白龍江喜兒溝水電站大壩外觀監(jiān)測(cè)自動(dòng)化研究與應(yīng)用

黃萬(wàn)虎 沈順云 劉開(kāi)泰

(華能甘肅水電開(kāi)發(fā)有限公司，甘肅 蘭州 730070)

水電站大壩的安全直接關(guān)系到水電站的安全運(yùn)行和人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。水庫(kù)大壩的隱患不易被察覺(jué)，因此，必須加強(qiáng)對(duì)大壩的安全監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理，防患于未然，保證大壩的安全運(yùn)行，避免因大壩垮塌、潰壩等造成人員傷亡，保障人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。

水電站大壩變形監(jiān)測(cè)就是利用專(zhuān)用的儀器和方法對(duì)變形體的變形現(xiàn)象進(jìn)行持續(xù)觀測(cè)、對(duì)變形體變形形態(tài)進(jìn)行分析、對(duì)變形體變形的發(fā)展態(tài)勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)等的各項(xiàng)工作。大壩安全監(jiān)測(cè)主要對(duì)水平位移、垂直位移、滲透及裂縫進(jìn)行觀測(cè)，這些內(nèi)容稱(chēng)為外部觀測(cè)，為了了解大壩內(nèi)部結(jié)構(gòu)的情況，還應(yīng)對(duì)混凝土應(yīng)力、鋼筋應(yīng)力、溫度等進(jìn)行觀測(cè)，這些內(nèi)容常稱(chēng)為內(nèi)部觀測(cè)。大壩安全監(jiān)測(cè)作為大壩安全管理的抓手，可以準(zhǔn)確掌握大壩運(yùn)行環(huán)境等要素自然變化情況，實(shí)時(shí)監(jiān)控水庫(kù)大壩的運(yùn)行狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)大壩安全的動(dòng)態(tài)管理。

傳統(tǒng)的水電站大壩變形監(jiān)測(cè)有大地測(cè)量方法(邊角交會(huì)、水準(zhǔn)測(cè)量等)、陸地?cái)z影測(cè)量法、埋設(shè)儀器法(埋設(shè)多點(diǎn)位移計(jì)、傾角計(jì)、鉆孔傾斜儀、伸縮儀等)，這些方法主要依靠正倒垂線、弦矢導(dǎo)線、全站儀邊角網(wǎng)和精密水準(zhǔn)等常規(guī)手段，不僅觀測(cè)周期長(zhǎng)，而且精度受人為因素影響較大，在連續(xù)性、實(shí)時(shí)性和自動(dòng)化程度等方面已越來(lái)越難以滿(mǎn)足大型水工建筑物的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)要求。

隨著測(cè)量技術(shù)、傳感技術(shù)、通信技術(shù)等的快速發(fā)展，催生出自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)技術(shù)，很好地解決了目前傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)中的難題。自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)技術(shù)基于測(cè)量機(jī)器人的非接觸式監(jiān)測(cè)技術(shù)，在數(shù)據(jù)精度、測(cè)量效率、數(shù)據(jù)處理上都有著無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為安全監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

1 工程概況

白龍江喜兒溝水電站位于甘肅省舟曲縣境內(nèi)的白龍江干流上游，電站為徑流式水電站，額定水頭57.8m，總裝機(jī)容量72MW，年設(shè)計(jì)發(fā)電量2.85億kW·h。電站首部樞紐由左副壩、三孔泄洪沖沙閘、右副壩、側(cè)向進(jìn)水口等組成，最大壩高20.5m，壩頂總長(zhǎng)度161.5m，共分8個(gè)壩段。沿壩軸線從左至右，1～6號(hào)壩段為左岸擋水壩壩段，長(zhǎng)92m；7號(hào)壩段為泄洪沖沙閘壩段，長(zhǎng)36m；8號(hào)壩段為右岸擋水壩壩段，長(zhǎng)33.5m。

2 大壩外部變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

2.1 外部監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

白龍江喜兒溝水電站大壩外部安全監(jiān)測(cè)主要分為大壩變形監(jiān)測(cè)與進(jìn)水口邊坡變形監(jiān)測(cè)。大壩變形監(jiān)測(cè)包括壩頂水平位移監(jiān)測(cè)、壩頂垂直位移監(jiān)測(cè)、接縫監(jiān)測(cè)。進(jìn)水口邊坡變形監(jiān)測(cè)主要為表面變形監(jiān)測(cè)與深部變形監(jiān)測(cè)(見(jiàn)白龍江喜兒溝水電站大壩外部變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目表)。

