枕頭壩一級水電站工程安全監測自動化系統設計與應用

古光偉

（中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081）

枕頭壩一級水電站工程在地震構造部位上處于我國中部南北向地震帶中南段的東側，區域構造穩定條件較差，地形地質條件復雜，其樞紐區左岸有沿河而建的S306省道，左岸壩肩下方為1#土石堆積體，右岸邊坡建有導流明渠且部分邊坡巖層上存在大量土石堆積體，上游庫區的莊子上坐落堆積體也是潛在的不穩定體，威脅著電站樞紐建筑物安全和周圍群眾的生命財產安全，工程安全監測意義重大。該工程原有的安全監測手段主要局限于人工定期觀測，由于監測項目多樣、測點數量多且分布離散，因此人工觀測工作量大、費時費力，觀測頻次也難以滿足安全監測實時性的要求，監測預報存在一定的滯后性。為了解決上述問題，工程建設完成后，及時建立了一套監測項目齊全、功能穩定可靠、實時高效的工程安全監測自動化系統。

1 工程概況

枕頭壩一級水電站采用堤壩式開發，樞紐建筑物由擋水、泄水、引水發電及魚道等建筑物組成。大壩包含11個壩段：3個左岸非溢流壩段，3個泄洪閘壩段，4個河床式廠房壩段，1個右岸非溢流壩段。大壩最大壩高86.5m，正常蓄水位為624m，正常蓄水位以下庫容為0.435億m3，水庫總庫容為0.469億m3，機組裝機容量為720MW，多年平均發電量為32.90億kW·h。工程主要目的為發電，同時兼顧下游用水。

該工程屬二等大（2）型工程，擋水、泄水、引水發電等主要建筑物為2級建筑物，相應水工建筑物結構安全級別為Ⅱ級；次要建筑物為3級建筑物，相應水工建筑物結構安全級別為Ⅱ級。

2 系統規劃

枕頭壩一級水電站工程安全監測自動化系統主要包括工程外部變形監測自動化系統和樞紐內部安全監測自動化系統兩個部分，前者對大壩樞紐建筑、左右岸邊坡及上游滑坡體進行表面變形監測，后者主要對大壩樞紐建筑和左右岸壩肩等部位進行內觀狀態監測。該系統監測范圍覆蓋了大壩、左岸壩肩邊坡及下游1#堆積體邊坡、右岸導流明渠邊坡以及上游庫區的莊子上坐落堆積體等重點區域。

2.1 工程外部變形監測自動化系統

枕頭壩一級電站工程外部變形監測自動化系統主要包括大壩外部變形監測和邊坡外部變形監測兩個方面。根據全方位、高精度、實時自動化的監測要求，結合大壩實際情況，系統采用了測量機器人和GNSS聯合測量的綜合監測模式。結構圖如圖1所示。

圖1 枕頭壩一級水電站工程外部變形安全監測自動化系統結構圖

（1）在大壩壩頂設置6個表面變形監測點，左岸壩肩邊坡及下游1#堆積體邊坡設置19個監測點，右岸導流明渠邊坡設置20個監測點，建立測量機器人自動化監測系統。

（2）由于測量機器人觀測時容易受降雨和泄洪霧化等因素的影響，因此在上述壩頂表面變形監測點中篩選出4個、左岸壩肩邊坡及下游1#堆積體邊坡監測點中篩選出6個、右岸導流明渠邊坡監測點中篩選出8個，同軸安裝圓棱鏡和GNSS天線，建立GNSS自動化監測系統，實現全天候的動態觀測。

（3）另外在上游庫區的莊子上坐落體單獨布設7個GNSS監測點，也納入GNSS自動化監測系統。

2.2 樞紐內部安全監測自動化系統

枕頭壩一級水電站工程安全監測工作存在監測項目多樣、測點數量多且分布離散等特點，為建立一套符合電站實際情況且滿足監測需求的自動化監測系統，在選擇接入自動化系統的監測項目、測點和傳感器時，遵循以下原則：（1）為監視工程永久安全運行而設置的監測項目；（2）需要進行高準確度、高頻次監測，而人工觀測難以勝任的監測項目及測點；（3）監測點所在部位的環境條件不宜用人工方式觀測的監測項目；（4）擬納入自動化監測的項目已有成熟的、可供選用的監測儀器設備；（5）測點應反映工程建筑物的工作性態，目的明確；（6）測點選擇相互呼應，重點部位的監測值能相互校核，必要時進行冗余設置。

