糯扎渡特高心墻堆石壩安全監測關鍵技術研究

馮小磊 劉德軍 洪孝信

摘要：糯扎渡特高心墻堆石壩安全監測具有監測規模大、儀器種類多、超常規和監測施工難度大、自動化系統復雜等特點，給安全監測的設計和實施帶來挑戰。鑒于此，提出了安全監測安裝施工技術，基于TCP/IP協議及網絡的安全監測自動化系統組網技術，自動化系統集成、三維可視化設計與系統開發、自動化系統應急預案與預警自動觸發技術和特高心墻堆石壩安全監測資料分析等關鍵技術。以上技術的應用成功解決了糯扎渡水電站現場安全監測技術難題，提高了樞紐工程安全監測自動化的整體水平，降低了工程成本，提高了工程質量。該技術完備性好、可行性高，安全監測自動化研究成果已被《水利水電安全監測設計規范》所采用;開發研制的專項監測設備或監測技術具備技術前瞻性，將推動監測技術的發展。

關鍵詞：安全監測;監測自動化系統;三維可視化;安全預警;高心墻堆石壩;糯扎渡水電站

中圖法分類號：TV698.1文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.11.004

1 工程概況

糯扎渡水電站位于云南省普洱市翠云區和瀾滄縣交界處的瀾滄江下游干流上，是瀾滄江中下游河段8個梯級規劃的第五級。最大壩高261.5 m，壩頂長630.06 m，總庫容為237.03億m3，是亞洲最高、世界第三高的心墻堆石壩電站。壩體基本剖面中央為礫質土直心墻，心墻兩側為反濾層，反濾層以外為堆石體壩殼。壩頂寬度為18 m，心墻基礎最低建基面高程為560.0 m，壩頂高程為821.5 m。

糯扎渡心墻堆石壩重點監測內容為大壩各部位的變形分布、不均勻變形、防滲效果評價、應力分布等[1]。具體監測項目及方法如表1所示。

2 關鍵技術難題

糯扎渡特高心墻堆石壩安全監測布置有兩個特點：① 安全監測規模大、種類多、監測儀器突破常規，電站總安裝埋設儀器儀表喜超過8 000支，其中部分傳感器的使用超規范、超量程。② 監測施工難度大、自動化系統復雜。糯扎渡水電站安全監測自動化共接入傳感器超過4 000支（除失效和臨時性測點外），是國內首個監測自動化系統在建設期同步實施、與工程同步竣工的工程;涉及內外觀監測和其他接入項目共10個子系統，傳感器類型繁多，同時要實現信息傳輸快、集中管理、操作維護簡便、實時自動等功能需求，迫切需要技術創新。

基于上述監測布置特點，糯扎渡水電站安全監測主要面臨的技術難題如下：

（1）減少傳感器電纜滲水。傳感器電纜在高水壓力下極易形成滲流通道[2]，在黏土心墻堆石壩監測施工中表現得尤為明顯。如何有效防止水沿電纜滲透是傳感器電纜埋設時需要考慮的關鍵問題。

（2）360°棱鏡與GNSS同軸保護問題。GNSS天線與360°棱鏡既需要同軸觀測，也需要對其進行防盜保護，方便調節棱鏡方向。目前沒有成型的產品可供使用，需自主研發。

（3）監測自動化集成管控。傳統自動化項目各子系統相互獨立，糯扎渡水電站自動化包含10多個子系統。如果不進行集成管理控制，系統會出現維護性差、響應不及時、成果產出較慢等情況。

（4）管理的三維可視。監測成果的表達往往采用二維圖表等形式，較為專業和抽象，無法直觀可視地進行表達與展示。如何提升表達效果是改進監測管理的重點。

（5）智能化應急預案觸發。傳統的特殊工況應急預案采用人工的方式進行，人工收到指令后手動加密觀測，耗時耗力、人工成本較大。如何實現智能化觸發觀測，提升系統的智能化水平是自動化系統開發的技術難點之一。

（6）超孔隙水壓力的問題[3]。高心墻內部的超孔隙水壓力較大，靠近基礎墊層的滲壓計表現尤為明顯，分析超孔隙水壓力現象以及消散機理，有助于同類型高心墻堆石壩資料分析。

