水利水電工程中的大壩工程安全監測改造分析

鄭志成

（南瑞集團（國網電力科學研究院）有限公司，江蘇 南京 211000）

1 電站概況及改造前大壩監測系統概況

古田溪四級（寶湖）水電站位于福建省古田縣境內，壩址以上流域面積為1799 km2，區間流域面積為25 km2，多年平均流量為60 m3/s，總庫容為840萬m3，屬于日調節水庫；電站裝機2臺，總裝機容量4.2×104kW，多年平均發電量0.98×108kW·h。主要建筑物包括攔河大壩、溢洪道、壩后廠房、進水口、引水管道及開關站等。整個壩體由13個壩段組成，從右岸到左岸依次編號為1#～13#，其中位于河床部位的4個壩段（4#～7#）為溢流壩段（有閘門控制的溢洪道），8#、9#壩段為引水壩段，10#壩段為腹孔壩段，其它為擋水壩段，壩段寬10.0 m～17.5 m，始建于1965年7月，1970年4月22日封孔蓄水。

四級大壩監測系統設有水平位移、垂直位移、揚壓力、壩體壩基總滲漏水等監測項目。2004年，古田溪水力發電廠對四級大壩進行監測系統更新改造，自動化監測系統于2005年3月正式投入運行。但是由于當時我國大壩監測自動化系統改造剛起步，自動化監測設備和儀器處在研發試驗階段，安裝投運后，整個系統故障頻繁，可靠性差，監測數據誤差較大，電站隨后在運行過程中進行了多次維護和改進，仍然無法滿足當下的監測任務。

2 大壩安全監測系統改造結構及功能

在2014年，對該監測系統的采集儀器、控制單元、系統軟件及附屬設施進行了全面改造，包括：舊系統拆除及配套土建施工；在壩頂、中層廊道以及基礎廊道共計安裝19臺電容式正、倒垂坐標儀；壩頂安裝14臺電容式靜力水準儀；壩頂安裝2套電容式雙金屬管標儀、4臺電容式引張線儀及引張線測點箱以及1支氣溫計；基礎廊道安裝11支滲壓計、1支量水堰計；在中控室安裝1臺服務器，1臺采集計算機，安裝數據采集軟件和數據庫系統。

改造后的大壩安全監測系統兼有監測功能、操作功能、掉電保護功能、數據通信功能、網絡安全防護功能、遠程操作功能、自檢（自診斷）和報警功能、人工補測和比測功能，從而實現各儀器的自動化監測采集與控制。

3 改造內容及方法

3.1 垂線系統

古田溪四級大壩共布置了7條倒垂線（共8個測點）和9條正垂線（共11個測點）。本次改造采用的是RZ-S型智能電容式垂線坐標儀，對正垂、倒垂全部測點進行了更新改造，共計安裝19臺智能電容式垂線坐標儀。IP5布置2個測點，其中IP5-1測點引張線儀位于9#壩段，IP5-2垂線測點引張線儀位于10#壩段。

3.2 靜力水準儀

大壩共計3條靜力水準垂直位移觀測系統，共計安裝14套智能電容式靜力水準儀。其中左岸靜力水準垂直位移觀測系統7套，右岸靜力水準垂直位移觀測系統4套，溢流壩段靜力水準垂直位移觀測系統3套。見圖1。

圖1 靜力水準安裝底板安裝示意圖

3.3 雙金屬標位移計

安裝2套雙金屬標儀，分別在壩頂左、右岸壩頭各布置1套雙金屬管標儀。其中SG1作為右岸壩段壩頂靜力水準（JL1～JL4）的基準點，SG2作為左岸壩段壩頂靜力水準（JL7～JL13）的基準點。用螺栓將雙金屬標位移計固定在安裝底板上，儀器安裝調水平。調整初始位置；將儀器電纜接入安裝在現場的測量控制單元，并開始自動化測量或用NDA1711讀數儀測量；雙金屬標位移計納入自動化系統進行監測。

3.4 引張線

古田溪四級大壩布置有2條引張線，4個測點。本次改造安裝4臺引張線儀。

Ⅰ號引張線（EX1）位于1#～4#壩段壩頂，其中1#、4#壩段為基點，2#、3# 壩段為測點（EX1－1、EX1－2）。

Ⅱ號引張線（EX2）位于5#～8#壩段基礎廊道內，其中5#、8# 壩段為基點，6#、7# 壩段為測點（EX2－1、EX2－2）。

3.5 量水堰儀

古田溪四級大壩壩體及壩基安裝一臺量水堰儀，布置在7#～8#寬縫壩段之間的排水溝，監測大壩壩體及壩基總滲流量。

量水堰的堰板采用厚度≥6 mm的不銹鋼板制作。過水堰口下游側切削成45°坡口，堰板直立且與水流方向垂直，堰板為平面，局部不平處不大于±3 mm。土建施工時即將安裝底座按要求埋入，調平。待混凝土固化后，將量水堰水位計安裝在底座上，用水管接通堰上水位，調整初始位置之后，用水準調平儀器。

