高砂水電站大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)改造及后評價

陳 鍇，劉代彬，蘭有磷，張昌隆

（1.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江杭州，311122；2.福建華電高砂水電有限公司，福建三明，365050）

1 概述

1.1 工程概況

高砂水電站為閩江主要支流沙溪河段水電水運梯級開發(fā)的第六級，壩址以上集水面積11329 km2，總庫容0.4億m3，為日調(diào)節(jié)水庫。水庫正常蓄水位103.00 m，防洪限制水位102.00 m，設(shè)計洪水位103.05 m，校核洪水位106.68 m。電站裝機(jī)4臺，總裝機(jī)容量50 MW。樞紐建筑物包括混凝土閘壩、船閘、河床式廠房及開關(guān)站等，為三等中型工程，閘壩、泄洪閘等主要建筑物為3級建筑物，相應(yīng)的設(shè)計、校核洪水標(biāo)準(zhǔn)重現(xiàn)期分別為50年和500年。壩基巖性以厚層紫紅、紫灰色砂礫巖為主，基礎(chǔ)工程地質(zhì)條件整體性較好，地震基本烈度為Ⅵ度。

工程于1992年9月28日正式開工，1995年6月18日下閘蓄水，1996年7月首臺機(jī)組發(fā)電，1999年7月通過工程竣工安全鑒定，2001年6月通過竣工驗收。

1.2 監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)情況

根據(jù)工程地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)特征等，工程設(shè)計單位設(shè)計了安全監(jiān)測系統(tǒng)，建設(shè)工作隨土建工程實施，于1995年6月基本完成。大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)包括大壩監(jiān)測、船閘監(jiān)測及環(huán)境量監(jiān)測。其中，大壩監(jiān)測項目包括壩頂水平和垂直位移、壩基接縫開合度、壩基揚壓力、閘墩鋼筋應(yīng)力監(jiān)測；船閘監(jiān)測項目包括船閘閘室相對水平位移、閘墻垂直位移、閘墻伸縮縫開合度、船閘鋼筋應(yīng)力監(jiān)測；環(huán)境量監(jiān)測項目包括大壩上下游水位、降雨量、氣溫監(jiān)測。

2009年，由于大部分壩基滲壓計已失效，現(xiàn)場對壩基揚壓力監(jiān)測設(shè)施進(jìn)行了改造，在大壩增設(shè)了12個壩基測壓管。

2 原監(jiān)測系統(tǒng)改造的必要性

大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)運行已超過20年，主要存在以下問題：

（1）壩頂視準(zhǔn)線各測點測值過程線呈較明顯的鋸齒狀，規(guī)律性不強，觀測精度不高，較大的觀測誤差在一定程度上掩蓋了測值應(yīng)有的變化規(guī)律。造成這種現(xiàn)象的原因主要有：大壩壩頂視準(zhǔn)線過長（超過300 m），受視差影響導(dǎo)致讀數(shù)照準(zhǔn)精度較差；視準(zhǔn)線約有1/3長度測點觀測墩距障礙物僅25 cm，大氣折光會影響觀測精度。另外，視準(zhǔn)線工作基點未設(shè)置校核基點。

（2）壩基滲壓計已全部損壞，測壓管工作狀態(tài)較差，部分測壓孔存在淤堵、孔內(nèi)水位偏高、靈敏度較低等問題，不能真實反映所在部位實際壩基揚壓水位。

（3）壩區(qū)氣溫為人工觀測，監(jiān)測頻次等不能滿足大壩監(jiān)測資料分析的要求。

對此，需對原安全監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行徹底的更新改造，以解決原監(jiān)測系統(tǒng)中存在的諸多問題。同時，實施大壩安全監(jiān)測自動化，也可以實現(xiàn)相關(guān)重要監(jiān)測項目的及時采集、多測點同時采集以及必要時的高頻次采集等。

3 監(jiān)測系統(tǒng)更新改造

3.1 改造的基本原則

根據(jù)工程特點，并結(jié)合目前監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展水平，按以下原則進(jìn)行更新改造：

（1）突出重點、兼顧全面：對壩頂水平和垂直位移、壩基揚壓力、氣溫監(jiān)測進(jìn)行改造，并建設(shè)自動化系統(tǒng)。

（2）實用性、有效性：監(jiān)測儀器的選擇、測點的布置等應(yīng)注重實用性、有效性，并對監(jiān)測系統(tǒng)的運行和管理提出具體要求。

（3）可靠性、穩(wěn)定性：監(jiān)測儀器設(shè)備及自動化采用成熟的產(chǎn)品及技術(shù)，可在惡劣環(huán)境下長期穩(wěn)定運行，具有可靠的防雷保護(hù)措施和數(shù)據(jù)備份功能，并設(shè)有人工監(jiān)測手段。

