烏克蘭水電站的地球動力學監測系統

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1 監測的目的

水工建筑物對經濟、社會及環境發展具有重要的意義，因此，必須對其運行狀態實施定期監測(包括肉眼觀測及儀器監測)，這也是行業規范的要求。

對水電站實施監測是一個包括系統觀測、定期調查、研究及測試在內的復雜過程，旨在確定水工建筑物及其基礎和附屬建筑物的運行狀態。另外，監測還應包括對建筑物所承受的荷載進行評估，以驗證其可靠性及安全性。因此，監測過程不僅僅是檢查與觀測，還應對所涉及的長度、完整性、化學性質、容量、過濾及水力學流態等監測結果進行計算和分析。

2 監測方式的改進

目前，對位于烏克蘭第聶伯(Dniepro)河和德涅斯特(Dniester)河已投運的水電站及抽水蓄能電站在監測方式方面進行了改進，具體描述如下。

(1) 對監測系統的監管規劃及監測點進行了補充更新。

(2) 提高了控制水工建筑物安全性及可靠性方面的要求。

(3) 采用的控制設備及監測技術更加先進。

(4) 陳舊或破損的檢測設備、過時的監測方法等已被擯棄。

(5) 在水電站設計和運行方面借鑒了大量國際先進經驗。

現場檢查的范圍是按照設計的操作規程，在工程開發階段即已獲得批準。烏克蘭水電公司旗下所有水電工程在施工階段均按現有施工程序配置了監測設備，對水電站運行階段的狀態監測及現場檢查一直是依靠肉眼觀測，并將觀測數據記錄在工作日志上，維護人員會對每臺檢測儀器的測量值與其極限值進行比較，根據比較結果，來控制建筑物參數的一致性。工作人員定期將監測及觀測日志連同檢測數據一并提交給專業研究機構，以對水電站各部分建筑物及機組狀況進行綜合分析，為今后的補救工作及其方案研究提供參考。

烏克蘭水電站目前所采用的控制系統可以確保水電站在設計、施工及運行等各階段的安全與穩定。按照現行監測慣例，維修隊或專業機構仍應堅持現場檢查，對發現的問題及時加以分析研究。

3 新概念安全控制系統

由于監測系統不符合現代要求，烏克蘭最大的公共水電股份公司(PJSC Ukrhydroenergo)要求其子公司-烏克蘭水電工程公司(PJSC Ukrhydroproject)開發了一個新的概念項目，即第聶伯河和德涅斯特河梯級水電站水工建筑物安全控制系統，以綜合改進水工建筑物安全監測方法。

該系統是一個涉及工業、技術、研究、經濟及法律等諸多領域的綜合性系統，各級政府均采取了相應措施，以使水工建筑物性能的可靠性及安全性達到更高的水平。該系統的主要目標如下：

(1) 實現水電站綜合監測，包括評估水電站的當前狀況和提出一些補救建議及措施。

(2) 運用特殊分析技術，對初步控制結果進行定期分析，并據此對水工建筑物磨損程度及安全可靠性進行定期評估。

(3) 根據水電站運行維修要求以及其他監管手冊，對水工建筑物狀態進行技術檢測。

監測水工建筑物的安全控制系統的作用及功能可以用下列等式表達為SCS=MS+SSMM，其中SCS表示安全控制系統；MS表示技術維護；SSMM表示現代化安全特別措施。

技術維護是指對水工建筑物進行適當的檢查及維護，包括診斷檢查、設計、研究、修復及補救等必要的工作。自動監測系統是水電站控制的基礎，圖1顯示了自動化監測系統的工作流程。

圖1 自動化監測系統流程

實現水電站安全現代化需要采取特別的措施。執行這些措施(包括調查研究)需要有明確的計劃或遵照特定的要求。在該過程中，部門或跨部門委員會及技術檢查人員負責組織指揮，其他監管部門給出相關指令。

第聶伯河及德涅斯特河梯級水電站高壓建筑物安全評價，是一種基于多標準安全評價體系的綜合概念。極限狀態設計法雖然具有優勢，但由于受到設計標準的限制而不能對建筑物的可靠性及安全性給出客觀的評定。其原因是設計標準給定的參考值通常是假定的，且有時會出現不合理或無意義的情況。歐洲設計標準中所采用的現代建筑物可靠性理論是概率法，它能提供一個更為客觀的安全評估方法。該方法是目前烏克蘭現代工程實踐中優先采用的方法之一。