3.6 滲壓計埋設

古田溪四級大壩壩基揚壓力觀測孔共11個，主要布置在3#壩段（3#測孔）、4#壩段（7#測孔）、5#壩段（13#測孔）、6#壩段（滲 1孔～滲 4孔）、7#壩段（10#測孔）、8#壩段（14#測孔）、9#壩段（16#測孔）以及11#壩段（22#測孔）的基礎灌漿廊道內。其中，6#壩段為全斷面觀測，滲1距帷幕2.5 m，滲2距帷幕7.0 m，滲3距帷幕16.0 m，滲4距帷幕25 m。

本次改造更換滲壓計11支并改造管口裝置，為保證安裝的可行性以及效果，提前對觀測口進行了檢查，包括現在孔深、孔口高程、前期鉆孔資料、原始人工測量數據等；對于常年有壓的測點，根據設計的要求將滲壓計安裝在測壓管管口或測壓管內。對于無壓或時有壓時無壓的測點，滲壓計安裝在測壓管內最低水位以下約1 m的位置。

3.7 DAU2000數據采集裝置及采集模塊

DAU2000采集裝置安裝見圖2。

圖2 DAU2000采集裝置安裝圖

將DAU箱附件中的4組地腳片和螺母按說明分別固定到DAU的4個安裝孔上，擰緊螺絲，保證地腳片豎向垂直于DAU箱邊線；結合水平尺和卷尺，在墻面上對DAU箱安裝孔進行定位，選取Φ12 mm的鉆頭進行打孔，打孔時要保證鉆頭垂直進入墻面；將Φ8 mm的膨脹螺栓安裝至地腳片固定孔處，抬起DAU箱，將膨脹螺栓對準已經打好的墻面安裝孔，將膨脹螺栓打入孔內并擰緊。

采集模塊用銅螺柱將內層模塊固定到DAU箱中的固定螺桿上，再用專用螺絲將外層模塊固定到銅螺柱上。（單模塊的直接用螺絲固定到DAU箱中的固定螺桿上。）

3.8 保護管敷設及電纜連接

為確?？偩€線路安全和系統長期穩定性，電纜敷設采用鋼管保護，敷設后的電纜按照各儀器約定連接方式連接，施工中采用氣烙鐵進行接頭的鍍錫焊接，并用熱縮套管、電工絕緣膠帶和封口膠對接頭進行防水密封絕緣處理，確保各儀器電纜的正常使用。

為方便儀器的更改和后期維修工作，所有觀測儀器電纜在其埋設點附近都預留一定的長度，電纜牽引方向盡量垂直或平行于混凝土面，以滿足美觀大方的要求。監測儀器至監測站的敷設過程中盡可能少地出現電纜接頭，以提高觀測精度。在監測儀器引線進行必要的連接、套接和安放前后，對監測儀器均進行有效的測試，對比前后測值同時對儀器電纜也進行了通電測試，以保證儀器的接線安放后的正常運行。

4 運行期系統修正及評價

試運行期對大壩監測系統的出現了部分問題并且進行了修正。

4.1 滲壓計公式

滲壓計UP7，實際測壓孔孔口高程為73.064 m,自動化系統中計算用值錄入有誤，進行修正，見表1。

表1 修正表

4.2 引張線公式

對自動化系統中的引張線監測系統中EX1-2和EX2-2水平位移的計算公式進行了改正。

原計算公式為：

更正后計算公式為：

垂線公式

PL5-1、PL6-1兩個個測點在計算X方向絕對位移時與引張線關聯，由于引張線計算公式進行了更正，相應PL5-1、PL6-1兩個個測點在X方向絕對位移也進行了更正；對PL9-1和PL11-1的計算公式顛倒問題進行更正。對PL9-1和PL11-1的計算公式顛倒問題進行了更正。

原計算公式為：

更正后計算公式為：

4.3 關于新系統垂線位置關系系數K取值的問題

倒垂線和正垂線相對位移計算公式：

式中：K為位置關系系數（其值為1或-1），與正垂觀測墩布置位置（方向）和垂線坐標儀的標尺方向有關；kx為垂線坐標儀X方向靈敏度系數，mm/電容比；ky為垂線坐標儀Y方向靈敏度系數，mm/電容比。

自動化系統的公式為：

k為合并了位置關系系數和電容比，實則k=Kkx或k=Kky。

系統自投入試運行，從儀器測量結果及系統設備運行情況看，總體上運行良好。系統具有穩定性好、采集速度快、實時性強等優點，系統的功能和性能滿足自動化規范要求，系統的監測精度基本滿足《混凝土大壩安全監測技術規范》和《大壩安全自動監測系統設備基本技術條件》要求，實測資料基本穩定可靠，絕大部分測值變化符合實際，基本達到古田溪四級大壩安全監測系統改造的目的。

5 結論

大壩的監測系統運行情況直接關系到大壩的工作狀態和安全運行。大壩安全監測系統的改造想要達到預期效果，前期一定要明確好改造的的目標以及需要改造的項目。古田溪四級（寶湖）水電站大壩是運行四十多年的老電站，本次成功改造大壩自動化安全監測系統，將為運行多年的老電站和早期的大壩安全監測系統的改造提供借鑒。