（4）實時性、可擴(kuò)展性：可將自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)和人工監(jiān)測數(shù)據(jù)及時方便地導(dǎo)入監(jiān)測信息管理系統(tǒng)，實時對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理；系統(tǒng)可方便地添加功能模塊，對接入系統(tǒng)的儀器進(jìn)行調(diào)整。

（5）安全性：監(jiān)測自動化系統(tǒng)具有完善的安全保密、安全控制和安全管理功能。

（6）規(guī)范性：滿足DL/T 5178-2016《混凝土壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》、DL/T 5211-2005《大壩安全監(jiān)測自動化技術(shù)規(guī)范》等現(xiàn)行規(guī)范的要求。

（7）所選儀器設(shè)備的信譽好，其生產(chǎn)廠家具有良好的維修、技術(shù)支持能力。

3.2 監(jiān)測系統(tǒng)改造的實施

整個監(jiān)測系統(tǒng)更新改造于2018年4月開工，同年11月完工，具體改造內(nèi)容如下。

3.2.1 壩頂水平位移監(jiān)測改造

在大壩右岸擋水壩段和廠房壩段的壩頂下游側(cè)電纜溝內(nèi)、泄洪閘壩段壩頂上游側(cè)電纜溝內(nèi)各布置1條引張線，并在引張線的3個端點（兩岸及中部上游側(cè)）旁各布置1條倒垂線，對引張線的端點進(jìn)行校測。同時，為校核廠房壩段下游側(cè)引張線固定端的水平位移，在泄洪閘壩段上游側(cè)引張線測點與廠房壩段下游側(cè)引張線固定端之間布置1臺量距儀，實現(xiàn)水平位移傳遞，從而推算出廠房壩段引張線固定端的絕對水平位移變化量。

引張線的各測點、量距儀裝置均布置于電纜溝內(nèi)，各測點裝置內(nèi)均安裝遙測引張線儀和人工測標(biāo)；倒垂線的錨固點布置于完整新鮮基巖內(nèi)，鉆孔深入基巖的深度取壩高的1/4～1/2，測點處安裝遙測垂線坐標(biāo)儀和光學(xué)垂線坐標(biāo)儀。引張線和倒垂線均實現(xiàn)自動化監(jiān)測，并可通過人工觀測進(jìn)行比測。

引張線和倒垂線的施工質(zhì)量較好，目前垂線坐標(biāo)儀各向測值的準(zhǔn)確性均滿足要求，復(fù)位能力和穩(wěn)定性較好，各測點引張線儀的準(zhǔn)確性均滿足要求，量距儀的測值穩(wěn)定性、絕緣電阻等測試結(jié)合測值的綜合評價結(jié)果為可靠[1]，運行工況較好。

3.2.2 壩頂垂直位移監(jiān)測改造

在右岸擋水壩段和廠房壩段的壩頂下游、廠壩分界線處以及泄洪閘壩段上游側(cè)電纜溝內(nèi)布置1條靜力水準(zhǔn)路線，全程沿電纜溝走線，與引張線測點結(jié)合布置。其中，布置于相同樁號的上、下游側(cè)的測點可兼測壩體傾斜。后期靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)尚未實施。

在左右岸兩端靜力水準(zhǔn)測點旁各布置1組雙金屬標(biāo)，作為靜力水準(zhǔn)端點的校核基點。雙金屬標(biāo)采用同軸式布置，將倒垂孔與雙金屬標(biāo)孔合在一起，在節(jié)約壩頂空間的同時也減少鉆孔工程量。現(xiàn)場雙金屬標(biāo)的施工質(zhì)量較好，當(dāng)前儀器的綜合評價結(jié)果均為可靠[1]，運行工況較好。

3.2.3 壩基揚壓力監(jiān)測改造

對存在問題的測壓管進(jìn)行掃孔，并在廠房2號壩段、13號壩段原測壓管上游側(cè)各增設(shè)1個測壓管，在12號壩段測孔UP12旁重新鉆孔，原孔封堵，同時在各壩段測壓管（除保留的2個原孔外）內(nèi)各安裝1支滲壓計。

現(xiàn)場測壓管的結(jié)構(gòu)形式合理，保護(hù)較好，管內(nèi)滲壓計的測值穩(wěn)定性、絕緣電阻等測試結(jié)合測值的綜合評價結(jié)果均為可靠[1]；通過比較確認(rèn)電測水位計測值與滲壓計測值，得出所有滲壓計準(zhǔn)確性均較好；現(xiàn)場采用注水方式進(jìn)行靈敏度測試，其中個別測壓管（剛經(jīng)過掃孔處理）的進(jìn)水段基巖較密實、隔水效果較好，其余測壓管的靈敏度均較好。

