西藏滿拉水利樞紐工程安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)探討

楊 軍，徐海峰

（1.西藏自治區(qū)滿拉水利樞紐工程管理局，857000，日喀則；

2.水利部水文儀器及巖土工程儀器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心，210012，南京）

一、工程概況

滿拉水利樞紐工程位于西藏自治區(qū)日喀則地區(qū)江孜縣龍馬鄉(xiāng)境內(nèi)的年楚河支流龍馬河上，下游距江孜縣城28 km，距日喀則市118 km。該工程是“八五”期間國家62項(xiàng)援藏項(xiàng)目中投資規(guī)模最大、綜合效益最為顯著的工程，也是年楚河流域農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)的骨干工程，以灌溉、發(fā)電為主，兼具防洪、旅游等綜合效益，總投資14.47億元。水庫總庫容為1.55億m3，水庫建成后增加灌溉面積25.42萬畝（15畝=1 hm2），灌溉最大引用流量18.20 m3/s，電站總裝機(jī) 20 MW，多年平均發(fā)電量0.61億kWh。

滿拉水利樞紐工程的永久建筑物主要由大壩、泄洪洞、引水隧洞及地面式發(fā)電廠房等4部分組成。工程規(guī)模為大（2）型水庫，大壩及泄洪洞為2級(jí)建筑物，引水隧洞及廠房為4級(jí)建筑物。大壩為黏土心墻堆石壩，壩頂高程為4 261.3 m，壩頂寬10 m，長287 m，最大壩高76.3 m。

二、工程安全監(jiān)測(cè)狀況

為了保證樞紐的安全運(yùn)行，設(shè)計(jì)并安裝一定數(shù)量的監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備，對(duì)樞紐的運(yùn)行情況和工作性態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。滿拉水利樞紐工程的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)按其所屬工程建筑物及功能劃分主要有：大壩安全監(jiān)測(cè)、引水系統(tǒng)安全監(jiān)測(cè)、樞紐外部變形安全監(jiān)測(cè)、工程安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化。

滿拉水利樞紐工程采用分布式自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)采用485通信總線、半雙工通信方式。系統(tǒng)共設(shè)置3個(gè)監(jiān)測(cè)站，分別位于壩頂左岸、進(jìn)水口及廠房后側(cè)施工支洞出口，共安裝8臺(tái)數(shù)據(jù)采集裝置（DAU）。在現(xiàn)場(chǎng)辦公樓設(shè)置監(jiān)測(cè)管理站，監(jiān)測(cè)管理站內(nèi)安裝自動(dòng)化監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的電源穩(wěn)壓設(shè)備、通信與電源總控制儀與采集用的上位機(jī)。監(jiān)測(cè)工作人員只需在總控制室內(nèi)即可完成所有自動(dòng)化監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的數(shù)據(jù)采集與管理。

滿拉水利樞紐工程安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)于2001年5月投入試運(yùn)行，2001年8月移交滿拉水利樞紐管理局至今已有12年之久。強(qiáng)震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由4套強(qiáng)震測(cè)點(diǎn)、1臺(tái)強(qiáng)震采集儀及1臺(tái)強(qiáng)震采集工作站組成。通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，結(jié)合管理人員描述及相關(guān)資料確認(rèn)，兩套系統(tǒng)自2004年以來就出現(xiàn)一定的故障率，2013年4月22日現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，系統(tǒng)基本處于癱瘓狀態(tài)。2013年4月22—24日現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)采集裝置均已不同程度損壞，電源系統(tǒng)及主模塊因受雷擊也已損壞，部分設(shè)備電路老化嚴(yán)重，主板受潮濕及電解液的浸泡已銹爛。負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集及強(qiáng)震采集的兩臺(tái)工作站無法使用，強(qiáng)震采集儀無法工作。

三、改造的必要性及設(shè)計(jì)原則

1.改造的必要性

滿拉水利樞紐工程大壩屬黏土心墻堆石壩，建造在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、巖土特性不均勻的地基上，在各種力的作用和自然因素影響下，其工作性態(tài)和安全狀況隨時(shí)都有可能發(fā)生變化。加上受大壩開工時(shí)的設(shè)計(jì)水平、施工質(zhì)量、建筑材料及配套安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)水平與使用壽命的影響，若大壩的工作性態(tài)出現(xiàn)異常，而現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員不能及時(shí)掌握情況任由險(xiǎn)情發(fā)展，后果不堪設(shè)想。