為了糯扎渡心墻堆石壩安全監測及樞紐工程安全監測自動化系統工程的順利建設，保證工程質量，節約工程投資，滿足指導施工、反饋設計，保證實現安全監測目的，研究解決好上述安全監測關鍵技術難題十分重要，同時也可為類似安全監測及自動化工程提供重要借鑒作用，有助于推動安全監測行業技術進步。

3 關鍵技術創新

3.1 安全監測安裝施工技術研究

3.1.1 電纜阻滲環設計研制

設計開發電纜阻滲環，由橡膠外套、不銹鋼緊固套筒、橡膠楔及螺桿（螺帽）組成。針對滲透水沿電纜埋設方向滲透的特點，通過擰緊螺桿（螺帽），迫使橡膠楔往不銹鋼金屬套筒內徑小的一側運動，不銹鋼金屬套筒對橡膠楔進行擠壓，從而使橡膠楔緊裹電纜，達到防止滲透水沿電纜形成滲流通道的目的。通過阻滲環阻滲效果性能測試，壓力表測值穩定，阻滲環阻滲效果良好（見圖1）。

3.1.2 填筑土體測斜管保護裝置研制

填筑土體測斜管保護裝置是一種用于填筑土體內測斜管安裝保護的專用設備，由鋼保護板、角鋼支撐架、連接環、螺紋鋼頂桿、連接插銷組成。利用鋼板加工易拆卸、組裝的保護裝置替代保護圓鋼桶，既能保護測斜管，又便于安裝、拆卸，減少了占用土建填筑作業面的時間。該裝置在糯扎渡心墻堆石壩安全監測項目中得到較好應用。

3.1.3 360°棱鏡與GNSS接收天線安裝歸心盤研制

針對棱鏡和GNSS接收天線同軸安裝的目標要求，研制了360°棱鏡與GNSS接收天線安裝歸心盤（見圖2）。

利用內六角螺栓將精密加工的不銹鋼頂板、不銹鋼連接桿、不銹鋼底板、不銹鋼棱鏡保護罩和底板調平螺桿進行組裝，安裝、拆卸過程簡便，底板調平螺桿進行精確調平后實現360°棱鏡與GNSS接收天線同軸安裝，棱鏡保護罩、連接桿、內六角螺栓的使用滿足了防盜保護的需求（見圖3）。

3.2 安全監測自動化系統組網技術

通過對常用RS485和以太網構網型式的研究分析，提出并設計了糯扎渡水電站基于TCP/IP協議及網絡的安全監測自動化系統星型構網方案。該構網方案設計主要技術路線如下。

（1）以監測管理站為星型結構的中心節點，用光纖連接所有現場監測站或監測點，單線通訊故障不對其他線路產生影響。

（2）每條線路兩端成對設置光端機、串口服務器等進行信號轉換，實現信號的轉換傳輸。

（3）設置冗余光纖作為在用光纖線路的備用，提高通訊線路故障的快速修復能力。

（4）每個監測站或監測點設置唯一IP地址，提高故障排查的簡便性和易操作性。

糯扎渡水電站安全監測內、外觀自動化系統組成見圖4。

3.3 安全監測自動化系統集成

3.3.1 信息管理及綜合分析系統設計開發

通過分析用戶需求，進行系統總體結構與詳細設計，研究開發安全監測信息管理及綜合分析系統。

系統采用3層體系結構，即普通用戶層、業務應用層和數據庫層（見圖5）。系統架構中各層采用成熟的、符合技術標準的服務器、中間件和數據庫產品;以C/S（客戶機/服務器）作為開發方式;系統服務器硬件平臺建立在較高性能的PC服務器或服務器群集上;數據庫選擇SQL SEVER數據庫管理系統;采用Microsoft .NET作為本系統的開發平臺;精心研究系統的框架構建;提供符合中文使用習慣的操作界面，所有與用戶相關的信息都用中文顯示。

系統界面簡潔美觀，系統功能完善。設計開發了信息錄入子系統、系統集成子系統、信息輸出子系統、檢驗分析子系統、預警管理子系統、系統管理子系統等，實現了信息錄入存儲、自動采集數據存儲、查詢、統計、輸出、檢驗分析、預警管理等功能需求。

