惠州抽水蓄能電站安全監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

張 彬，高 平

（廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院，廣東 廣州 510170）

惠州抽水蓄能電站（以下簡稱“惠蓄”）位于廣東省博羅縣城郊，距廣州市約112 km，距惠州市20 km。電站總裝機容量2400 MW，平均水頭532.40 m，服務(wù)于廣東省電網(wǎng)。樞紐工程由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房洞室群、地面開關(guān)站及永久公路等組成，見圖1。工程為Ⅰ等工程，主要建筑物有上水庫擋水泄水建筑物、下水庫擋水泄水建筑物、輸水系統(tǒng)、主副廠房、主變洞、母線洞、高壓電纜洞及開關(guān)站等為1級建筑物，次要建筑物有地下廠房的交通洞、通風(fēng)洞、排水廊道、自流排水洞及尾調(diào)通氣洞等為3級建筑物[1]。

圖1 惠州抽水蓄能電站平面布置示意圖

惠蓄安全監(jiān)測設(shè)計包括上、下庫環(huán)境量監(jiān)測，上庫主副壩及主壩左岸單薄分水嶺監(jiān)測，下庫主副壩監(jiān)測，輸水系統(tǒng)監(jiān)測和地下廠房監(jiān)測等監(jiān)測項目設(shè)計。

現(xiàn)惠蓄安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)投運至今，已有近十年之久，運行過程中也發(fā)現(xiàn)了一些問題，比如測值異常、設(shè)備嚴重老化等，對現(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，并及時進行系統(tǒng)改造是十分必要的。

1 優(yōu)化設(shè)計重點關(guān)注問題

對工程安全監(jiān)測設(shè)施進行全面現(xiàn)場查看，綜合評價監(jiān)測方法的可靠性和精度；根據(jù)惠蓄監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性和觀測精度，對方案提出可行的優(yōu)化設(shè)計方案。在查閱監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計、施工以及現(xiàn)場檢查等工作的基礎(chǔ)上，對惠蓄監(jiān)測資料進行分析，判斷現(xiàn)有觀測方法的可靠性和監(jiān)測儀器的可靠性，對不可靠或精確度低的觀測方法進行優(yōu)化設(shè)計，對精度低的監(jiān)測儀器設(shè)備進行更新改造。

優(yōu)化設(shè)計主要關(guān)注以下幾個方面：（1）1#施工支洞滲流監(jiān)測優(yōu)化設(shè)計；（2）輸水系統(tǒng)滲流監(jiān)測優(yōu)化設(shè)計；（3）地下廠房滲流監(jiān)測優(yōu)化設(shè)計；（4）上庫水準控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計；（5）大壩水平位移監(jiān)測優(yōu)化設(shè)計；（6）安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)升級改造設(shè)計。

2 上、下庫主副壩監(jiān)測優(yōu)化

2.1 大壩水平位移監(jiān)測

（1）上庫副壩三

上庫副壩三表面水平位移采用前方交會法進行觀測，在壩下游側(cè)只布設(shè)了兩個工作基點，且未設(shè)校核基點（壩下游側(cè)為一山體，通視條件差）[2]。

由于現(xiàn)場地形條件的限制，校核基點最適合采用倒垂線，但倒垂線造價高，而且倒垂觀測房影響上庫景觀。由于副壩三壩體高度較小，最大壩高僅為23.8 m。故不考慮采用倒垂線作為校核基點，僅對現(xiàn)有工作基點進行改造。

對現(xiàn)有工作基點改造包括兩方面：（1）對現(xiàn)有工作基點位置進行調(diào)整，保證工作基點和壩體測點的相對位置更合理，以提高觀測精度；（2）對現(xiàn)有工作基點型式進行更改，由于副壩三及附近區(qū)域覆蓋層較厚，依照《土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（DL/T 5259-2012）將現(xiàn)有基點型式更改為“深覆蓋層混凝土觀測墩結(jié)構(gòu)”。

