水利水電工程中的大壩工程安全監(jiān)測(cè)改造分析

鄭志成

（南瑞集團(tuán)（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院）有限公司，江蘇 南京 211000）

1 電站概況及改造前大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概況

古田溪四級(jí)（寶湖）水電站位于福建省古田縣境內(nèi)，壩址以上流域面積為1799 km2，區(qū)間流域面積為25 km2，多年平均流量為60 m3/s，總庫容為840萬m3，屬于日調(diào)節(jié)水庫；電站裝機(jī)2臺(tái)，總裝機(jī)容量4.2×104kW，多年平均發(fā)電量0.98×108kW·h。主要建筑物包括攔河大壩、溢洪道、壩后廠房、進(jìn)水口、引水管道及開關(guān)站等。整個(gè)壩體由13個(gè)壩段組成，從右岸到左岸依次編號(hào)為1#～13#，其中位于河床部位的4個(gè)壩段（4#～7#）為溢流壩段（有閘門控制的溢洪道），8#、9#壩段為引水壩段，10#壩段為腹孔壩段，其它為擋水壩段，壩段寬10.0 m～17.5 m，始建于1965年7月，1970年4月22日封孔蓄水。

四級(jí)大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)有水平位移、垂直位移、揚(yáng)壓力、壩體壩基總滲漏水等監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。2004年，古田溪水力發(fā)電廠對(duì)四級(jí)大壩進(jìn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)更新改造，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于2005年3月正式投入運(yùn)行。但是由于當(dāng)時(shí)我國大壩監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)改造剛起步，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備和儀器處在研發(fā)試驗(yàn)階段，安裝投運(yùn)后，整個(gè)系統(tǒng)故障頻繁，可靠性差，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)誤差較大，電站隨后在運(yùn)行過程中進(jìn)行了多次維護(hù)和改進(jìn)，仍然無法滿足當(dāng)下的監(jiān)測(cè)任務(wù)。

2 大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改造結(jié)構(gòu)及功能

在2014年，對(duì)該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的采集儀器、控制單元、系統(tǒng)軟件及附屬設(shè)施進(jìn)行了全面改造，包括：舊系統(tǒng)拆除及配套土建施工；在壩頂、中層廊道以及基礎(chǔ)廊道共計(jì)安裝19臺(tái)電容式正、倒垂坐標(biāo)儀；壩頂安裝14臺(tái)電容式靜力水準(zhǔn)儀；壩頂安裝2套電容式雙金屬管標(biāo)儀、4臺(tái)電容式引張線儀及引張線測(cè)點(diǎn)箱以及1支氣溫計(jì)；基礎(chǔ)廊道安裝11支滲壓計(jì)、1支量水堰計(jì)；在中控室安裝1臺(tái)服務(wù)器，1臺(tái)采集計(jì)算機(jī)，安裝數(shù)據(jù)采集軟件和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

改造后的大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)兼有監(jiān)測(cè)功能、操作功能、掉電保護(hù)功能、數(shù)據(jù)通信功能、網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)功能、遠(yuǎn)程操作功能、自檢（自診斷）和報(bào)警功能、人工補(bǔ)測(cè)和比測(cè)功能，從而實(shí)現(xiàn)各儀器的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)采集與控制。

3 改造內(nèi)容及方法

3.1 垂線系統(tǒng)

古田溪四級(jí)大壩共布置了7條倒垂線（共8個(gè)測(cè)點(diǎn)）和9條正垂線（共11個(gè)測(cè)點(diǎn)）。本次改造采用的是RZ-S型智能電容式垂線坐標(biāo)儀，對(duì)正垂、倒垂全部測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了更新改造，共計(jì)安裝19臺(tái)智能電容式垂線坐標(biāo)儀。IP5布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中IP5-1測(cè)點(diǎn)引張線儀位于9#壩段，IP5-2垂線測(cè)點(diǎn)引張線儀位于10#壩段。

3.2 靜力水準(zhǔn)儀

大壩共計(jì)3條靜力水準(zhǔn)垂直位移觀測(cè)系統(tǒng)，共計(jì)安裝14套智能電容式靜力水準(zhǔn)儀。其中左岸靜力水準(zhǔn)垂直位移觀測(cè)系統(tǒng)7套，右岸靜力水準(zhǔn)垂直位移觀測(cè)系統(tǒng)4套，溢流壩段靜力水準(zhǔn)垂直位移觀測(cè)系統(tǒng)3套。見圖1。

圖1 靜力水準(zhǔn)安裝底板安裝示意圖

3.3 雙金屬標(biāo)位移計(jì)

