抽水蓄能電站大壩強(qiáng)震監(jiān)測系統(tǒng)改造

王 乾

（內(nèi)蒙古呼和浩特抽水蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，呼和浩特 010051）

0 引言

地震具有突發(fā)性及難以預(yù)測性，對抽水蓄能電站大壩等水工建筑物的影響巨大[1-10]，如果無法實時捕捉地震后的監(jiān)測數(shù)據(jù)，可能造成大壩壩體及壩基變形，因此在地震后對大壩反應(yīng)特性及受地震荷載時是否存在安全隱患進(jìn)行研究具有十分重要的意義。邱炳坤等[11]研究發(fā)現(xiàn)，地震對地下廠房結(jié)構(gòu)加速度和位移響應(yīng)有重要影響；陶永霞等[12]研究了地震時四種不同邊界條件下廠房主要結(jié)構(gòu)的反應(yīng)特性，結(jié)果表明，順河向地震荷載作用對廠房影響很小，但考慮到黏彈性邊界條件對順河向地震波有一定放大作用，因此不可忽略。胡良明等[13]研究表明，大壩在最大可信地震作用下，壩體處于基本完好狀態(tài)，但隨著地震波加速度峰值的增加，壩體由基本完好狀態(tài)過渡到嚴(yán)重破壞狀態(tài)，進(jìn)而影響大壩的安全穩(wěn)定運行。張宇等[14]模擬大壩在地震激勵時的應(yīng)力、位移和破壞情況，結(jié)果表明，強(qiáng)震作用下壩體損傷最明顯的部位為下游折坡處和壩踵，尤其是對混凝土重力壩壩踵部位的影響可能會對大壩整體造成損傷；石磊等[15]以貴州省境內(nèi)的水庫地震臺網(wǎng)及大壩強(qiáng)震系統(tǒng)記錄的典型事件為例，通過對庫區(qū)地震事件定位、地震性質(zhì)分析、滑坡事件監(jiān)測、大壩對庫區(qū)小震的放大效應(yīng)進(jìn)行分析，探討了水庫地震臺網(wǎng)及大壩強(qiáng)震監(jiān)測系統(tǒng)在水電站工程安全監(jiān)測中的重要作用。本文針對內(nèi)蒙古呼和浩特抽水蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司（以下簡稱呼蓄電站）強(qiáng)震監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，對強(qiáng)震監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)狀及改造后的效果進(jìn)行分析，以為震后大壩安全評估提供借鑒。

1 呼蓄電站及其強(qiáng)震監(jiān)測系統(tǒng)概況

呼蓄電站位于呼和浩特市東北部的大青山區(qū)域（距離市區(qū)約20 km），由上水庫、水道系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)及下水庫四部分組成，工程等別為一等，工程規(guī)模為大Ⅰ型。主要建筑物按1 級建筑物設(shè)計，次要建筑物按3 級建筑物設(shè)計?？傃b機(jī)容量為1200 MW，設(shè)計年發(fā)電量20.075 億kWh，年抽水電量26.767 億kWh。工程區(qū)50 年超越概率10%的基巖水平地震動峰值加速為161 gal，相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅶ度。

呼蓄電站大壩強(qiáng)震監(jiān)測系統(tǒng)始建于2014年，采用北京瑞區(qū)斯特科技有限公司的PA-4型加速度傳感器和HR24-27 水工結(jié)構(gòu)強(qiáng)震與振動監(jiān)測分析儀。上水庫布設(shè)10 個強(qiáng)震動測點（7 個三分向加速度測點和3個單向加速度測點），下水庫布設(shè)6個強(qiáng)震動測點（5 個三分向加速度測點布置在攔河大壩上，1 個自由場測點），如圖1、圖2 所示。大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)采用南端DSIMS5.0系統(tǒng)。

圖2 下水庫壩上強(qiáng)震動測點布置圖Fig.2 Layout of strong vibration measurement points on the dam of lower reservoir