3.3.2 自動化系統集成設計

通過分析用戶需求，將安全監測自動化各監測子系統進行集成，滿足綜合管理的目標需求。安全監測自動化系統在物理硬件層和應用軟件層都進行了集成。

物理硬件層通過同一個以太網局域網絡將現場監測站傳感器采集器、監測管理站設備、監測中心站設備等進行集成。

在應用軟件層數據層面上，采用分析數據庫結構、解析數據庫的數據組織方式來對系統進行集成，形成一個統一的安全監測綜合管理軟件?；驹O計路線就是深入解析各子系統的數據組織和結構，按照設計、規范的要求提取監測數據與效應量，并寫入本底數據庫之中。同時，本底數據庫公開關鍵部分數據庫結構以供三維可視化系統、安全評價與預警系統的調用;監測管理站的本底數據庫采用同步備份的方式將數據傳輸至監測中心站服務器上，并作為原始數據庫存儲備份;對監測中心站服務器中的數據進行抽稀，萃取重點部位的監測數據提供給WEB發布系統進行發布。

3.4 安全監測三維可視化設計與系統開發

3.4.1 三維可視化系統設計

利用數字高程模型（DEM）及數字正射影像（DOM）合成數字糯扎渡水電站三維地形場景，導入相關的三維建筑模型，如心墻堆石壩、左岸開敞式溢洪道、左、右岸泄洪隧洞、左岸地下引水發電系統及導流工程、業主營地、施工營地及航攝范圍內的居民房屋等三維建筑模型，建立水利樞紐工程與其屬性數據的關聯，并疊加工程區二維電子地圖，最終實現糯扎渡水電站三維場景的構建。

系統以OSG為基礎，采用三層體系結構，即用戶層、業務應用層和數據庫。通過各層之間的信息和功能融合，實現以下功能需求：①完全底層設計可以根據用戶需要靈活的擴展;②解決地上、地下一體化漫游的問題;③能夠實現與專業水文水動力學模型的無縫、緊密結合及三維仿真;④能夠根據建筑物的結構信息自動修改地形，實現建筑物和地形的無縫結合;⑤支持多種矢量數據的加載讀寫，實現矢量數據的流模式加載以及建筑物模型的靈活管理。

3.4.2 三維可視化系統開發

安全監測三維可視化系統開發從航空數據采集、三維模型建立和安全監測系統功能開發等方面進行。

航空數據采集生產按以下技術路線進行：①采用無人機航攝，航攝類型為真彩色，地面分辨率達到0.2 m;②采用RTK測量的方法測量像控點;③采用武漢智覺空間信息技術有限公司開發的SVS近低空攝影測量系統進行相片空三加密;④制作數字高程模型（DEM）;⑤制作數字正射影像圖（DOM）。

三維模型建立分為兩種：模型表現和地形表現。根據糯扎渡水電站三維建模要求，重點建立三維地形、樞紐建筑物、業主營地、施工營地及安全監測儀器三維模型;地形模型建模以數字高程模型為主反映地形起伏特征和疊加以航空、航天遙感影像為主的地表紋理，將地表形態和地理要素轉化為具有三維交互特征的地表形態景觀，將反映地形起伏特征的數字高程模型及其對應的以航空遙感影像為主的地表紋理，加載到地形合成三維地形數據加工平臺中，生成地形起伏和表達真實地面紋理的三維地形數據集（見圖6）。

在安全監測系統功能開發中，除具有三維可視化平臺常用的系統操作、數據查詢和面積長度量算等功能外，根據安全監測可視化系統的特點開發大量與安全監測相關的專業功能。

3.5 應急預案與預警自動觸發技術

3.5.1 應急預案與預警方案設計

研究分級安全預警，設置黃色、橙色、紅色3級安全預警，根據工程經驗和設計監控指標，擬定糯扎渡大壩安全監控指標，針對不同評判指標的每一預警等級，設計相應的應急預案措施，詳情見表2。

