(jù)量少，無法核實(shí)施工期人工數(shù)據(jù)和自動(dòng)化是否銜接正確以及測點(diǎn)編號(hào)是否對(duì)應(yīng)正確的測點(diǎn)109個(gè)。

（2）鋼弦式儀器：共計(jì)評(píng)價(jià)鋼弦式儀器29個(gè)測點(diǎn)，其中無點(diǎn)號(hào)或點(diǎn)號(hào)對(duì)應(yīng)不上的測點(diǎn)19個(gè)，數(shù)據(jù)量太少，暫不判定測點(diǎn)10個(gè)。

（3）電位器式儀器：共計(jì)評(píng)價(jià)電位器式儀器178個(gè)測點(diǎn)，其中基本可靠的24個(gè)，不可靠的5個(gè)，由于無參數(shù)和無計(jì)算成果，無法評(píng)判規(guī)律的正確性的測點(diǎn)86個(gè)；無點(diǎn)號(hào)的16個(gè)，無數(shù)據(jù)的測點(diǎn)30個(gè)；數(shù)據(jù)量過少或僅有施工數(shù)據(jù)的17個(gè)。

3.2.3 現(xiàn)場檢測

現(xiàn)場檢測評(píng)價(jià)是了解儀器當(dāng)前工作狀態(tài)的直接手段。采用測量儀表測讀儀器各檢測項(xiàng)。本次現(xiàn)場檢測找到了766支儀器，主要包括差阻式儀器559支、鋼弦式儀器29支和電位器式儀器178支（51套）?，F(xiàn)場檢測主要包括543支差阻式儀器、29支鋼弦式儀器和51套電位器式儀器。

3.2.4 儀器綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)分析評(píng)價(jià)結(jié)果和現(xiàn)場檢測評(píng)價(jià)結(jié)果，綜合評(píng)價(jià)儀器工作狀態(tài)。儀器的工作狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)結(jié)論分為正常、基本正常、異常三個(gè)等級(jí)。

根據(jù)上述評(píng)價(jià)辦法，本次鑒定工作共完成了766支儀器的檢測、分析和評(píng)價(jià)。鑒定結(jié)果表明:由于大量儀器缺少基礎(chǔ)資料或監(jiān)測數(shù)據(jù)過少的原因，本次鑒定有554支儀器(占儀器總數(shù)的72.32%)暫不給出綜合評(píng)價(jià)結(jié)論，需完善相關(guān)資料或繼續(xù)觀測一段時(shí)間后再做鑒定。目前只有151支儀器能確定是正常的(8.75%)和基本正常的(10.97%)，能夠繼續(xù)工作。異常儀器34支，占儀器總數(shù)的4.44%。

4 大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的改造升級(jí)

4.1 總體思路

在系統(tǒng)現(xiàn)有基礎(chǔ)上，依據(jù)下坂地水利樞紐工程安全監(jiān)測需要，改造并完善自動(dòng)化測量系統(tǒng)，在保持并利用已有的通訊網(wǎng)絡(luò)與設(shè)備以及其他附屬設(shè)施的情況下，僅對(duì)接入儀器的采集設(shè)備部分進(jìn)行相應(yīng)替換改造[3]。針對(duì)目前系統(tǒng)運(yùn)行中通訊方面存在的不足，局部給予調(diào)整完善，使改造后的系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定通暢。采用最大程度利舊原則，將部分已經(jīng)故障的南瑞的DAU，通過維修、調(diào)配等方式進(jìn)行更換，不再單獨(dú)采購新的設(shè)備[4]。集中力量優(yōu)先解決最關(guān)心的問題，再不斷完善。重點(diǎn)解決大壩廊道內(nèi)自動(dòng)化采集的改造與恢復(fù)，以及繞壩滲流所有測點(diǎn)均實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集功能以及將整體壩區(qū)所有自動(dòng)化監(jiān)測設(shè)備組建一張統(tǒng)一的通信網(wǎng)絡(luò)，以便后期的運(yùn)行維護(hù)與管理[5]。

4.2 主要改造內(nèi)容

（1）對(duì)大壩廊道安全監(jiān)測數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行改造。更換6臺(tái)DAU設(shè)備箱以及機(jī)箱內(nèi)部模塊集成與端子接線恢復(fù)，新裝3臺(tái)監(jiān)測立柜（內(nèi)置加熱除潮設(shè)備）。

（2）對(duì)壩后3套水平位移引張線進(jìn)行檢查修復(fù)，對(duì)4套水管式沉降儀進(jìn)行檢查修復(fù)，保證修復(fù)設(shè)備儀器達(dá)到正常運(yùn)行狀態(tài)。

（3）對(duì)繞壩滲流監(jiān)測自動(dòng)化進(jìn)行改造。包括：新建8個(gè)滲壓計(jì)的Lora無線采集終端、1個(gè)無線網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)繞壩滲流自動(dòng)監(jiān)測。

（4）為更加精確掌握廊道滲流量情況，在原廊道滲流量監(jiān)測三角堰位置增加一套量水堰計(jì)與Lora無線采集終端，實(shí)現(xiàn)滲水量自動(dòng)監(jiān)測。

（5）配備一批二次儀表以及中心設(shè)備，包括：讀數(shù)儀配套數(shù)據(jù)線和電池5套、電磁沉降儀2套（100米）、測斜管模擬探頭1套、移動(dòng)工作站2臺(tái)、臺(tái)式服務(wù)器1臺(tái)。

（6）對(duì)所有自動(dòng)化采集單元進(jìn)行現(xiàn)場檢測、調(diào)試，采集軟件測點(diǎn)信息完善，大壩安全監(jiān)測管理系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫更新升級(jí)與技術(shù)培訓(xùn)。