2 存在的問題

現(xiàn)場檢查和測試表明，呼蓄電站大壩強(qiáng)震監(jiān)測系統(tǒng)上水庫10個強(qiáng)震動測點、下水庫6個強(qiáng)震動測點均無有效信號輸入，判斷記錄儀通道損壞；在傳感器附近敲擊，加速度幅值未發(fā)生改變，判定傳感器已損壞。上、下水庫的強(qiáng)震記錄儀多個通道沒有信號輸出，可能為內(nèi)部關(guān)鍵部件AD 芯片已損壞。信號電纜多處裸露在外且已老化，保護(hù)軟管已腐爛。強(qiáng)震監(jiān)測系統(tǒng)只能保存原始數(shù)據(jù)，計算簡單的加速度值，無法據(jù)此評判地震對大壩的影響，不能自動出具分析報告，也不能與南瑞DSIMS5.0大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)動。

綜合以上分析，現(xiàn)有強(qiáng)震監(jiān)測系統(tǒng)完全癱瘓，已無法滿足大壩安全監(jiān)測要求。

3 改造方案

根據(jù)DL/T 5416—2009《水工建筑物強(qiáng)震動安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》，設(shè)計烈度Ⅶ度及以上的1級水工建筑物應(yīng)設(shè)置結(jié)構(gòu)反應(yīng)臺陣。呼蓄電站大壩強(qiáng)震監(jiān)測系統(tǒng)改造方案如下。

3.1 系統(tǒng)配置

將傳感器、采集儀、供電線路、通信線路改造升級，并增加自動采集系統(tǒng)，以此實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集和分析，減少人工承擔(dān)的系統(tǒng)維護(hù)和數(shù)據(jù)分析工作。新建強(qiáng)震監(jiān)測系統(tǒng)將上下庫的監(jiān)測數(shù)據(jù)通過光纜匯集到廠房通信室，由1 套強(qiáng)震監(jiān)測軟件實時處理監(jiān)測數(shù)據(jù)。

本次改造中上水庫10 個強(qiáng)震動監(jiān)測點和下水庫6個強(qiáng)震動監(jiān)測點位置不變（見表1、表2）。儀器采用QZ2013 型三向力平衡加速度傳感器和G01NEI-3 型強(qiáng)震儀，并配套DZJC2022S2 工程地震動與振動監(jiān)測軟件，從而組成一套自動采集數(shù)據(jù)、保存數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)的大壩強(qiáng)震監(jiān)測系統(tǒng)。改造后的大壩強(qiáng)震監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。

表1 上水庫10個測點加速度傳感器安裝位置及配件配置Tab.1 Installation position and accessory configuration of acceleration sensors at ten measuring points in upper reservoir

表2 下水庫6個測點加速度傳感器安裝位置及配件配置Tab.2 Installation position and accessory configuration of acceleration sensors at six measuring points in lower reservoir

圖3 改造后的大壩強(qiáng)震監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of dam strong earthquake monitoring system after reconstruction

上水庫10 個監(jiān)測點、下水庫6 個監(jiān)測點的數(shù)據(jù)通過現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)匯集到地下廠房監(jiān)測室，廠房通信室匯集上下庫強(qiáng)震數(shù)據(jù)（見圖3）。數(shù)據(jù)匯集處理中心（廠房）布置1臺強(qiáng)震數(shù)據(jù)實時處理服務(wù)器、1套不間斷電源、1臺交換機(jī)、1個盤柜及地震信息發(fā)送模塊，并將服務(wù)器、交換機(jī)、不間斷電源等配件安裝在盤柜內(nèi)。將所有數(shù)據(jù)匯集到廠房監(jiān)測中心后，即可遠(yuǎn)程控制記錄儀，服務(wù)器安裝地震信息發(fā)布模塊（短信模塊）可及時將信息發(fā)送給相關(guān)管理人員，并每天報告系統(tǒng)運行情況。

3.2 系統(tǒng)功能

改造后的強(qiáng)震監(jiān)測系統(tǒng)主要可實現(xiàn)以下功能：

（1）具有監(jiān)測數(shù)據(jù)自動采集、分析、顯示、存儲功能，發(fā)生強(qiáng)震事件后可自動生成分析報告。

（2）以郵件、短信形式向管理員報告系統(tǒng)運行狀態(tài)，也可以將強(qiáng)震分析結(jié)果發(fā)送給管理員。

（3）具有地震事件基本信息查詢功能。

（4）具有歷史數(shù)據(jù)查詢導(dǎo)出功能。

（5）可與南瑞集團(tuán)有限公司、基康儀器股份有限公司等廠家的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)軟件進(jìn)行聯(lián)動。