（2）下庫副壩

下庫副壩表面水平位移只做了壩頂水平位移觀測，采用類似視準線法進行觀測。由于壩頂左岸沒有布設(shè)工作（校核）基點的條件，僅在壩右岸山體布設(shè)兩個工作基點：工作基點1和工作基點2。

工作基點1離建筑物太近，工作基點1基礎(chǔ)穩(wěn)定性受大樓基礎(chǔ)變形影響。工作基點2露出地面僅50 cm左右，不便于觀測，也不符合規(guī)范要求。

下庫副壩下游地勢平坦，通視條件良好。對現(xiàn)有觀測方法進行改造，將現(xiàn)在的類似視準線法更改為前方交會法。在壩下游側(cè)布置工作基點和校核基點，并在下游馬道增設(shè)一排水平位移測點。

2.2 上庫副壩三垂直位移監(jiān)測

上庫主壩、副壩一、副壩二和副壩三相距較近，電廠為方便觀測，將四座大壩壩頂垂直位移進行聯(lián)測，統(tǒng)一使用副壩三左岸工作基點，采用二等水準測量。但主壩和副壩一為混凝土壩，依照規(guī)程規(guī)范，應(yīng)采用一等水準測量[3]。

為滿足規(guī)范要求和方便觀測，在主壩左岸和副壩一右岸穩(wěn)定山體上各布設(shè)一個工作基點。

3 輸水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)監(jiān)測優(yōu)化

3.1 1#施工支洞滲流監(jiān)測

由于1#施工支洞圍巖存在滲漏量大的問題，于2017年7月～2018年5月進行了防滲處理。為監(jiān)測滲漏量的變化情況，在1#施工支洞洞口位置布設(shè)兩個量水堰，在量水堰前布置了消能工。由于滲漏量較大，排水溝坡度較大，滲漏水進入量水堰時流速較大，導(dǎo)致堰前水位波動大，無法正常觀測。

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，按規(guī)范重新設(shè)計量水堰。為防止堰前水頭波動，需加高量水堰側(cè)墻，加長進水段，確保堰前水頭穩(wěn)定。量水堰監(jiān)測采用量水堰計進行自動化監(jiān)測，量水堰計接入監(jiān)測自動化系統(tǒng)[4]。

3.2 輸水系統(tǒng)和地下廠房滲流監(jiān)測優(yōu)化設(shè)計

滲流場監(jiān)測儀器設(shè)備現(xiàn)狀如下：（1）量水堰設(shè)施均正常；（2）利用地質(zhì)鉆孔安裝埋設(shè)的滲壓計監(jiān)測數(shù)據(jù)變化更有規(guī)律，可分析性好；（3）鉆孔安裝埋設(shè)的滲壓計監(jiān)測數(shù)據(jù)變化規(guī)律性不強，出現(xiàn)異常規(guī)律。（4）埋設(shè)高壓岔管、支管斷層裂隙的滲壓計測值為零或變幅很小，可能是滲壓計并未埋設(shè)在斷層裂隙位置所致。

滲流場監(jiān)測是蓄能電站的重要監(jiān)測項目，由于原設(shè)計方案合理可行，本次優(yōu)化主要是針對現(xiàn)有失效或安裝失誤的滲壓計進行更新改造，滲壓計的安裝埋設(shè)的位置和方法不變。按設(shè)計意圖，滲流場監(jiān)測主要分為3部分：（1）輸水系統(tǒng)沿線地下水位監(jiān)測；（2）f304、f65 和 f69 斷層滲壓監(jiān)測；（3）高壓隧洞、高壓岔管、高壓支管及廠房區(qū)域滲壓監(jiān)測。

輸水系統(tǒng)沿線地下水位監(jiān)測布置：利用原有5個地表地質(zhì)鉆孔和2個地表鉆孔共埋設(shè)7支滲壓計進行輸水系統(tǒng)沿線地下水位監(jiān)測。7支滲壓計監(jiān)測數(shù)據(jù)均穩(wěn)定可靠，故不考慮優(yōu)化。

f304、f65和f69斷層滲壓監(jiān)測布置：利用現(xiàn)有的6個地質(zhì)鉆孔，共埋設(shè)6支滲壓計對f304、f65和f69等斷層滲壓進行監(jiān)測。6支滲壓計監(jiān)測數(shù)據(jù)均穩(wěn)定可靠，故不考慮優(yōu)化。