白龍江喜兒溝水電站大壩外部變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目表

2.2 大壩外部變形監(jiān)測(cè)

a.壩頂水平位移監(jiān)測(cè)。壩頂水平位移采用視準(zhǔn)線法觀測(cè)，在壩頂下游側(cè)布設(shè)1條視準(zhǔn)線，每個(gè)壩段布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，共布置8個(gè)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)為AL1～AL8；在兩岸壩肩部位各設(shè)1個(gè)工作基點(diǎn)，編號(hào)為T(mén)B01、TB02。水平位移采用尼康NPL-322全站儀觀測(cè)，配置飛翔牌M-450B型固定艦標(biāo)1臺(tái)，飛翔牌M-400AL型活定艦標(biāo)1臺(tái)，觀測(cè)頻次為1次/月。

b.壩頂垂直位移監(jiān)測(cè)。壩頂垂直位移采用幾何水準(zhǔn)法觀測(cè)。在每個(gè)壩段視準(zhǔn)線測(cè)點(diǎn)旁布設(shè)1個(gè)水準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)，共布設(shè)9個(gè)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)為L(zhǎng)D1～LD9。在右岸基巖布設(shè)1個(gè)基巖標(biāo)作為垂直位移工作基點(diǎn)，在大壩左岸下游約1km處的交通公路旁邊布置1個(gè)巖石標(biāo)作為基準(zhǔn)點(diǎn)(水準(zhǔn)原點(diǎn))。壩頂垂直位移采用拓普康DL-501電子水準(zhǔn)儀觀測(cè)，配置測(cè)微器1臺(tái)，三腳架1支，DS03專(zhuān)用銦鋼尺2把，尺墊2個(gè)，觀測(cè)頻次為1次/月。

c.接縫監(jiān)測(cè)。為了解混凝土防滲墻和壩踵連接部位貼角混凝土和壩體之間接縫的變化，在壩踵混凝土與壩前鋪蓋連接板部位布設(shè)4組兩向測(cè)縫計(jì)，分別監(jiān)測(cè)接縫水平方向和沿壩面豎向的變形，測(cè)點(diǎn)編號(hào)為J2-1-S-1、J2-1-S-2、J2-2-S-1、J2-2-S-2，測(cè)縫計(jì)采用差阻式傳感器，觀測(cè)頻次為1次/月。

2.3 進(jìn)水口邊坡變形監(jiān)測(cè)

進(jìn)水口位于右岸壩肩上游，由于進(jìn)水口邊坡開(kāi)挖高度較高而且坡度較陡，因此對(duì)進(jìn)水口邊坡進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。進(jìn)水口邊坡布置了1個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，位于邊坡最高位置，主要進(jìn)行表面變形與深部變形監(jiān)測(cè)。

a.表面變形監(jiān)測(cè)。表面變形利用表部變形測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分別布設(shè)在高程1600.50m、1580.50m、1560.50m馬道位置，共布置3點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)編號(hào)為T(mén)P01～TP03，利用壩址區(qū)施工控制網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，觀測(cè)頻次為1次/月。

b.深部變形監(jiān)測(cè)。深部變形監(jiān)測(cè)與表部變形監(jiān)測(cè)相對(duì)應(yīng)，在高程1600.50m、1580.50m、1560.50m馬道位置各布設(shè)1套3點(diǎn)式多點(diǎn)變位計(jì)(錨固點(diǎn)深度分別為5m、15m、30m)，測(cè)點(diǎn)編號(hào)為M301-S～M303-S，監(jiān)測(cè)邊坡深部變形，觀測(cè)頻次為1次/月。

3 外部監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的不足

白龍江喜兒溝水電站外部監(jiān)測(cè)原來(lái)采用人工監(jiān)測(cè)方式，設(shè)備設(shè)施落后，監(jiān)測(cè)工作量大，觀測(cè)時(shí)間比較長(zhǎng)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，受天氣、人、現(xiàn)場(chǎng)條件等許多因素的影響，存在人為誤差(如架站、儀器高量取、對(duì)中誤差、操作失誤)，監(jiān)測(cè)效率低下，不能適應(yīng)現(xiàn)代企業(yè)管理的需要。

人工觀測(cè)儀器的觀測(cè)頻率受到一定的限制，特別是在汛期或緊急情況下常常不能及時(shí)采集到與水電站安全相關(guān)的數(shù)據(jù)，更無(wú)法對(duì)數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行分析處理。

人工觀測(cè)周期長(zhǎng)，而且精度受人為因素影響較大，在連續(xù)性、實(shí)時(shí)性和自動(dòng)化程度等方面已越來(lái)越難以滿(mǎn)足水電站大壩的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)要求。