根據上述原則，結合電站實際情況，對接入樞紐內部安全監測自動化系統的各部位監測項目、測點和傳感器進行了規劃設計，系統共接入各類監測儀器測點605個。

其中，大壩樞紐建筑接入自動化系統的項目、測點和傳感器包括壩體及壩基變形的垂線、結構縫及接縫開合度監測儀器，壩體及壩基滲流滲壓的所有儀器，壩體及壩基應力應變、壩體加固結構應力和溫度監測的所有儀器，強震監測系統、靜力水準系統、真空激光準直系統、自動氣象站及遙測水位計等。

左岸壩肩邊坡及1#堆積體邊坡接入自動化系統的項目、測點和傳感器包括多點位移計、錨索測力計、土壓力計、鋼筋計、滲壓計等；右岸導流明渠邊坡接入自動化系統的項目、測點和傳感器包括多點位移計、錨索測力計、鋼筋計等。

3 系統總體設計

3.1 系統網絡結構

枕頭壩一級水電站工程安全監測自動化系統分三級設置，即現場監測站（三級站）、監測管理站（二級站）和監測管理中心站（一級站），采用分布式、多級連接的網絡結構形式綜合組網。其中，現場監測站內的數據采集裝置之間通過RS-485總線方式連接，各現場監測站與監測管理站之間、監測管理站與監測管理中心站之間通過TCP/IP網絡連接。系統總體網絡結構示意圖如圖2所示。

（1）現場監測站。現場監測站通過數據采集裝置（即測控單元，MCU）對監測傳感器進行自動化數據采集、存儲、上傳及電源管理，同時接收監測管理站數據采集計算機的控制指令，一個現場監測站一般有多個測控單元，特殊情況下也可能只有一個測控單元。為了便于監測線纜牽引和提高自動化數據采集模塊的利用率，應根據建筑物布置和施工期監測儀器電纜走線情況，將各現場監測站設置在監測儀器相對集中的部位。

樞紐內部安全監測自動化系統涵蓋范圍包括大壩、右岸導流明渠和左岸壩肩邊坡及1#堆積體邊坡等，根據現場情況共設置3個現場監測站，將施工期大壩1#測站（560灌漿廊道）、2#測站（576灌漿廊道）合并組成新的A測站（位于壩體灌漿廊道進口601.0m高程處），保留原B測站（即原左岸灌漿平洞為3#測站）和C測站（即原右岸灌漿平洞為4#測站）。

（2）監測管理站。監測管理站計算機接收監測管理中心站、工作站計算機的相關指令，并對現場監測站測控單元下達控制指令，通過數據采集軟件系統控制現場監測站的測控單元進行自動化數據采集和數據轉換，并按規定格式將數據自動存放到數據庫中，同時具有人工錄入測值的功能。監測管理站配有較高運算速度、較大存儲容量和遠程通信的采集計算機，為確保系統供電穩定配備有凈化電源和不間斷電源，具有良好的接地、電源防雷、通信防雷能力，監測管理站只有1個，設置在電站副廠房5樓原監測管理辦公室內，同時也用作自動化監測管理的機房。

（3）監測管理中心站。監測管理中心站通過工程安全監測信息管理系統向監測管理站計算機下達相關控制指令，對監測管理站自動化采集或人工錄入的數據、各類文檔資料進行統一管理，并對監測資料進行初步分析和信息發布。監測管理中心站配有較高運算速度和較大存儲容量的工作站計算機、數據服務器、Web服務器以及必要的外設，同時配有凈化電源和不間斷電源，具有良好的接地、電源防雷、通信防雷能力。

監測管理中心站設置在電站公司永久營地，但其設備設施（如數據服務器、Web服務器）仍主要布置在副廠房5樓的監測管理站房間內，永久營地僅保留工作站計算機進行遠程控制。枕頭壩監測管理中心站后期將與流域監測管理中心連接。

