新豐江水電站大壩安全在線監控系統設計
——融合在線監測、智能巡檢、結構安全度計算與綜合評判

沈 靜，郭潔惠

（1.國家能源局大壩安全監察中心，浙江 杭州，311122；2.廣東省能源集團有限公司水電分公司，廣東 河源，517021）

2015年，國家能源局頒布了《水電站大壩運行安全監督管理規定》（發改委23號令），其中第八條規定：“對壩高一百米以上的大壩、庫容一億立方米以上的大壩和病險壩，電力企業應當建立大壩安全在線監控系統……”。

為落實國家法規要求，提高水電站大壩安全管理的信息化水平，開發了水電站大壩安全在線監控系統。該監控系統運用了大壩安全在線監控、協同計算分析與評判的新理念，創建了在線監測管理、在線快速結構計算、在線結構安全評判的在線監控技術與方法體系，融合了儀器監測信息、巡檢信息、結構安全計算等對大壩安全進行綜合評判，目前在國內大壩安全在線監控技術研發與應用方面處于領先水平。

1 開發意義

目前僅有小部分大壩具有測值評判功能，且多為單測點評判，僅著眼于監測數據，沒有進行大壩安全綜合性評判。因此，建立融合儀器監測信息、巡檢信息、結構安全度計算的大壩安全在線監控系統具有重大意義。

大壩安全在線監控系統能針對大壩工程特點，以大壩安全信息化建設為基礎，立足于工程運行過程中獲得的大量監測、巡檢數據和結構計算結果等多源信息，形成可視化、圖形化、實時化的分析、預警系統，實現大壩安全評判從“單一信息”向“多源信息融合[1-5]”、“靜態”向“動態”、“人工”到“智能”、“碎片化”到“共享化”的重要升級，實現大壩運行性態智能化實時監控，確保更及時、高效地發現問題。

2 方案概述

在線監控系統對大壩安全進行綜合評判時，需要的信息包括：儀器監測信息、巡查信息、水情信息、荷載信息、結構安全度信息等，屬多源信息，需將多源信息進行融合，構建一個以多源信息為基礎、具有多指標和多層次結構的融合分析診斷模型[6-7]。

大壩安全評判信息的融合，包括：（1）儀器監測信息層內從單測點→多測點→不同類測點的融合；（2）不同層如儀器監測信息層、巡視檢查層及結構安全度層的融合；（3）從單一結構項目評判至結構整體評判的融合。

通過模擬工程師思維，采用規則進行多源信息融合。設置組合規則，即以已有評判規則為基礎，選取多個已有評判規則組合成一個新的組合規則。

每層級評判正常與否的結論與DL/T 5313-2014《水電站大壩運行安全評價導則》一致，分為正常（a）、輕微異常（a-）、一般異常（b）和嚴重異常（c）四種結論。結構評判模型逐層融合，上層測點組無“a-”、“b”、“c”任何一種結論，則為“a”；有n（n可調，或采用百分比，下同）條以下“a-”，則為“a-”；超過n條“a-”，或有1條及以上“b”，則為“b”；有1條及以上“c”，則為“c”。

3 方案設計

3.1 工程概況

新豐江水電站位于廣東省河源市境內東江支流新豐江的亞婆山峽谷處，水庫總庫容138.96億m3，樞紐主要由大壩、壩后式廠房及放水隧洞等建筑物組成。大壩為混凝土單支墩大頭壩，最大壩高105 m。工程于1958年動工，1959年下閘蓄水，主體工程于1962年完工，1969年竣工驗收。

1960年7 月，發生M4.3級、震中烈度為6度的淺源地震后，按地震設防烈度8度、照顧9度對大壩進行了抗震加固。1962年3月，庫壩區附近又發生了M6.1級、震中烈度為8度的淺源地震，震后右岸13～17號壩段在高程108 m左右發生長達82 m裂縫和局部裂縫，同年5月在下游壩面跨縫設置鋼筋混凝土貼板，上游設置止水塞。同年7月、8月分別發生5度、6度地震，下游壩面原裂縫再次裂開并有滲水現象，于是對大壩進行了二期抗震加固。1966年又對支墩大頭進行了加固。

