湖南鎮大壩安全監測系統自動化改造

施永新

（浙江華電烏溪江水力發電廠，浙江衢州324000）

0 概述

0.1 工程概況

湖南鎮水電站位于浙江省西南部的衢州市衢江區境內，是烏溪江流域兩級開發的第一級電站，距下游黃壇口水電站約29 km。工程以發電為主，兼有防洪、灌溉、航運等綜合利用效益。壩址以上控制流域面積2151 km2。水庫正常蓄水位230 m，相應庫容15.82億m3；重現期1000年設計洪水位238.0 m；重現期10000年校核洪水位240.25 m，校核洪水位以下總庫容20.6億m3；死水位190 m，死庫容4.48億m3；有效庫容11.34億m3，庫容系數43.2%，具有不完全多年調節能力。電站共安裝5臺發電機組，目前總裝機容量為320 MW。

樞紐主要由攔河壩、輸水系統、岸坡式廠房、壩后式廠房及開關站等建筑物組成。其攔河壩為混凝土重力式梯形支墩壩，壩頂高程242 m，最大壩高129 m。壩頂全長440 m，由23個壩段組成，除兩岸壩頭外，壩段寬度均為20 m。其中，0～6號壩段為左岸擋水段，13～22號壩段為右岸擋水段，7～12號壩段為河床溢流段（其中7號、12號為半邊擋水半邊溢流壩段），設有5孔壩頂溢洪道和4個深式泄水孔。1979年1月下閘蓄水，1983年12月底竣工驗收。

0.2 大壩安全監測系統自動化改造的必要性

湖南鎮大壩安全監測系統始建于1980年代初，包括壩頂位移監測、167 m高程壩體位移監測、130 m高程壩體沉陷監測、左岸邊坡變形監測、垂線監測、接縫與裂縫監測、12壩段基礎變位監測、壩體應力、應變及溫度監測、水質取樣及分析、揚壓力及滲流量監測、繞壩滲流監測、氣溫、庫水溫、水位等環境量監測以及巡回檢查等項目。該系統較為完整全面，多年來為大壩安全運行、了解整體結構性態及其變化規律提供了可靠的數據。但由于該大壩安全監測系統建立在幾十年前的監測技術水平上，以人工觀測為主，如此多的監測項目，上千個測點，分散在壩頂、廊道、兩岸及邊坡，觀測工作量大、觀測條件差、觀測周期長，部分設施老化，精度相對較差。此外，在遇到大壩性態異常或洪水、地震等異常情況時，不能實施動態監測。為了能做到實時采集和處理觀測數據，了解大壩工作性態，節省人力，減輕工作強度，必須實現湖南鎮大壩安全監測自動化，這是加強大壩安全管理、保證安全運行的有效措施。

1 自動化改造原則

根據湖南鎮大壩的實際情況以及當時國內外大壩安全監測自動化技術水平，提出湖南鎮大壩安全監測系統自動化改造必須遵循以下原則：

（1）總體規劃，分期分批逐步實施。根據監測項目的重要程度、監測自動化技術的成熟度以及實施的可操作性對系統改造進行總體規劃，在此基礎上分期逐步實施。從技術進步角度要求系統便于擴展、便于更新。

（2）實用性。從湖南鎮大壩實際出發，以滿足大壩監測數據處理、綜合信息管理、關鍵測點評判的需要來進行系統功能設計。

（3）先進性。通過高性能的計算機網絡環境，采用先進的數據庫管理軟件、開發軟件、圖形處理軟件及數據處理方法來實現系統功能。

（4）穩定性。要求系統在惡劣的環境下能夠長期穩定地運行，具有完善的數據備份功能，能夠方便地對重要的數據進行備份和恢復；實現監測自動化時，還應設置人工監測手段，以便定期校測，并保證當自動化系統發生故障時，能測得人工監測數據，以保證資料的連續性。

（5）安全性。要求系統具有完善的安全保密、安全控制和安全管理功能，防止非法用戶對數據進行操作。

（6）實時性。將自動化監測的數據和人工監測數據及時導入到系統，實時對各種數據進行分析處理，監控大壩的運行工作性態。

（7）可擴展性。系統應具有較強的可擴展性，提供良好的接口，能夠方便地添加功能模塊。

（8）規范性。系統改造必須嚴格遵守DL/T 5178-2003《混凝土壩安全監測技術規范》、DL/T5211-2005《大壩安全監測自動化技術規范》、SL268-2001《大壩安全自動化監測系統設備基本技術條件》、《水電站大壩安全管理規定》（電監會3號令）等規程規范的相關要求。

2 自動化改造的實施

根據上述原則，電廠委托華東勘測設計研究院對湖南鎮大壩安全監測系統自動化改造進行了規劃設計，并逐步開始實施。目前已完成湖南鎮大壩167 m高程變形監測系統、壩體水平位移（垂線）監測系統、壩基揚壓力和滲流量監測系統、壩體接縫監測系統、繞壩滲流監測系統以及環境量監測的自動化改造，同時也完成了大壩安全信息管理系統的開發建設。