（7）現(xiàn)地集控改造。將壩區(qū)所有監(jiān)測數(shù)據(jù)采集點(diǎn)現(xiàn)場集控到左岸灌漿平洞。導(dǎo)流泄洪洞、三岔口、壩后繞壩滲流、壩后觀測房、右岸洞口至左岸警衛(wèi)室等部位的光纖鏈路敷設(shè)，包括光端機(jī)、光纖及輔材、穿線管等設(shè)備設(shè)施的安裝調(diào)試；將壩區(qū)所有監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至水庫管理處駐地，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程化管理。

4.3 通信組網(wǎng)

原系統(tǒng)基本沒有建立統(tǒng)一的大壩通信網(wǎng)絡(luò)，此次壩區(qū)各建筑物內(nèi)的設(shè)備之間通信繼續(xù)利用各部位內(nèi)DAU設(shè)備箱之間的RS485通信鏈路，建筑部位之間用光纖或無線網(wǎng)橋進(jìn)行組網(wǎng)通信，最終在整個(gè)壩區(qū)建立一張統(tǒng)一的通信網(wǎng)絡(luò)。

三岔口和引水洞配電室以及引水發(fā)電洞3樓外側(cè)平臺(tái)各安裝一套微波通信設(shè)備，將三岔口和導(dǎo)流洞所有采集設(shè)備信號(hào)利用無線網(wǎng)橋方式直接傳到引水發(fā)電洞3樓集控室。

右岸洞口經(jīng)過大壩鋪設(shè)光纖，與3個(gè)壩后觀測房以及警衛(wèi)室內(nèi)的采集設(shè)備信號(hào)，在警衛(wèi)室匯集后全部轉(zhuǎn)為光纖引至引水發(fā)電洞3樓集控室。同時(shí)，廊道內(nèi)的3臺(tái)監(jiān)測立柜利用485總線連接后，轉(zhuǎn)為光纖直接引至引水發(fā)電洞3樓集控室。

至此，整個(gè)大壩范圍內(nèi)的設(shè)備（除了利用無線Lora模塊采集的8支滲壓計(jì)和1支量水堰計(jì)）的所有信號(hào)，全部匯集至集控室。在集控室加裝一套信號(hào)轉(zhuǎn)換設(shè)備箱，作為信號(hào)匯集轉(zhuǎn)換裝置。內(nèi)置電源模塊1個(gè)、光纖轉(zhuǎn)485模塊（277）3個(gè)、串口服務(wù)器（TCP/IP轉(zhuǎn)RS485）1個(gè)、光纖盒1個(gè)。集控室信號(hào)匯集及轉(zhuǎn)換見圖1。

圖1 集控室信號(hào)匯集及轉(zhuǎn)換示意圖

集控室匯集壩區(qū)所有光纖及無線網(wǎng)橋傳來的數(shù)據(jù)后，經(jīng)過信號(hào)轉(zhuǎn)換設(shè)備，利用原有光纖鏈路，將大壩壩區(qū)監(jiān)測設(shè)備與水庫管理處機(jī)房鏈路連通。繞壩滲流及廊道滲流量監(jiān)測數(shù)據(jù)全部通過LoRa無線采集終端發(fā)送到GL3-GW無線網(wǎng)關(guān)，并通過移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)直接上傳至云平臺(tái)，可在云端進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢與下載。最終實(shí)現(xiàn)在水庫管理處對(duì)壩區(qū)所有監(jiān)測儀器和設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與管理，見圖2。

圖2 下坂地安全監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)拓?fù)鋱D

4.4 改造后運(yùn)行情況

系統(tǒng)改造系統(tǒng)投入運(yùn)用后，各項(xiàng)新安裝、改造、升級(jí)的設(shè)備運(yùn)行情況正常，采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤、通訊模塊通信正常，整體運(yùn)行良好，能夠方便、迅速、準(zhǔn)確、連續(xù)監(jiān)測大壩的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，壩體變形、壩基開合度、揚(yáng)壓力、繞壩滲流、滲漏量的觀測數(shù)據(jù)和歷史資料接近，分析成果可靠，整個(gè)系統(tǒng)的先進(jìn)性、可靠性、適用性已經(jīng)顯示出來。維護(hù)人員每日遠(yuǎn)程登錄安全監(jiān)測管理系統(tǒng)及云平臺(tái)，查看數(shù)據(jù)接收情況及設(shè)備運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)設(shè)備出現(xiàn)異常，及時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行必要的維護(hù)，并反映給項(xiàng)目承建單位。

5 結(jié)語

本工程監(jiān)測系統(tǒng)改造由于采用了先進(jìn)的數(shù)據(jù)通訊方式和高可靠性的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，通訊網(wǎng)絡(luò)的暢通率高、采集設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，切實(shí)保證了數(shù)據(jù)的可靠性，減少了過去運(yùn)行管理人員去現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)工作量，最大地減輕了運(yùn)行管理人員的工作強(qiáng)度，提高了人員工作效率。系統(tǒng)建設(shè)過程中按相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行施工及儀器設(shè)備安裝調(diào)試，系統(tǒng)試運(yùn)行期間運(yùn)行狀況良好，各項(xiàng)功能指標(biāo)完全滿足規(guī)范要求。下坂地水庫大壩安全監(jiān)測改造后，對(duì)水庫運(yùn)營管理和發(fā)展起到了積極的促進(jìn)作用，使水庫管理工作實(shí)現(xiàn)信息化、數(shù)字化?！?/p>