此次改造實現(xiàn)了強(qiáng)震監(jiān)測系統(tǒng)與南瑞DSIMS5.0 大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)觸發(fā)、聯(lián)動操作：強(qiáng)震監(jiān)測系統(tǒng)觸發(fā)后，會給大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)送地震烈度值，大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)收到地震烈度值符合設(shè)定的采集條件后（南瑞DSIMS5.0安全監(jiān)測系統(tǒng)在對接配置時會設(shè)定采集需要達(dá)到的烈度值），開始執(zhí)行預(yù)設(shè)任務(wù)中的采集任務(wù)。

強(qiáng)震軟件發(fā)送配置信息方法如下：在“結(jié)構(gòu)強(qiáng)震動監(jiān)測數(shù)據(jù)接收參數(shù)文件夾”中“地震觸發(fā)通知傳輸IP 地址和端口號”下進(jìn)行配置，通信協(xié)議為UDP協(xié)議；只需要配置發(fā)送端和接收端的IP地址和端口即可。在大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)選擇操作界面中的選測功能并取選測值；點擊添加并選取需要采集數(shù)據(jù)的模塊。然后選擇“系統(tǒng)設(shè)置”中的“強(qiáng)震聯(lián)動配置”進(jìn)行下限和上限設(shè)置，并選取需要執(zhí)行的新建任務(wù)并保存。配置完成后，人為觸發(fā)強(qiáng)震系統(tǒng)與大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)動，當(dāng)?shù)卣鹗录牧叶戎翟谂渲玫臈l件范圍內(nèi)，就會觸動聯(lián)動機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

4 改造后效果

呼蓄電站改造后的大壩強(qiáng)震監(jiān)測系統(tǒng)集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、智能報警于一體，具有地震數(shù)據(jù)分析、結(jié)構(gòu)振動安全分析等30多種數(shù)據(jù)分析功能。當(dāng)發(fā)生地震時，系統(tǒng)軟件會自動分析并生成Word 報告。在網(wǎng)絡(luò)暢通情況下，系統(tǒng)還可以通過郵件發(fā)送系統(tǒng)運行狀態(tài)，在地震發(fā)生后，可將分析結(jié)果與報告發(fā)送到郵箱。

強(qiáng)震發(fā)生后，強(qiáng)震監(jiān)測系統(tǒng)會向大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)送烈度值。若烈度值在大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)預(yù)設(shè)的聯(lián)動范圍內(nèi)，則會觸發(fā)聯(lián)動機(jī)制，大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)會下發(fā)數(shù)據(jù)采集指令。

強(qiáng)震監(jiān)測系統(tǒng)與大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)動后能夠在震后第一時間完成數(shù)據(jù)采集，無需工作人員手動啟動各監(jiān)測系統(tǒng)，既保證了安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的時效性，又保證了工作人員的人身安全，同時還在一定程度上縮短了安全監(jiān)測時間，滿足大壩安全監(jiān)測快速反饋和遠(yuǎn)程管理的要求，大大提升了管理效率，為實現(xiàn)水電站“遠(yuǎn)程集控，少人值守”現(xiàn)代化管理奠定了基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語

呼蓄電站改造后的強(qiáng)震監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)與大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)動，地震時觸發(fā)大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)采集重點部位的監(jiān)測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集分析服務(wù)器軟件可自動處理傳回的數(shù)據(jù)，在線顯示加速度的過程曲線及頻譜分析曲線，并在線分析最大加速度峰值、有效值及主頻值。強(qiáng)震軟件可以定時對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如加速度峰值、有效值、頻率值等；并支持將分析結(jié)果寫入數(shù)據(jù)庫。此次改造可為震后大壩安全評估提供更準(zhǔn)確、全面的數(shù)據(jù)支撐。