3.2.4 環(huán)境量監(jiān)測改造

在壩頂閘壩分界處布置1個百葉箱，內(nèi)置1支氣溫計。氣溫計的測值穩(wěn)定性、絕緣電阻等測試結(jié)合測值的綜合評價結(jié)果為可靠[2]。

3.3 監(jiān)測自動化系統(tǒng)建設(shè)

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測需要，將更新改造后的儀器接入監(jiān)測自動化系統(tǒng)。自動化系統(tǒng)由監(jiān)測儀器、數(shù)據(jù)自動采集及監(jiān)測信息管理系統(tǒng)等組成。

3.3.1 總體架構(gòu)

監(jiān)測自動化系統(tǒng)采用分布式、多級連接的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式，按照現(xiàn)場監(jiān)測站、監(jiān)測管理中心站兩級設(shè)置，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式見圖1。

圖1 監(jiān)測自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Network structure of automatic monitoring system

（1）監(jiān)測站是安裝數(shù)據(jù)采集裝置的場所，其作用是利用數(shù)據(jù)采集裝置對監(jiān)測傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲及監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳，并接收監(jiān)測管理中心站上位機(jī)的控制指令[3]，設(shè)置在壩頂集控室內(nèi)。

（2）監(jiān)測管理中心站是安裝大壩安全監(jiān)測管理計算機(jī)、監(jiān)測采集及管理軟件和相關(guān)外部設(shè)備的場所，設(shè)置在廠房機(jī)房內(nèi)。

3.3.2 監(jiān)測管理

監(jiān)測數(shù)據(jù)采集及信息管理系統(tǒng)是監(jiān)測自動化系統(tǒng)的重要部分，采用NARI DSIMS大壩安全信息管理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件V4.0，進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集及前期處理，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行計算、整理整編、評估運行狀態(tài)等。

3.3.3 系統(tǒng)防雷

由于工程處于雷擊頻繁區(qū)，自動化系統(tǒng)設(shè)置防雷接地網(wǎng)，要求接地電阻小于5Ω，同時在安裝測控裝置的部位設(shè)置連接接地網(wǎng)的接地點。對所有暴露在外的電源電纜、信號電纜均采用鋼管保護(hù)，鋼管之間以及鋼管與接地網(wǎng)之間采用焊接的方式連接。同時，在DAU箱安裝完成后將機(jī)箱的接地端子連接到保護(hù)箱地線上。

3.4 自動化系統(tǒng)運行

3.4.1 系統(tǒng)準(zhǔn)確性

為檢測數(shù)據(jù)采集模塊的準(zhǔn)確性，并排除儀器自身因素的影響，采用讀數(shù)儀人工測讀傳感器測值，同時與自動化測讀儀器所測得的測值（連續(xù)測讀5次并記錄）進(jìn)行比較[4]。

選取采集模塊NDA01-1403、NDA03-1403等進(jìn)行準(zhǔn)確性測試，結(jié)果顯示所選取的采集模塊通道測值的中誤差均小于1 Hz，準(zhǔn)確性較高。

3.4.2 短期穩(wěn)定性

根據(jù)大壩結(jié)構(gòu)和運行特點，假定在較短時間內(nèi)庫水位、氣溫、水溫等環(huán)境量基本不變，則相關(guān)物理量測值也基本不變。自動化系統(tǒng)在短時間內(nèi)對各測點連續(xù)測讀15次，計算中誤差，據(jù)此評價自動化系統(tǒng)的重復(fù)讀數(shù)精度及測值穩(wěn)定性，其計算方法如下[4]：對短時間內(nèi)重復(fù)測試的數(shù)據(jù)，用貝塞爾公式計算短期重復(fù)測試中誤差σm，作為測讀精度。

選取更新改造范圍內(nèi)所有的電容式儀器（垂線坐標(biāo)儀、引張線儀）、鋼弦式儀器（測縫計、量距儀、滲壓計）和差阻式儀器（溫度計）進(jìn)行短期穩(wěn)定性測試，結(jié)果顯示所選電容式儀器的測值中誤差均小于控制標(biāo)準(zhǔn)（0.10 mm）的要求、鋼弦式儀器的測值中誤差均小于控制標(biāo)準(zhǔn)（±1 Hz）的要求、差阻式儀器的測值中誤差均小于控制標(biāo)準(zhǔn)（±0.02Ω）的要求，各儀器的測值穩(wěn)定性均良好。