西藏所在的喜馬拉雅山脈形成歷史較晚，構(gòu)造較年輕，加上處于歐亞大陸板塊與印度板塊碰撞的前沿地帶，這些因素導(dǎo)致西藏成為中國大陸地震頻度最高、強(qiáng)度最大的地區(qū)。2011年9月18日鄰近的亞東縣就發(fā)生了6.8級(jí)地震。

為此，對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，建立一套可靠先進(jìn)的工程安全監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)控樞紐的安全運(yùn)行具有重大意義。

2.設(shè)計(jì)原則

①系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)應(yīng)滿足下列要求：系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集裝置的平均無故障時(shí)間（MTBF）不小于 6 300 h；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)的缺失率應(yīng)不大于3%；自動(dòng)采集的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度應(yīng)滿足 SL 551、SL 268等規(guī)程規(guī)范要求。

②充分利用當(dāng)前監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化和通信控制的先進(jìn)軟、硬件技術(shù)，保證系統(tǒng)的先進(jìn)性。

③充分了解樞紐工程實(shí)際情況，確定需要改造的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，同時(shí)充分考慮利用現(xiàn)有的儀器及設(shè)備，達(dá)到節(jié)省投資、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的目標(biāo)。

3.安全監(jiān)測(cè)改造項(xiàng)目的確定

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)研安全監(jiān)測(cè)設(shè)施現(xiàn)狀及存在的問題，確定此次安全監(jiān)測(cè)改造的重點(diǎn)為大壩安全監(jiān)測(cè)及工程安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化。具體改造的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目如下：大壩壩體內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、大壩滲流監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、大壩強(qiáng)震監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、庫區(qū)環(huán)境量監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、工程安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)。庫區(qū)環(huán)境量監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為新增項(xiàng)目，其余監(jiān)測(cè)項(xiàng)目均為升級(jí)改造項(xiàng)目。

四、安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)

1.大壩壩體內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)

為監(jiān)測(cè)大壩壩體的內(nèi)部位移，選擇樁號(hào)0+150.00 m，在壩軸線下游側(cè)距壩軸線7 m處，布設(shè)1條測(cè)斜管，監(jiān)測(cè)黏土心墻內(nèi)部分層水平位移分布的大小與分布規(guī)律。人工監(jiān)測(cè)采用活動(dòng)測(cè)斜儀，自動(dòng)監(jiān)測(cè)采用在測(cè)斜管內(nèi)安裝固定測(cè)斜儀的方式實(shí)現(xiàn)，固定測(cè)斜儀間距6 m，共安裝13臺(tái)。

2.大壩滲流監(jiān)測(cè)

（1）壩體浸潤線監(jiān)測(cè)

為了解壩體內(nèi)浸潤線的位置變化以掌握壩體在運(yùn)行期的滲流情況，在壩體內(nèi)設(shè)測(cè)壓管進(jìn)行浸潤線監(jiān)測(cè)。沿壩軸線選擇2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，樁號(hào)分別為 0+088.00 m、0+146.00 m，主要監(jiān)測(cè)斷面選在最大剖面處。每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)2個(gè)測(cè)壓管，分別布設(shè)在壩軸線上游側(cè)距壩軸線1 m和壩軸線下游側(cè)距壩軸線7 m處。

測(cè)壓管管底高程位于死水位以下2 m，管底0.5 m范圍內(nèi)封閉埋設(shè)1支滲壓計(jì)以監(jiān)測(cè)壩體滲透點(diǎn)壓力；測(cè)壓管為全花管段，人工監(jiān)測(cè)采用平尺水位計(jì)監(jiān)測(cè)，測(cè)壓管內(nèi)放置滲壓計(jì)進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)，以監(jiān)測(cè)壩體浸潤線。共布設(shè)4個(gè)測(cè)壓管和6支滲壓計(jì)。

（2）繞壩滲流和滲流量自動(dòng)化監(jiān)測(cè)

滿拉水利樞紐工程大壩繞壩滲流和滲流量監(jiān)測(cè)共計(jì)12個(gè)孔，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，在孔內(nèi)安裝了12支滲壓計(jì)。