人工觀測(cè)需要建立高精度的監(jiān)測(cè)網(wǎng)，受地形條件的影響較大，監(jiān)測(cè)網(wǎng)的網(wǎng)型比較差，從而使監(jiān)測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位精度受到較大影響。

4 大壩外部變形監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)原則

a.整體規(guī)劃?？紤]整個(gè)壩區(qū)，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)大壩表面變形(水平位移和垂直位移)和進(jìn)水口邊坡表面變形(水平位移和垂直位移)。

b.先進(jìn)可靠。采用先進(jìn)的監(jiān)測(cè)技術(shù)，選用穩(wěn)定可靠的儀器及設(shè)備，確保系統(tǒng)的可擴(kuò)充性和可維護(hù)性，使其能在各種惡劣環(huán)境條件下長(zhǎng)時(shí)間地正常運(yùn)行。

c.實(shí)用高效。充分滿(mǎn)足工程的實(shí)際需求，建立全天候監(jiān)測(cè)水電站大壩和邊坡運(yùn)行狀態(tài)的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使其具備采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、成果可信、操作管理簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)，做到自動(dòng)化監(jiān)測(cè)與信息管理的統(tǒng)一。

4.2 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體架構(gòu)

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由自動(dòng)測(cè)量機(jī)器人、后視基準(zhǔn)點(diǎn)(棱鏡)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)(棱鏡)、邊坡觀測(cè)點(diǎn)、觀測(cè)網(wǎng)點(diǎn)等組成(見(jiàn)喜兒溝電站自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)圖)。

喜兒溝電站自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)圖

4.3 監(jiān)測(cè)設(shè)備選型

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)最為關(guān)鍵的組成部分，而監(jiān)測(cè)設(shè)備是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主體設(shè)備，監(jiān)測(cè)設(shè)備的性能和質(zhì)量直接影響著變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性及可靠性。因此監(jiān)測(cè)設(shè)備的選型應(yīng)該考慮到測(cè)角精度、測(cè)距精度、自動(dòng)照準(zhǔn)棱鏡的距離和精度、穩(wěn)定性、小視場(chǎng)技術(shù)等。

a.測(cè)量機(jī)器人。喜兒溝水電站測(cè)量機(jī)器人采用TM600.5″R1000型測(cè)量機(jī)器人。TM60精密監(jiān)測(cè)機(jī)器人集成了徠卡測(cè)量高精度的測(cè)角和測(cè)距系統(tǒng)，自動(dòng)照準(zhǔn)距離達(dá)3000m，測(cè)角精度最高達(dá)0.5″，配合9.4′小視場(chǎng)角分辨率，確保了其無(wú)與倫比的監(jiān)測(cè)精度。此外，全新的AutoLearn自主學(xué)習(xí)功能、ATRplus自動(dòng)照準(zhǔn)技術(shù)和IP65超高防塵防水等級(jí)，保障了儀器在惡劣環(huán)境下高效率、全天候地完成監(jiān)測(cè)工作。

b.棱鏡。喜兒溝水電站采用由GPR1圓棱鏡和GPH1棱鏡單框組成的棱鏡組。GPR1圓棱鏡具有特殊反射涂層，光學(xué)性能強(qiáng)，適用GPH1和GPH3單框，對(duì)中精度1.0mm，測(cè)程3500m，可保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

c.棱鏡保護(hù)罩。喜兒溝水電站棱鏡保護(hù)罩為半密閉式金屬保護(hù)罩。該棱鏡保護(hù)罩殼體一次性沖壓成型，殼體表面做雙層防銹噴塑處理，經(jīng)久耐用，防止反光干擾監(jiān)測(cè)。底盤(pán)采用高強(qiáng)度鋁合金材料，內(nèi)置固定底盤(pán)，與對(duì)中盤(pán)無(wú)縫連接固定，強(qiáng)制歸心，監(jiān)測(cè)方向0°～360°可調(diào)。

5 大壩外部變形監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用情況

5.1 實(shí)施效果

外觀位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)覆蓋監(jiān)測(cè)對(duì)象主要結(jié)構(gòu)部位，形成了完整的、可直觀地體現(xiàn)出監(jiān)測(cè)對(duì)象整體及局部重點(diǎn)部位外部變形特征的變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)。系統(tǒng)對(duì)所得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有自動(dòng)分析功能，且分析成果科學(xué)、快捷，能夠?yàn)榭偨Y(jié)壩體變形規(guī)律和及時(shí)掌握重大安全隱患提供可靠依據(jù)。