3.3 高壓隧洞、高壓岔管、高壓支管及廠房區(qū)域滲壓監(jiān)測

分別在灌漿廊道、排水廊道和地質(zhì)探洞進行鉆孔安裝埋設(shè)了18支滲壓計，監(jiān)測A、B廠灌漿帷幕的作用、廠房上游側(cè)的滲壓和f33等斷層裂隙的滲壓情況。

監(jiān)測灌漿帷幕作用的滲壓計共有6支，其中，在灌漿廊道鉆孔安裝埋設(shè)5支，在地質(zhì)探洞鉆孔安裝埋設(shè)1支，由于灌漿廊道和部分地質(zhì)探洞已被封堵，無法在灌漿廊道和部分地質(zhì)探洞進行鉆孔安裝埋設(shè)滲壓計進行帷幕前后滲壓監(jiān)測。在A、B廠岔管排水廊道重新鉆孔埋設(shè)3支滲壓計進行滲壓監(jiān)測，3支滲壓計均埋設(shè)在斷層中。監(jiān)測廠房上游側(cè)的滲壓計共有5支滲壓計，其中，在廠房中層排水廊道鉆孔（水平孔）埋設(shè)4支，在施工支洞鉆孔（水平孔）埋設(shè)1支，從目前安裝的滲壓計讀數(shù)來看，滲壓為零或測值基本不變。

由于電廠已運行多年，廠房上游邊墻未發(fā)生滲水情況，故不對廠房上游側(cè)滲壓監(jiān)測進行更新改造。針對f33等斷層裂隙的滲壓監(jiān)測共埋設(shè)了7支滲壓計，分別為PA4、PA5、PA6、PA7、PA10、PB6和 PB7，主要埋設(shè)在支管處（共計 6支），其中在A、B廠岔管排水廊道鉆孔安裝埋設(shè)5支，在地質(zhì)探洞鉆孔安裝埋設(shè)1支，在廠房中層排水廊道鉆孔安裝埋設(shè)1支。結(jié)合滲壓計的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，滲壓計現(xiàn)狀如下：（1）PA4、PA5、PA6和PA7均埋設(shè)在A廠支管區(qū)域，PA4測值為零，測值變化不符合一般規(guī)律；PA5監(jiān)測數(shù)據(jù)正常，測值變化符合一般規(guī)律；PA6儀器失效；PA7測值一直呈下降趨勢，測值變化不符合一般規(guī)律。但PA4、PA5、PA6和PA7距離灌漿帷幕較遠，而且工程已安全運行多年，故不考慮更新改造。（2）PA10測值為零，埋設(shè)在排水廊道后，該處滲壓很小，測值符合一般規(guī)律，無需更新改造。（3）PB6、PB7均變幅很小，測值不符合一般規(guī)律。但PB6、PB7距離灌漿帷幕較遠，而且工程已安全運行多年，故不考慮更新改造。

根據(jù)工程現(xiàn)狀和鉆孔施工條件，輸水系統(tǒng)和地下廠房系統(tǒng)滲流監(jiān)測優(yōu)化設(shè)計方案如下：在A、B廠岔管排水廊道鉆孔安裝埋設(shè)3支滲壓計，監(jiān)測f36、f69、f53、f79及岔管處帷幕前滲壓。滲壓計具體布置詳見表1，滲壓計安裝大樣見圖2。

表1 高壓岔管、高壓支管新增滲壓計布設(shè)位置表

圖2 滲壓計埋設(shè)大樣

4 自動化系統(tǒng)監(jiān)測優(yōu)化

惠蓄安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)是2009年投入運行的，距今已有近十年之久，測量模塊、電源模塊、光端機、信號發(fā)達器內(nèi)電子元器件部分已老化嚴重，故障率明顯增加，導(dǎo)致自動化系統(tǒng)可靠性大大降低，維護工作明顯增加。經(jīng)現(xiàn)場查看和業(yè)主介紹，自動化系統(tǒng)主要存在以下幾方面問題：