2.1 高程167 m變形監測系統改造

湖南鎮大壩167 m高程變形監測包括水平和垂直位移監測，分別采用引張線法和精密水準法進行人工觀測。2000年8月采用真空激光準直測量技術對其進行改造，于2001年4月投入正式試運行。系統由一套真空激光準直位移測量裝置和兩個端點的位移校核設備組成。真空激光準直距離全長255.466 m。激光發射端位于左側的2號壩段觀測房內，接收端和真空泵位于右側的15號壩段觀測房，中間共設12個測點。2號壩段激光發射端的位移原采用三向倒垂進行觀測；15號壩段接收端的位移只有水平方向采用二向倒垂實現了自動化觀測，垂直方向仍用人工觀測。采用的設備是南京南瑞集團公司生產的ZJG型真空激光準直測量系統和電容式垂線坐標儀。

2002年7月16日該系統通過了驗收，從試運行情況看，真空激光系統以及兩端點垂線坐標儀水平方向位移測值穩定可靠、精度高、可靠性好，各項指標均達到了技術設計要求。但2號壩段三向倒垂的垂直方向位移測值存在問題。

考慮到真空激光系統本身運行情況良好，但兩端點位移校核垂直方向不完善的現狀，決定采用雙金屬管標技術對系統進行完善化改造。改造工作從2004年10月開始，每端點鉆孔一只，深40 m。孔內安裝直徑50 mm的鋼管和鋁管各一根。2005年3月完成整個完善化改造工作。完善化改造后，系統運行穩定可靠、故障率低、測值精度高，達到了技術設計要求。

2.2 大壩水平位移（垂線）監測系統改造

2003～2004年對湖南鎮大壩水平位移（垂線）監測系統進行自動化改造。改造后整個系統包括4條倒垂和4條正垂，每條倒垂設1個測點，每條正垂設2個測點，共12測點。現場共安裝12臺LN2002A雙向CCD智能型全數字垂線遙測坐標儀。通訊總線與布置在電梯井觀測房的“無人值守”工控機相聯。工控機通過光纖與設在觀測班內的管理主機相聯。

系統于2004年底改造完成。在運行過程中，由于傳感器所處環境條件較差，雨天有滴水，春夏比較潮濕等，偶有無法正常測讀現象發生。為此，在傳感器旁加裝了一個加熱器，基本解決了上述問題。目前系統運行較為穩定，各項指標能夠滿足規范要求。

2.3 壩基揚壓力和滲流量監測系統改造

2005～2006年對大壩揚壓力及滲流量監測系統進行改造，包括54只揚壓力孔和4只量水堰。揚壓力觀測傳感器選用加拿大RST公司生產的VW2100A型鋼弦式滲壓計，量程0.35 MPa的46支，量程0.7 MPa的7支，量程1.0 MPa的1支。滲漏量觀測傳感器選用基康公司生產的GK4675型鋼弦式滲壓計，量程300 mm。上述每支傳感器均將電纜接至設在7號和14號壩段的MCU，由MCU引出網絡線，就近接入已建成的原自動化系統網絡，統一由監測中心計算機管理，并在原測控管理軟件上增加相應功能模塊。

系統于2006年4月安裝調試完畢。從運行情況看，揚壓力監測系統的監測成果基本能夠滿足規范要求；量水堰的堰上水頭測值誤差也不大，但將其轉換成流量成果時，誤差就比較大了，究其原因主要是這幾個量水堰的滲流量只有幾十到幾百毫升每秒，流量比較小，不太適合用三角堰法進行測量。同時運行過程中也出現過因雷擊而使系統通訊模塊被擊穿的情況，為此對系統走線及防雷功能進行了完善。目前系統運行正常。

2.4 大壩安全信息管理系統開發

2006年委托國家電力監管委員會大壩安全監察中心開發了大壩安全信息管理系統。該系統包括大壩安全信息管理、監測系統信息管理、安全監測信息管理、水工管理信息管理等主要內容。大壩安全信息管理包括工程建設信息資料管理、工程運行及維修加固資料管理、大壩安全檢查資料管理、大壩安全注冊信息管理、險情預計及應急方案管理、工程其他安全資料管理、觀測資料分析成果管理等功能；監測系統信息管理包括監測項目、儀器分布等基本信息管理，測點、儀器特性等參數管理，測點、儀器等完好率統計管理，監測系統運行記錄資料管理，監測系統改造資料管理，監測自動化系統數據采集缺失率統計，系統人工比測指標統計等功能；安全監測信息管理包括在線監控，數據集成與輸入，數據計算與處理，監測數據統計與查詢，監測數據輸出和報表、圖表制作，離線綜合分析等功能；水工管理信息管理包括有關大壩安全的法律法規、技術規范等查詢，水工管理相關崗位職責、規章制度查詢等功能。同時系統還具有監測數據自動上報功能。