測(cè)點(diǎn)布置科學(xué)合理，符合相關(guān)規(guī)范及安全條件，同時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，滿(mǎn)足連續(xù)正常運(yùn)行需要，監(jiān)控成果豐富、實(shí)時(shí)、可靠。具有靈活多變的數(shù)據(jù)報(bào)表輸出功能，能夠根據(jù)需要輸出外業(yè)測(cè)量報(bào)表，簡(jiǎn)單方便。能夠?qū)y(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行平差，并進(jìn)行回歸分析，保證所有的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤，讓用戶(hù)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變化情況一目了然。

5.2 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)與傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)對(duì)比

a.數(shù)據(jù)采集便捷性。人工監(jiān)測(cè)需定期去項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)；自動(dòng)化監(jiān)測(cè)只需要第一次安裝測(cè)試時(shí)采集數(shù)據(jù)，此后都是設(shè)備通過(guò)無(wú)線信號(hào)傳輸。

b.受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境影響程度。人工監(jiān)測(cè)受現(xiàn)場(chǎng)能見(jiàn)度以及雨霧天氣的影響較大，同時(shí)受交通條件制約；自動(dòng)化監(jiān)測(cè)不受復(fù)雜氣象環(huán)境和項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)偏僻及交通限制的影響。

c.數(shù)據(jù)可靠性。人工監(jiān)測(cè)很多時(shí)候靠肉眼去采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)誤差取決于技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)，即便現(xiàn)場(chǎng)儀器測(cè)量數(shù)據(jù)，也受人為記錄或者測(cè)量誤差的影響；自動(dòng)化監(jiān)測(cè)采集的數(shù)據(jù)所采即所現(xiàn)，完全不受人為因素影響。

d.數(shù)據(jù)完整性。人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是由一些點(diǎn)組成的，靠點(diǎn)去模擬線，從而推斷病害發(fā)展趨勢(shì)，不能掌握點(diǎn)與點(diǎn)之間的結(jié)構(gòu)物狀態(tài)；自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)則有實(shí)時(shí)性、全生命周期的特點(diǎn)，每個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)都會(huì)采集到，所采集的數(shù)據(jù)是一條線，不會(huì)漏掉每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)，發(fā)生異常時(shí)第一時(shí)間發(fā)出預(yù)警。

e.數(shù)據(jù)真實(shí)性。通過(guò)人工監(jiān)測(cè)和自動(dòng)化監(jiān)測(cè)對(duì)水庫(kù)大壩表面沉降位移數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)與人工監(jiān)測(cè)結(jié)果的變化趨勢(shì)是一致的，同一位置處自動(dòng)化監(jiān)測(cè)結(jié)果和人工監(jiān)測(cè)結(jié)果的變化規(guī)律是一致的，一般情況下自動(dòng)化監(jiān)測(cè)結(jié)果與人工監(jiān)測(cè)結(jié)果之間差異為2～4mm，主要原因是自動(dòng)化對(duì)于目標(biāo)的反應(yīng)相對(duì)于人工監(jiān)測(cè)來(lái)說(shuō)更加靈敏。

6 結(jié) 語(yǔ)

水電站大壩運(yùn)行過(guò)程中，壩體受強(qiáng)大的水荷載作用，會(huì)產(chǎn)生變形，外觀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可隨時(shí)掌握水電站大壩的變形性態(tài)和變形量，對(duì)掌握水電站安全情況，提高大壩運(yùn)行安全水平具有非常重要的意義。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)相對(duì)于人工監(jiān)測(cè)來(lái)說(shuō)對(duì)目標(biāo)反應(yīng)更加靈敏，大壩外觀監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)加強(qiáng)了觀測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，減少了人為因素造成的不良影響，可大大提升水電站大壩外觀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度。水電站大壩自動(dòng)化監(jiān)測(cè)大大降低了觀測(cè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。人工監(jiān)測(cè)每年都會(huì)投入大量的人工進(jìn)行測(cè)量、數(shù)據(jù)分析等工作。建立自動(dòng)化的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)后，每年只需進(jìn)行少量的維護(hù)工作，既能獲取到數(shù)據(jù)，又能降低總體成本，提高了水電站安全管理水平，降低了觀測(cè)成本投入。

喜兒溝電站外觀監(jiān)測(cè)采用自動(dòng)監(jiān)測(cè)后，不但能夠及時(shí)采集到與水電站安全相關(guān)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，而且能夠及時(shí)進(jìn)行分析處理，可以隨時(shí)查看監(jiān)測(cè)區(qū)域的位移趨勢(shì)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)變形情況，迅速了解水電站的運(yùn)行狀態(tài)。電站外觀監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)效率高、精度高、易操作，可在同類(lèi)型水電站大壩外觀監(jiān)測(cè)中普遍推廣應(yīng)用。