新豐江水電站大壩安全監測系統主要有大壩變形、大壩滲流、邊坡變形、環境量監測等項目。

3.2 監控內容

對照DL/T 2096-2020《水電站大壩運行安全在線監控系統技術規范》要求，監控內容應包括監控對象、監控部位、監控項目和監控測點。

3.2.1 監控對象

根據新豐江大壩的結構特點，新豐江大壩的監控對象包括環境量、大壩、溢洪道、放水洞、廠房、空腔及廊道、近壩庫岸。其中溢洪道、放水洞、廠房未設置監測設施，以巡檢信息進行監控。

3.2.2 監控部位

納入在線監控的監控部位：（1）大壩壩頂、各廊道和壩腔；（2）放水洞進水口、放水洞洞身、放水洞出口等；（3）溢洪道閘墩、溢洪道泄槽、溢洪道挑流鼻坎等；（4）廠房頂、第一副廠房頂、GIS平臺、電纜廊道、開關廊道、伸縮節及集水井廊道、水輪機層、發電機層、主變平臺、廠房左岸等；（5）右岸壩肩、左岸壩肩、下游河道及護坡、庫區等；（6）監控對象中存在安全隱患或需要重點關注的部位及問題，主要有高程108 m裂縫、9～10號壩腔在高程43 m廊道頭部伸縮縫滲水、7號支墩的揚壓力偏大問題和支墩側向穩定問題；（7）典型壩段為8號支墩、14號支墩。

3.2.3 監控項目

監控項目主要包括：（1）環境量，包括上游水位、降雨量、入庫流量；（2）壩頂水平位移（引張線）、壩頂垂直位移、壩基水平位移、壩體水平位移；（3）壩基揚壓力、壩體滲流量、壩基滲流量、繞壩滲流；（4）近壩庫岸邊坡表面變形；（5）8號支墩的所有監測項目；（6）14號支墩的所有監測項目；（7）各部位的巡視檢查結果。

3.2.4 監控測點

新豐江大壩的儀器監測點總數并不多，為全面掌握大壩的整體變形和滲流性態，并兼顧重點關注部位的運行性態和重點關注問題變化情況，將新豐江大壩絕大部分儀器監測點納入監控。

3.3 監測評判

監測評判前需要對儀器監測數據進行在線篩選和管理，在線監測管理功能模塊界面見圖1，主要功能包括信息及時性檢查和數據有效性檢查。

圖1 在線監測管理模塊展示Fig.1 Display of online monitoring management module

3.3.1 信息及時性檢查

新豐江大壩各監測項目現有的監測頻次已滿足相關規范和在線監控的要求，因此按照現有的頻次，進行及時性指標設置。

3.3.2 測值有效性檢查

監測數據報送入庫后，測值有效性檢查主要依次通過測值物理意義檢查、量程限值檢查、包絡域限值檢查、統計模型限值檢查等步驟進行控制。測值有效性檢查流程見圖2。

圖2 測值有效性檢查流程Fig.2 Checking the validity of measured values

3.3.3 監測融合及單測點指標

監測數據篩選完成之后，進行監測數據的評判，由單測點監控→監控項目→監控部位→監控對象，逐層融合。在線監控評判設置模塊界面詳見圖3。

圖3 在線監控評判設置模塊展示Fig.3 Display of evaluation setting module of online monitoring and controlling system

單測點監控指標主要采用時效性、變化速率、絕對值限值法三種方法進行設置，時效性、變化速率監控均以建立統計模型為基礎。新豐江大壩為混凝土壩，對所有監控項目建立統計模型，目前變形、滲流項目均較穩定或無時效，因此監控中模型表現為不存在時效則為正常；統計模型出現時效，且時效趨于收斂的為測點輕微異常，時效表現為直線或發散的為測點一般異常；無嚴重異常。

變化速率監控，即判斷模型的時效年變化速率是否超過設定值（一般為近幾年的年平均變化速率），適用于尚未穩定的邊坡變形等，速率超限即為測點異常。新豐江大壩不存在不穩定的變形，因此不采用變化速率監控。

絕對值限值法可采用三種方法，即固定上下限法、歷史極值法和統計模型法，每種的上、下限值均可最多分3級，分別對應輕微異常、一般異常和嚴重異常。

固定上下限法、歷史極值法無需建模，主要適用于：（1）統計模型精度較低（復相關系數小于0.8）；（2）曾經有報告中提過極限監控指標；（3）變形、滲流的一些控制性數據，如壩體最大變形、壩基滲壓系數設計值、滲漏量等；（4）分析具體情況，認為需要設定的其他情況。