安裝2套雙金屬標(biāo)儀，分別在壩頂左、右岸壩頭各布置1套雙金屬管標(biāo)儀。其中SG1作為右岸壩段壩頂靜力水準(zhǔn)（JL1～JL4）的基準(zhǔn)點(diǎn)，SG2作為左岸壩段壩頂靜力水準(zhǔn)（JL7～JL13）的基準(zhǔn)點(diǎn)。用螺栓將雙金屬標(biāo)位移計(jì)固定在安裝底板上，儀器安裝調(diào)水平。調(diào)整初始位置；將儀器電纜接入安裝在現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量控制單元，并開始自動(dòng)化測(cè)量或用NDA1711讀數(shù)儀測(cè)量；雙金屬標(biāo)位移計(jì)納入自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.4 引張線

古田溪四級(jí)大壩布置有2條引張線，4個(gè)測(cè)點(diǎn)。本次改造安裝4臺(tái)引張線儀。

Ⅰ號(hào)引張線（EX1）位于1#～4#壩段壩頂，其中1#、4#壩段為基點(diǎn)，2#、3# 壩段為測(cè)點(diǎn)（EX1－1、EX1－2）。

Ⅱ號(hào)引張線（EX2）位于5#～8#壩段基礎(chǔ)廊道內(nèi)，其中5#、8# 壩段為基點(diǎn)，6#、7# 壩段為測(cè)點(diǎn)（EX2－1、EX2－2）。

3.5 量水堰儀

古田溪四級(jí)大壩壩體及壩基安裝一臺(tái)量水堰儀，布置在7#～8#寬縫壩段之間的排水溝，監(jiān)測(cè)大壩壩體及壩基總滲流量。

量水堰的堰板采用厚度≥6 mm的不銹鋼板制作。過水堰口下游側(cè)切削成45°坡口，堰板直立且與水流方向垂直，堰板為平面，局部不平處不大于±3 mm。土建施工時(shí)即將安裝底座按要求埋入，調(diào)平。待混凝土固化后，將量水堰水位計(jì)安裝在底座上，用水管接通堰上水位，調(diào)整初始位置之后，用水準(zhǔn)調(diào)平儀器。

3.6 滲壓計(jì)埋設(shè)

古田溪四級(jí)大壩壩基揚(yáng)壓力觀測(cè)孔共11個(gè)，主要布置在3#壩段（3#測(cè)孔）、4#壩段（7#測(cè)孔）、5#壩段（13#測(cè)孔）、6#壩段（滲 1孔～滲 4孔）、7#壩段（10#測(cè)孔）、8#壩段（14#測(cè)孔）、9#壩段（16#測(cè)孔）以及11#壩段（22#測(cè)孔）的基礎(chǔ)灌漿廊道內(nèi)。其中，6#壩段為全斷面觀測(cè)，滲1距帷幕2.5 m，滲2距帷幕7.0 m，滲3距帷幕16.0 m，滲4距帷幕25 m。

本次改造更換滲壓計(jì)11支并改造管口裝置，為保證安裝的可行性以及效果，提前對(duì)觀測(cè)口進(jìn)行了檢查，包括現(xiàn)在孔深、孔口高程、前期鉆孔資料、原始人工測(cè)量數(shù)據(jù)等；對(duì)于常年有壓的測(cè)點(diǎn)，根據(jù)設(shè)計(jì)的要求將滲壓計(jì)安裝在測(cè)壓管管口或測(cè)壓管內(nèi)。對(duì)于無壓或時(shí)有壓時(shí)無壓的測(cè)點(diǎn)，滲壓計(jì)安裝在測(cè)壓管內(nèi)最低水位以下約1 m的位置。

3.7 DAU2000數(shù)據(jù)采集裝置及采集模塊

DAU2000采集裝置安裝見圖2。

圖2 DAU2000采集裝置安裝圖

將DAU箱附件中的4組地腳片和螺母按說明分別固定到DAU的4個(gè)安裝孔上，擰緊螺絲，保證地腳片豎向垂直于DAU箱邊線；結(jié)合水平尺和卷尺，在墻面上對(duì)DAU箱安裝孔進(jìn)行定位，選取Φ12 mm的鉆頭進(jìn)行打孔，打孔時(shí)要保證鉆頭垂直進(jìn)入墻面；將Φ8 mm的膨脹螺栓安裝至地腳片固定孔處，抬起DAU箱，將膨脹螺栓對(duì)準(zhǔn)已經(jīng)打好的墻面安裝孔，將膨脹螺栓打入孔內(nèi)并擰緊。