3.大壩強(qiáng)震監(jiān)測(cè)

滿拉水利樞紐工程大壩的地震設(shè)防烈度為8度，屬地震高烈度區(qū)。根據(jù)DL/T 5416—2009的規(guī)定，為了監(jiān)測(cè)本區(qū)域發(fā)生地震時(shí)壩體的地震反應(yīng)、水庫誘發(fā)地震的活動(dòng)情況，需要監(jiān)測(cè)大壩的強(qiáng)震動(dòng)反應(yīng)，設(shè)置強(qiáng)震監(jiān)測(cè)臺(tái)陣。

滿拉水利樞紐工程大壩原有強(qiáng)震監(jiān)測(cè)臺(tái)陣已不能使用，在原址重新布設(shè)強(qiáng)震監(jiān)測(cè)臺(tái)陣，即在大壩上選擇1個(gè)最高斷面和1個(gè)自由場(chǎng)測(cè)點(diǎn)為主要監(jiān)測(cè)目標(biāo)。斷面的樁號(hào)為0+142.30 m。自由場(chǎng)測(cè)點(diǎn)選在大壩下游距離壩趾約100 m處。在最高斷面的下游壩坡上，選壩頂、1/2壩高和壩趾3個(gè)測(cè)點(diǎn)，在溢洪道、右岸壩肩及自由場(chǎng)各布設(shè)1個(gè)測(cè)點(diǎn)，共6個(gè)測(cè)點(diǎn)。每個(gè)測(cè)點(diǎn)安裝1臺(tái)三向一體式加速度傳感器，每臺(tái)加速度傳感器配1臺(tái)強(qiáng)震儀，加速度傳感器固定在測(cè)點(diǎn)墩上，用保護(hù)罩加以保護(hù)。強(qiáng)震采集儀安裝在左岸監(jiān)測(cè)房內(nèi)，通過強(qiáng)震儀之間的組網(wǎng)進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)地震動(dòng)力加速度變化的瞬間過程。強(qiáng)震采集工作站安裝在位于廠區(qū)辦公樓的監(jiān)測(cè)管理站內(nèi)，通過通信光纜及以太網(wǎng)光端機(jī)完成強(qiáng)震監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。

4.庫區(qū)環(huán)境量監(jiān)測(cè)

根據(jù)規(guī)范SL 551—2012的規(guī)定，本工程建筑物級(jí)別為Ⅱ級(jí)，必須進(jìn)行降水量、氣溫等氣象因子的監(jiān)測(cè)。為滿足后期數(shù)據(jù)整編分析對(duì)環(huán)境量的需要，小型氣象站的環(huán)境量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)能及時(shí)傳輸?shù)酱髩伪O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，因此需要采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。

設(shè)計(jì)擬在滿拉水利樞紐壩上設(shè)置1套一體式小型自動(dòng)氣象站，測(cè)量要素有降水、風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度。小型氣象站設(shè)計(jì)安裝在#1監(jiān)測(cè)站屋頂（左壩頭），數(shù)據(jù)采集軟件安裝在監(jiān)測(cè)管理站內(nèi)的數(shù)據(jù)采集工作站上，通過采集網(wǎng)絡(luò)的通信光纜實(shí)現(xiàn)環(huán)境量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與存儲(chǔ)。

五、工程安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)

1.監(jiān)測(cè)站設(shè)置

滿拉水利樞紐工程大壩共設(shè)3座監(jiān)測(cè)站，分別位于大壩左岸、進(jìn)水口閘室及施工支洞出口，編號(hào)分別為#1、#2、#3，#1監(jiān)測(cè)站同時(shí)為強(qiáng)震監(jiān)測(cè)站。監(jiān)測(cè)管理站設(shè)置在廠區(qū)辦公樓內(nèi)，監(jiān)測(cè)管理中心站設(shè)置在江孜縣滿拉水利樞紐管理局辦公樓內(nèi)的會(huì)商中心。

#1監(jiān)測(cè)站接入傳感器34支，#2監(jiān)測(cè)站接入傳感器35支，#3監(jiān)測(cè)站接入傳感器81支。這些傳感器均可采用多功能型DAU實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集，按標(biāo)準(zhǔn)32通道DAU需要7臺(tái)（見圖1）。