3.4.3 運行可靠性

根據(jù)系統(tǒng)運行以來的所有歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)資料，以及運行、維護(hù)、維修情況記錄，計算系統(tǒng)平均無故障工作時間（MTBF）和數(shù)據(jù)缺失率（FR），以檢驗系統(tǒng)的可靠性和長期穩(wěn)定性。

考核期選取2019年1月1日～12月31日，計算結(jié)果顯示：自動化系統(tǒng)內(nèi)各儀器的平均無故障時間為8757 h（最小為8712 h），滿足規(guī)范要求（6300 h）；自動化系統(tǒng)各儀器的平均數(shù)據(jù)缺失率為0%（最大為0.55%），滿足規(guī)范要求（3%）[4]，表明自動化系統(tǒng)自投入運行以來，其運行可靠性良好，可滿足工程自動化監(jiān)測需要。

4 結(jié)語

對高砂水電站大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)中重要監(jiān)測項目進(jìn)行了更新改造，并建設(shè)了監(jiān)測自動化系統(tǒng)，監(jiān)測功能得到了全面提升，有效解決了之前存在的問題。目前改造后的監(jiān)測系統(tǒng)與原系統(tǒng)保持了數(shù)據(jù)的連續(xù)性，系統(tǒng)更加穩(wěn)定，其運行可靠性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性及儀器運行可靠性等均滿足相關(guān)規(guī)范和設(shè)計文件要求。監(jiān)測自動化系統(tǒng)建設(shè)基于實用性等原則，達(dá)到了預(yù)期效果，在有效減輕勞動強度、人工測讀誤差的同時，在時間和空間上也實現(xiàn)了更為連續(xù)有效、可靠、準(zhǔn)確、快速的監(jiān)測，從而增強了對水庫大壩運行情況的實時監(jiān)測能力。

要做好監(jiān)測項目、自動化系統(tǒng)的更新改造工作，應(yīng)高度重視以下幾個方面：

（1）整體規(guī)劃，統(tǒng)籌布置。受限于現(xiàn)場條件、技術(shù)發(fā)展等因素，大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)項目可能難以一次性完成更新改造，因此在更新改造設(shè)計時，應(yīng)全局統(tǒng)一設(shè)計、整體規(guī)劃，監(jiān)測項目設(shè)置和測點布置應(yīng)統(tǒng)籌安排，可根據(jù)實際情況一次性或分階段實施。如本工程在設(shè)計時將壩頂引張線與靜力水準(zhǔn)路線統(tǒng)一布置在電纜溝內(nèi)，現(xiàn)階段先實施引張線。

（2）因地制宜，充分利用現(xiàn)場條件。進(jìn)行監(jiān)測系統(tǒng)更新改造的水電站一般已運行多年，工程現(xiàn)場空間、條件有限，尤其是壩頂及壩體內(nèi)部。因此，在更新改造設(shè)計、實施過程中，需根據(jù)現(xiàn)場情況合理布置監(jiān)測設(shè)施，并充分利用現(xiàn)場條件（如電纜溝、現(xiàn)有測壓管等），優(yōu)化施工方案，減少鉆孔等工程量，有效減輕改造對壩體結(jié)構(gòu)的擾動和對現(xiàn)場通行等的不利影響。如本工程的引張線布置于電纜溝內(nèi)，壩頂3處倒垂線均設(shè)置有配套的緊湊型金屬保護(hù)房，兩側(cè)及頂部可開啟，便于日常維護(hù)和人工觀測。

（3）選用技術(shù)成熟、適合工程現(xiàn)場條件的監(jiān)測方法及設(shè)施。如本工程所在地常年多雨、濕度較大，再結(jié)合流域電站的監(jiān)測設(shè)施運行情況（電容式儀器應(yīng)用較好，步進(jìn)式儀器損壞較嚴(yán)重），倒垂線、引張線儀器選取時充分考慮防潮等性能，最后選用電容式儀器，目前運行正常。

（4）重視工程防雷問題。水電站大壩多處于山區(qū)，且監(jiān)測儀器設(shè)備安裝分布范圍較廣，必須采取相應(yīng)防雷措施以防止雷電對電站監(jiān)測系統(tǒng)的破壞。如本工程處于雷擊頻繁區(qū)，雷擊極易造成儀器設(shè)備損壞，甚至導(dǎo)致監(jiān)測自動化系統(tǒng)癱瘓，因此現(xiàn)場設(shè)置了2套系統(tǒng)防雷接地設(shè)施，并嚴(yán)格保證防雷接地工程的施工質(zhì)量。