3.5.2 強震自動觸發系統設計與功能開發

強震自動觸發系統主要方案設計如下：①安裝強震監測子系統，采用24 h在線工作方式，并自動在線分析數據，若出現地震事件，強震監測子系統對地震事件產生的EVT文件實時進行解算，求取三分量的加速度值和地震烈度值并且實時將加速度等相關數據送入數據共享服務器;②安全監測信息管理及綜合分析系統24 h不間斷實時查詢數據共享服務器，當發現出現新數據時，寫入安全監測數據庫。根據規范和業主需求，設定地震觸發加速度閾值，系統把提取的峰值加速度數據跟預設的閾值比較，當超過設定的閾值，啟動安全監測自動化采集系統進行自動加密觀測;③安全監測自動化采集系統在接收到安全監測信息管理及綜合分析系統的指令后，馬上執行自動巡測功能，加載預先定義的加密觀測方案，對方案中的監測儀器進行加密監測，加密觀測方案主要由觀測間隔時間、觀測起始時間、觀測結束時間、加密觀測前固定觀測時間和安全監測點測點編號構成。加密觀測中，每采集到一條數據記錄，都會立即把數據記錄推送至數據庫服務器。

根據強震自動觸發系統的設計方案，開發相應功能模塊，實現系統需求。

3.6 安全監測資料分析

3.6.1 滲透壓力影響機理研究

結合糯扎渡心墻堆石壩滲透壓力監測成果與現場施工、環境等相關資料，采用圖表法、對比法、模型法等對特高心墻內部滲透壓力的分布情況、影響因子、變化規律以及滲透壓力的消散機理進行深入系統的分析研究，為心墻堆石壩運行期滲透壓力監測成果分析提供參考依據，也可為類似工程心墻內部滲透壓力施工期和運行期安全分析評價提供借鑒。

3.6.2 安全監測資料分析

糯扎渡心墻堆石壩自施工開始至2014年，歷經了2次庫水位抬升與回落期，結合主要安全監測資料與現場施工、環境等相關資料，對大壩安全監測成果進行系統分析，研究特高心墻堆石壩變形、滲流滲壓及應力應變等的變化規律與特征，并對糯扎渡心墻堆石壩的安全運行性態進行初步評價，為大壩運行管理提供決策依據，可供類似工程監測資料的分析借鑒。

4 結 論

（1）研究發明了電纜阻滲環、填筑土體測斜管安裝保護裝置、360°棱鏡與GNSS接收天線安裝歸心盤等多項實用新型技術設備，成功解決了大壩安全監測施工過程中的多項技術難題，節約了工程投資，提高了施工質量，取得了良好的經濟效益。

（2）首次采用基于TCP/IP協議及網絡組網技術，解決了糯扎渡水電站自動化大范圍、多測點、多系統等復雜情況下的快速通訊及數據傳輸問題，提高了系統可靠性，推動了國內安全監測自動化系統通訊組網技術的進步。

（3）首次實現安全監測自動化多系統的集成。多系統的集成管控，提高了大壩安全監測多源異構系統的管理技術。將三維可視化技術引入安全監測信息管理系統之中，提升了系統直觀感和操作友好性。創造性實現了安全監測預警及應急預案自動觸發，提高了系統智能水平。

（4）通過對心墻堆石壩滲透壓力的分析研究，揭示了黏土心墻堆石壩滲透壓力的影響機理，為工程施工提供了理論依據，為類似工程的安全評介建立了范例。

參考文獻：

[1] 劉德軍， 葛培清， 何濱. 瀾滄江糯扎渡水電站樞紐工程安全監測自動化系統綜述[C]// 高壩建設與運行管理的技術進展——中國大壩協會2014學術年會論文集. 鄭州：黃河出版社，2014.

[2] 馬能武， 唐培武， 葛培清， 等. 粘土心墻堆石壩施工初期滲流控制及滲壓監測[J]. 人民長江， 2010， 41（20）：82-85.

[3] 馮小磊， 葛培清， 馬能武， 等. 超高心墻堆石壩滲壓計埋設方法與心墻內部滲透壓力影響機理研究[C]// 高壩建設與運行管理的技術進展——中國大壩協會2014學術年會論文集. 鄭州：黃河出版社，2014.

（編輯：李 慧）