采集模塊用銅螺柱將內(nèi)層模塊固定到DAU箱中的固定螺桿上，再用專用螺絲將外層模塊固定到銅螺柱上。（單模塊的直接用螺絲固定到DAU箱中的固定螺桿上。）

3.8 保護(hù)管敷設(shè)及電纜連接

為確保總線線路安全和系統(tǒng)長期穩(wěn)定性，電纜敷設(shè)采用鋼管保護(hù)，敷設(shè)后的電纜按照各儀器約定連接方式連接，施工中采用氣烙鐵進(jìn)行接頭的鍍錫焊接，并用熱縮套管、電工絕緣膠帶和封口膠對(duì)接頭進(jìn)行防水密封絕緣處理，確保各儀器電纜的正常使用。

為方便儀器的更改和后期維修工作，所有觀測(cè)儀器電纜在其埋設(shè)點(diǎn)附近都預(yù)留一定的長度，電纜牽引方向盡量垂直或平行于混凝土面，以滿足美觀大方的要求。監(jiān)測(cè)儀器至監(jiān)測(cè)站的敷設(shè)過程中盡可能少地出現(xiàn)電纜接頭，以提高觀測(cè)精度。在監(jiān)測(cè)儀器引線進(jìn)行必要的連接、套接和安放前后，對(duì)監(jiān)測(cè)儀器均進(jìn)行有效的測(cè)試，對(duì)比前后測(cè)值同時(shí)對(duì)儀器電纜也進(jìn)行了通電測(cè)試，以保證儀器的接線安放后的正常運(yùn)行。

4 運(yùn)行期系統(tǒng)修正及評(píng)價(jià)

試運(yùn)行期對(duì)大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的出現(xiàn)了部分問題并且進(jìn)行了修正。

4.1 滲壓計(jì)公式

滲壓計(jì)UP7，實(shí)際測(cè)壓孔孔口高程為73.064 m,自動(dòng)化系統(tǒng)中計(jì)算用值錄入有誤，進(jìn)行修正，見表1。

表1 修正表

4.2 引張線公式

對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)中的引張線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中EX1-2和EX2-2水平位移的計(jì)算公式進(jìn)行了改正。

原計(jì)算公式為：

更正后計(jì)算公式為：

垂線公式

PL5-1、PL6-1兩個(gè)個(gè)測(cè)點(diǎn)在計(jì)算X方向絕對(duì)位移時(shí)與引張線關(guān)聯(lián)，由于引張線計(jì)算公式進(jìn)行了更正，相應(yīng)PL5-1、PL6-1兩個(gè)個(gè)測(cè)點(diǎn)在X方向絕對(duì)位移也進(jìn)行了更正；對(duì)PL9-1和PL11-1的計(jì)算公式顛倒問題進(jìn)行更正。對(duì)PL9-1和PL11-1的計(jì)算公式顛倒問題進(jìn)行了更正。

原計(jì)算公式為：

更正后計(jì)算公式為：

4.3 關(guān)于新系統(tǒng)垂線位置關(guān)系系數(shù)K取值的問題

倒垂線和正垂線相對(duì)位移計(jì)算公式：

式中：K為位置關(guān)系系數(shù)（其值為1或-1），與正垂觀測(cè)墩布置位置（方向）和垂線坐標(biāo)儀的標(biāo)尺方向有關(guān)；kx為垂線坐標(biāo)儀X方向靈敏度系數(shù)，mm/電容比；ky為垂線坐標(biāo)儀Y方向靈敏度系數(shù)，mm/電容比。

自動(dòng)化系統(tǒng)的公式為：

k為合并了位置關(guān)系系數(shù)和電容比，實(shí)則k=Kkx或k=Kky。

系統(tǒng)自投入試運(yùn)行，從儀器測(cè)量結(jié)果及系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行情況看，總體上運(yùn)行良好。系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、采集速度快、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)的功能和性能滿足自動(dòng)化規(guī)范要求，系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)精度基本滿足《混凝土大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》和《大壩安全自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備基本技術(shù)條件》要求，實(shí)測(cè)資料基本穩(wěn)定可靠，絕大部分測(cè)值變化符合實(shí)際，基本達(dá)到古田溪四級(jí)大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改造的目的。

5 結(jié)論

大壩的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行情況直接關(guān)系到大壩的工作狀態(tài)和安全運(yùn)行。大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的改造想要達(dá)到預(yù)期效果，前期一定要明確好改造的的目標(biāo)以及需要改造的項(xiàng)目。古田溪四級(jí)（寶湖）水電站大壩是運(yùn)行四十多年的老電站，本次成功改造大壩自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將為運(yùn)行多年的老電站和早期的大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的改造提供借鑒。