3.2 系統供電

圖2 枕頭壩一級水電站工程安全監測自動化系統網絡結構示意圖

除個別GNSS監測點設備采用太陽能供電外，為確保連續穩定供電，系統其他所有設備均采用雙電源供電，當常用電源斷電后自動切換到備用電源。

（1）從大壩400V配電室雙電源配電裝置引出220V交流電至各現場監測站，并為每個現場監測站配備了交流不間斷電源（UPS），保證斷電情況下站內設備能夠正常工作至少3d。

（2）監測管理站、監測管理中心站采用廠用雙電源供電，引入220V交流電對站內設備供電，并分別配備了交流不間斷電源（UPS），保證斷電情況下站內設備能夠正常工作60min。

3.3 系統通信

根據系統總體網絡結構以及現場監測儀器情況，系統各級之間的通信設置如下：

（1）現場監測站的數據采集裝置采用專用通信電纜與傳感器連接，能夠有效采集各類型傳感器的信號即可；各測控單元之間采用RS-485總線方式布線連接。

（2）各現場監測站與監測管理站之間、監測管理站與監測管理中心站之間均采用TCP/IP光纖網絡通信。

3.4 系統防雷、過電壓保護

枕頭壩一級水電站工程所在地雨季常有雷電，為確保監測自動化系統能夠安全穩定運行，必須采取相應的措施防止雷電對監測自動化系統造成破壞，具體可從系統接地、電源防雷和通信防雷三個方面實施。

（1）現場監測站：現場監測站以防直擊雷為主，可通過接地線直接與大壩接地網連接；附近沒有大壩接地網的，在其附近布設獨立接地網或接地點并接入，接地電阻均應小于10Ω；所有通信電纜均為屏蔽電纜，并將其屏蔽層可靠接地。

（2）監測管理站和監測管理中心站：二者均可直接利用工程原有的接地、防雷設施，與工程公用接地網可靠連接，接地電阻應小于4Ω；電源防雷要求在各監測管理站和監測管理中心站均配置有220V交流電源防雷箱和防雷隔離穩壓電源，兼防感應雷、電網浪涌；通信防雷要求接入監測管理站、監測中心管理站的所有金屬護管和電纜屏蔽層均應可靠接地，同時配備相應避雷器加以保護。

4 系統運行應用情況

枕頭壩一級水電站工程安全監測自動化系統的運行方式主要為中央控制方式和自動控制方式，遠程控制和人工測量作為輔助。

（1）中央控制方式。監控主機或其他授權計算機可控制所有現場測控單元同時巡測、指定單個現場測控單元或單個測點進行選測，將測量數據列表顯示，并根據需要存入數據服務器的數據庫。

（2）自動控制方式。各現場測控單元按設定時間自動進行巡測、存儲，并將所測數據傳送到監控主機備份保存。

（3）遠程控制方式。獲得系統Web服務器授權后，遠程計算機便可通過通信網絡對監測中心站和監測管理站進行全過程操作，或對現場測控單元進行控制、檢測和管理。

（4）人工測量方式。必要時可通過人工測量接口進行人工測量。

枕頭壩一級水電站工程安全監測自動化系統自投入試運行以來，定期進行人工比測，比測結果顯示，自動化系統測值與人工測值具有相同的變化規律且變幅相差不大，二者均能夠反映監測對象的變化規律。定期對數據采集裝置、供電和通信線纜、管理站設備以及軟件等自動化系統設備進行巡視、檢查和維護，并按照相關規范要求，從功能性、穩定性、可靠性及準確性等方面對該系統進行了綜合考評，證明該系統各項功能優良，系統的穩定性、可靠性及測量精度均滿足設計和規范要求。

5 結束語

枕頭壩一級水電站工程安全監測自動化系統具有監測項目齊全、實時、準確、高度自動化等特點，能夠快速實現現場監測數據的采集、整理、分析及反饋，提高了監測預報的時效性，增強了電站應急監測能力，同時也極大減少了現場監測人員的工作量。該系統的建立為枕頭壩一級水電站實現“無人值班、少人值守”的安全監測運行模式奠定了基礎，對流域安全監測管理中心建設起到了促進作用，也可為安全監測自動化系統在水利水電和其他行業工程的應用提供參考。