2007年系統完成開發。從使用情況看，系統功能完備，運行穩定，大大提高了電廠大壩安全管理的效率和信息化、自動化水平。

2.5 壩體接縫和環境量監測系統改造

2007～2008年，對湖南鎮大壩壩體接縫監測系統進行了改造，包括28副三向測縫計和5支單向測縫計。選用的是西安聯能生產的LN-J-12差動電阻式測縫計，量程12 mm。上述每支傳感器均將電纜接至現場的MCU，由MCU引出網絡線，就近接入已建成的原自動化系統網絡中，統一由監測中心計算機管理，并在原測控管理軟件上增加相應功能模塊。

同時安裝了壩下游水位計（VW2100LV型）1支、壩頂氣溫觀測溫度計（LN-T型）1支，實現了環境量監測的自動化。

上述系統于2008年12月初完成安裝調試，至今未出現過任何故障，測值穩定、精度高、規律性強，完全滿足有關規范要求。

2.6 繞壩滲流監測系統自動化改造

2009年對繞壩滲流監測系統進行了自動化改造，共20只繞滲觀測孔。傳感器選用加拿大RST公司生產的VW2100A型鋼弦式滲壓計，量程根據孔內水位變幅分別選用0.35 MPa、0.7 MPa和1.0 MPa。由于測孔分布于大壩兩側邊坡，對繞壩滲流各孔口到大壩的信號線采用PVC管進行防護，進入壩體之前的30 m則采用鍍鋅鋼管進行保護。同時為加強系統的防雷，采取下述措施：儀器信號線的防雷，在大壩廊道口加裝“繼電器”，在系統不工作時，繼電器斷開以免雷擊；信號線接入數據采集裝置（MCU）前，加裝防雷用戶板防止系統工作時遭受雷擊。

系統投入運行后，工作正常穩定，沒有發生過影響整個系統運行的故障，測值精度、缺測率等指標均符合規定要求。

3 結論和體會

經過多年努力，湖南鎮大壩安全監測系統中比較重要、技術條件成熟、現場具備實施條件的項目均已完成了自動化改造。期間也遇到過一些問題，但通過不斷完善改進，問題基本得到了解決。從目前情況看，整個系統運行狀況良好，系統平均無故障工作時間、儀器故障率、數據缺失率、測值精度等指標以及系統功能等均能夠滿足規范和設計文件要求。自動化系統的投運，提高了監測工作的及時性和準確度，增強了資料整編、分析、上報等信息處理工作的自動化程度，節約了人力，提升了大壩安全管理的能力和水平，達到了改造的預期效果。由于現場條件制約，目前湖南鎮大壩還有壩頂變形、高程130 m垂直位移等監測項目未完成自動化改造。對此，將密切關注業界的技術進步狀況，在條件成熟時及時進行改造。

在改造過程中，也深切地體會到要實施好大壩安全監測系統自動化改造工作，必須高度重視以下幾個方面：

（1）整體規劃，統一平臺。大壩安全監測自動化系統的設備類型繁多，傳感器的工作原理和適用條件千差萬別，再加上工程條件各不相同，因此，在實施前最好委托具有較強綜合技術能力的設計單位對系統進行整體的規劃，在充分調研的基礎上，做出先進合理的設計，以保證具體實施的順利進行。如系統比較大，需要分期分項逐步實施，那么最好能夠選擇統一的管理和網絡平臺，或委托有實力的單位統一進行系統集成，以方便后續的系統管理。

（2）選擇技術成熟、適合自身實際的方法和傳感器。如湖南鎮大壩高程167 m變形監測系統自動化改造時，2號壩段激光發射端的位移原采用的是三向倒垂進行觀測，由于存在銦鋼絲徐變的影響，該技術并不成熟，因此投運后未能取得理想的效果；湖南鎮大壩量水堰的改造也出現了類似的情況。當然，對于某些少量的、試驗性質的情況，也未嘗不可。

（3）高度關注系統的防雷問題。大壩一般都位于山區，雷電多發，系統由于遭受雷擊而癱瘓的現象時有發生，湖南鎮大壩也曾碰到過此情況。對此要高度重視，系統設計時根據工程特點選擇有效的防雷措施，同時實施中要嚴格保證防雷工程的施工質量。

（4）適當改善現場環境。大壩的現場環境條件一般都比較差，尤其是年代比較久遠的大壩，雖然現在的大壩安全監測自動化系統設備對環境條件的要求不高，但環境因素對系統設備的可靠穩定運行和使用壽命肯定是有影響的。因此在條件許可的情況下，適當改善一下現場環境也是必要的。■