2000年，在基輔水電站啟動了一個基于自動化監測系統的概念項目。項目招標方為國際復興開發銀行，中標人為加拿大洛克泰斯特(Roctest)集團，班卡姆茲維雅佐克(Bancomzvjazok)公司為項目分包商。這一概念項目目前正處于建設中。

4 新控制系統的主要任務

新的自動化監測系統可以完成以下3個主要任務。

(1) 實現水電站建筑物狀況評估，有助于制定及時必要的措施以確保水電站安全可靠地運行。

(2) 研究建筑物老化過程，預測其使用壽命。

(3) 維護科研信息數據庫，以改善水電站運行工況。

該系統的操作是由安裝在測試點、本地數據集中器(多路器)、服務器、工作站、通信信道及用戶軟件的眾多傳感器(主要測量傳感器)來實現的。系統的主要目的是最大限度地提高自動化處理數據的能力，采用綜合方法實現測量過程及數據處理自動化，可以最大限度地減少人工誤差對測量結果精度造成的影響。

在現有監測系統中，能夠實現數據自動采集、自動化處理并與極限值進行比較，以及對觀測結果進行圖表分析，旨在防止水利工程及基礎設施發生不良事故。

烏克蘭首次在其自動化監測系統中添加了一個獨立元素，即實時空間位移測量系統，該國目前還沒有類似配置的系統投入運行。基于全球導航衛星系統(GNSS)的大地測量技術，可用來監測水工建筑物變形。烏克蘭水電站所用的大地測量監測系統包含有一個永久性大地控制網，該控制網是由2組基點綜合而成，其中第1組基點配備有高精度的GNSS接收器以及環形反射器；而第2組則配備有自動全站儀。

如圖4可見，優化體系擴增出來的譜帶明亮，背景清晰，穩定性好。因此，建立的ITS-PCR體系和擴增程序能夠滿足芋螺毒腺的ITS序列研究、芋螺遺傳多樣性分析、親緣關系鑒定和種質資源評價等分子生物學的試驗要求。

對其他平面控制點，除了配備有GNSS接收機外，還在高程控制點和斜面控制點上布置了環形反射器。自動全站儀是利用傳統的反射器或環形反射器來讀取水平、垂直角度以及基站到控制點的距離。所有測量數據均通過各種數據信道實時地傳輸到中央數據處理單元，數據處理中心則從最近的國家永久性網站在線接收GNSS測量數據，并進行連續的數據處理。

因此，GNSS控制網給水電站分配了一個獨立的位移動力學參考系統，該系統的組成包括基點、全站儀及控制點。綜合空間測量可以保證對基線網的連續控制并可識別網絡控制點的位移。建筑安全統計學顯示，安裝了傳感器監測系統的工程建筑物，發生意外事故的概率要比那些沒安裝的至少低一個數量級。工程建筑的監測設備成本尚不及建筑物總成本的 0.5%～2%，比發生事故時的損毀成本更要低得多。

目前，班卡姆茲維雅佐克公司正在開發分析軟件CASCAD，該軟件是綜合監測系統最后階段的組成部分。CASCAD軟件可以自動處理測試點的最大數據量，并可運用數學工具及統計技術對數據進行多變量分析；同時，還可以通過定量定性分析，來確定建筑物特性是否與設計參數(強度、完整性、破壞評估及可靠性評估、風險評價與評估)相符。

5 結 語

烏克蘭在國內水電站水工建筑物中安裝了自動化監測系統，其安裝及運行狀況如下。

(1) 已運營的水電站目前正在安裝自動化監測系統，現有建筑物正在埋設傳感器。

(2) 該系統會對所有測試點數據進行全自動化處理，對現場肉眼檢查結果進行半自動化處理。

(3) 為實現現場數據全自動化分析，提出了開發并運用定制軟件的要求。

(4) 正在建立水電站運行、狀態及安全信息的綜合電子數據庫。

(5) 該系統為烏克蘭水電站的設計與運行管理提供了有價值的信息。

(6) 為其他國家應用該系統提供了最好的經驗。