（1）目前惠蓄電廠自動化系統(tǒng)共有DAU數(shù)據(jù)采集單元69臺、采集模塊131塊，模塊處于經(jīng)常返修的狀態(tài)，現(xiàn)場通信故障頻頻。

（2）監(jiān)測系統(tǒng)軟件采用南瑞DSIMS4.0版本大壩安全監(jiān)測管理系統(tǒng)軟件。軟件功能已經(jīng)落伍，有待升級。

（3）地質(zhì)探洞內(nèi)采集單元和上水庫滲壓計雷擊破壞情況時有發(fā)生，防雷措施有待加強。

（4）目前仍有少量監(jiān)測儀器未接入到自動化系統(tǒng)，比如副壩二垂線坐標(biāo)儀和輸水沿線滲壓計等。

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展及觀測技術(shù)的不斷創(chuàng)新，新的觀測技術(shù)與觀測方法已越來越多的應(yīng)用在新建及改造的工程中，技術(shù)也日趨成熟[5]。同時，隨著現(xiàn)代計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、軟件工程技術(shù)、水工監(jiān)測技術(shù)均已在大壩安全監(jiān)測領(lǐng)域中得到了成功的應(yīng)用。

通過建立一套功能齊全、穩(wěn)定可靠、使用方便的工程安全監(jiān)控系統(tǒng)，不但可以滿足惠蓄安全監(jiān)測的需要，同時也可以提高惠蓄安全監(jiān)測人員的業(yè)務(wù)水平，促進大壩安全監(jiān)測技術(shù)水平的發(fā)展。

針對自動化系統(tǒng)存在根據(jù)工程需要和業(yè)主要求，對現(xiàn)有自動化系統(tǒng)進行更新升級，主要升級內(nèi)容有：

（1）將DAU2000系列數(shù)據(jù)采集單元箱進行升級，建議將原采集系統(tǒng)硬件升級為南瑞DAU3000系列數(shù)據(jù)采集單元箱，軟件建議采用南瑞DSIMS5.0版本大壩安全監(jiān)測管理系統(tǒng)軟件（含配套安卓版APP軟件）。為滿足新的管理系統(tǒng)運行要求，更換新的采集服務(wù)器以及現(xiàn)場調(diào)試終端。

（2）建議將原電容式垂線坐標(biāo)儀、靜力水準更換為485通信智能電容式儀器。智能電容式儀器具有精度高和、穩(wěn)定性好和抗干擾的優(yōu)點。

（3）更換失效監(jiān)測儀器，包括輸水系統(tǒng)沿線鉆孔埋設(shè)滲壓計（滲壓計編號PSWA-1，鉆孔編號ZK2051，需重新鉆孔）、大壩滲流監(jiān)測滲壓計和濕度計。加強防雷措施，將位于地質(zhì)探洞內(nèi)環(huán)境潮濕位置的MCU移至相對干燥位置。

（4）將副壩二垂線坐標(biāo)儀接入自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)自動化監(jiān)測。

5 結(jié)論

通過從事惠蓄安全監(jiān)測優(yōu)化設(shè)計，以及監(jiān)測系統(tǒng)在工程實際運行中發(fā)揮的作用情況看，

（1）在工程運行期，由于地形或基礎(chǔ)條件發(fā)生變化，應(yīng)及時進行優(yōu)化設(shè)計，并進行相應(yīng)改造。

（2）粘土心墻堆石壩心墻壩后量水堰出現(xiàn)無滲水的情況，可以考慮采用測壓管進行滲流監(jiān)測。

（3）在輸水系統(tǒng)地下滲流場監(jiān)測設(shè)計時應(yīng)整體考慮，滲壓計埋設(shè)在斷層或裂隙位置。

（4）自動化系統(tǒng)更新改造應(yīng)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及監(jiān)測技術(shù)的不斷創(chuàng)新相應(yīng)進行更新改造。