2.自動(dòng)化采集網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

滿拉水利樞紐工程大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的采集網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)采用基于RS-485通信協(xié)議的控制網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)覆蓋3個(gè)監(jiān)測(cè)站和1個(gè)監(jiān)測(cè)管理站。由于監(jiān)測(cè)站分布范圍較廣，設(shè)計(jì)采用光纜作為通信介質(zhì)布設(shè)安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的采集網(wǎng)絡(luò)。為保證通信的可靠性，采集網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)為雙環(huán)自愈型，光纜類型要求為鎧裝聚乙烯護(hù)層通信用室外8芯光纜。

3.強(qiáng)震監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

滿拉水利樞紐工程大壩強(qiáng)震監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)采用基于TCP/IP通信協(xié)議的以太網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)覆蓋#1監(jiān)測(cè)站、#2監(jiān)測(cè)站及現(xiàn)場(chǎng)辦公樓內(nèi)的監(jiān)測(cè)管理站。設(shè)計(jì)采用光纜作為通信介質(zhì)布設(shè)強(qiáng)震監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

圖1 自動(dòng)化采集網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

圖2 強(qiáng)震監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖3 自動(dòng)化系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

壩頂中間、1/2壩高、壩趾及自由場(chǎng)的強(qiáng)震傳感器通過強(qiáng)震專用電纜接入安裝在#1監(jiān)測(cè)站內(nèi)的強(qiáng)震監(jiān)測(cè)儀內(nèi)，壩頂右岸及溢洪道的強(qiáng)震傳感器通過強(qiáng)震專用電纜接入安裝在#2監(jiān)測(cè)站內(nèi)的強(qiáng)震監(jiān)測(cè)儀內(nèi)。2個(gè)監(jiān)測(cè)站內(nèi)的強(qiáng)震監(jiān)測(cè)儀通過光纜與監(jiān)測(cè)管理站內(nèi)的強(qiáng)震采集服務(wù)器相連，完成強(qiáng)震的數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)（見圖2）。

4.自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)管理站設(shè)置廠區(qū)辦公樓內(nèi)，并安裝1臺(tái)數(shù)據(jù)采集工作站。在江孜縣滿拉水利樞紐管理局辦公樓設(shè)立監(jiān)測(cè)管理中心站 （與水情會(huì)商中心共用），安裝1臺(tái)服務(wù)器及1臺(tái)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與分析工作站（見圖3）。監(jiān)測(cè)管理站內(nèi)的數(shù)據(jù)采集工作站通過電廠控制光纜將自動(dòng)化采集網(wǎng)絡(luò)接入江孜縣滿拉水利樞紐管理局辦公樓內(nèi)監(jiān)測(cè)管理中心站的管理網(wǎng)絡(luò)中。由安裝在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)管理站的數(shù)據(jù)采集工作站完成現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集工作，由安裝在監(jiān)測(cè)管理中心站的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集及分析工作站完成遠(yuǎn)程控制數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)管理分析工作。

5.安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)軟件

滿拉水利樞紐工程大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化軟件系統(tǒng)是一個(gè)基于自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)管理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、分布式關(guān)系數(shù)據(jù)庫、數(shù)學(xué)物理模型方法為基礎(chǔ)的，為滿拉水利樞紐工程大壩安全運(yùn)行服務(wù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)應(yīng)具有先進(jìn)性、可靠性、實(shí)用性、易用性、可擴(kuò)充性及兼容性等特征。

系統(tǒng)主要由以下子系統(tǒng)組成：

數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)：主要由原始數(shù)據(jù)庫、整編數(shù)據(jù)庫、分析數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)配置庫、模型庫、方法庫、工程資料庫等組成。

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)：由人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)輸入模塊、自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集模塊、遠(yuǎn)程控制數(shù)據(jù)采集模塊組成。

數(shù)據(jù)管理分析子系統(tǒng)：包含綜合信息管理及分析程序。

數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)是整個(gè)軟件系統(tǒng)的核心，為其他子系統(tǒng)提供底層數(shù)據(jù)服務(wù)支持。

[1]中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司.西藏滿拉水利樞紐工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R].

[2]中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司.西藏滿拉水利樞紐工程大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)報(bào)告[R].2013.