固定上下限法指采用固定的限值進行評判，如：y≤[y設計值]，[y設計值]為設計直接給出的值，或通過換算得到的設計值；y≤[y經驗值]，[y經驗值]為通過以往工程經驗得到的值。歷史極值法即[ymin]-kS≤y≤[ymax]+kS，其中[ymax]、[ymin]為統計時間序列內的極大值和極小值；k為放大倍數，S表示模型標準差，倍率可人工調整，或根據精度、量程等直接采用固定值。統計模型法即通過建模后取模型標準差的若干倍數設置限值。

3.4 巡檢評判

巡檢模塊界面如圖4所示。

圖4 巡檢模塊展示Fig.4 Display of the patrol inspection module

3.4.1 巡檢信息獲取

新豐江智能巡檢采用基于移動設備的巡檢方式，即通過手機（或平板）等移動設備掃描設置在巡檢對象的芯片，系統引導開展巡視檢查工作，并將巡視檢查時間、路徑自動記錄，對檢查到的現象進行專業化描述，同時拍攝必要的照片、視頻，巡檢結果自動上傳至服務器，實現對檢查結果的查詢、對比及分析。對空腔、洞室等日常無法近距離巡檢部位，通過監控視頻進行巡檢。

用戶根據大壩實際結構或工作習慣定義多級巡檢部位，將對象與相應的部位關聯。按部位將對象進行分類組合，用戶可以直觀地按部位查詢關聯對象的檢查結果。

3.4.2 巡檢結果評判

巡視檢查結果異常評判規則的設置方法為：選定巡視檢查對象的檢查項，并指定異常類型（無異常a、輕微異常a-、一般異常b和嚴重異常c）。巡檢對象的異常結論不代表整個大壩的巡檢結論，如監測系統、柴油發電機等的異常不影響大壩整體巡檢正常的結論。應由各巡檢對象的巡檢規則及結論，通過邏輯表達式逐級融合為巡檢的總結論，也分為正常a、輕微異常a-、一般異常b和嚴重異常c。

3.5 結構安全度評判

結構安全度評判模塊界面如圖5所示。

圖5 結構安全度評判模塊展示Fig.5 Display of structure safety evaluation module

根據大壩原有的設計計算結果和復核結果，對比實際計算條件與原計算條件的差異，當兩者差別不大時，可根據原設計成果定性評判穩定、應力滿足規定，給出結構安全度“正?！钡慕Y論。

若實際的荷載及其組合、計算參數、計算模型與原計算條件發生較大差別時，按實際情況進行抗滑穩定及應力計算，與規范值進行比較，得出結構安全度正常與否的結論，分為正常a、輕微異常a-、一般異常b、嚴重異常c四種結論。

當上游水位不超過116.00 m，地震不超過9.5度，揚壓力測值不超過設置的一級限值時，評判新豐江大壩結構安全度為正常；若大壩出現荷載及其組合、計算參數改變，即庫水位超過116.00 m、地震烈度超過9.5度或揚壓力超三級限值時，需進行壩基抗滑穩定及應力計算。

3.6 綜合評判

根據最后一層各水工建筑物（環境量、大壩、溢洪道、放水洞、廠房、近壩庫岸）層的評判，融合成綜合評判，即最終推出水電站樞紐區整體安全的評判等級：A、A-、B、C四個不同的水平等級，分別對應為：正常、輕微異常、一般異常和嚴重異常。融合監測數據、巡檢信息和結構安全度評判的新豐江大壩安全綜合評判結果見圖6。

圖6 新豐江大壩安全綜合評判結果Fig.6 Result of comprehensive safety evaluation of Xinfengjiang dam

4 結語

新豐江水電站大壩安全在線監控系統解決了對大壩安全“控”的及時性問題，實現了大壩監測監控手段的巨大轉變，并且在國內率先實現了監測、巡檢、結構計算的融合，實現了對大壩安全的綜合評判。系統達到了專業化、信息化、數字化的要求，實用性強，邁出了信息化在大壩安全領域成功運用的一大步，滿足了監管機構和電力企業對大壩安全管理信息化升級的迫切需要，促進了水利水電科學技術的發展。