湖南镇大坝安全监测系统自动化改造

施永新

（浙江华电乌溪江水力发电厂，浙江衢州324000）

0 概述

0.1 工程概况

湖南镇水电站位于浙江省西南部的衢州市衢江区境内，是乌溪江流域两级开发的第一级电站，距下游黄坛口水电站约29 km。工程以发电为主，兼有防洪、灌溉、航运等综合利用效益。坝址以上控制流域面积2151 km2。水库正常蓄水位230 m，相应库容15.82亿m3；重现期1000年设计洪水位238.0 m；重现期10000年校核洪水位240.25 m，校核洪水位以下总库容20.6亿m3；死水位190 m，死库容4.48亿m3；有效库容11.34亿m3，库容系数43.2%，具有不完全多年调节能力。电站共安装5台发电机组，目前总装机容量为320 MW。

枢纽主要由拦河坝、输水系统、岸坡式厂房、坝后式厂房及开关站等建筑物组成。其拦河坝为混凝土重力式梯形支墩坝，坝顶高程242 m，最大坝高129 m。坝顶全长440 m，由23个坝段组成，除两岸坝头外，坝段宽度均为20 m。其中，0～6号坝段为左岸挡水段，13～22号坝段为右岸挡水段，7～12号坝段为河床溢流段（其中7号、12号为半边挡水半边溢流坝段），设有5孔坝顶溢洪道和4个深式泄水孔。1979年1月下闸蓄水，1983年12月底竣工验收。

0.2 大坝安全监测系统自动化改造的必要性

湖南镇大坝安全监测系统始建于1980年代初，包括坝顶位移监测、167 m高程坝体位移监测、130 m高程坝体沉陷监测、左岸边坡变形监测、垂线监测、接缝与裂缝监测、12坝段基础变位监测、坝体应力、应变及温度监测、水质取样及分析、扬压力及渗流量监测、绕坝渗流监测、气温、库水温、水位等环境量监测以及巡回检查等项目。该系统较为完整全面，多年来为大坝安全运行、了解整体结构性态及其变化规律提供了可靠的数据。但由于该大坝安全监测系统建立在几十年前的监测技术水平上，以人工观测为主，如此多的监测项目，上千个测点，分散在坝顶、廊道、两岸及边坡，观测工作量大、观测条件差、观测周期长，部分设施老化，精度相对较差。此外，在遇到大坝性态异常或洪水、地震等异常情况时，不能实施动态监测。为了能做到实时采集和处理观测数据，了解大坝工作性态，节省人力，减轻工作强度，必须实现湖南镇大坝安全监测自动化，这是加强大坝安全管理、保证安全运行的有效措施。

1 自动化改造原则

根据湖南镇大坝的实际情况以及当时国内外大坝安全监测自动化技术水平，提出湖南镇大坝安全监测系统自动化改造必须遵循以下原则：

（1）总体规划，分期分批逐步实施。根据监测项目的重要程度、监测自动化技术的成熟度以及实施的可操作性对系统改造进行总体规划，在此基础上分期逐步实施。从技术进步角度要求系统便于扩展、便于更新。

（2）实用性。从湖南镇大坝实际出发，以满足大坝监测数据处理、综合信息管理、关键测点评判的需要来进行系统功能设计。

（3）先进性。通过高性能的计算机网络环境，采用先进的数据库管理软件、开发软件、图形处理软件及数据处理方法来实现系统功能。

（4）稳定性。要求系统在恶劣的环境下能够长期稳定地运行，具有完善的数据备份功能，能够方便地对重要的数据进行备份和恢复；实现监测自动化时，还应设置人工监测手段，以便定期校测，并保证当自动化系统发生故障时，能测得人工监测数据，以保证资料的连续性。

（5）安全性。要求系统具有完善的安全保密、安全控制和安全管理功能，防止非法用户对数据进行操作。

（6）实时性。将自动化监测的数据和人工监测数据及时导入到系统，实时对各种数据进行分析处理，监控大坝的运行工作性态。

（7）可扩展性。系统应具有较强的可扩展性，提供良好的接口，能够方便地添加功能模块。

（8）规范性。系统改造必须严格遵守DL/T 5178-2003《混凝土坝安全监测技术规范》、DL/T5211-2005《大坝安全监测自动化技术规范》、SL268-2001《大坝安全自动化监测系统设备基本技术条件》、《水电站大坝安全管理规定》（电监会3号令）等规程规范的相关要求。

2 自动化改造的实施

根据上述原则，电厂委托华东勘测设计研究院对湖南镇大坝安全监测系统自动化改造进行了规划设计，并逐步开始实施。目前已完成湖南镇大坝167 m高程变形监测系统、坝体水平位移（垂线）监测系统、坝基扬压力和渗流量监测系统、坝体接缝监测系统、绕坝渗流监测系统以及环境量监测的自动化改造，同时也完成了大坝安全信息管理系统的开发建设。

2.1 高程167 m变形监测系统改造

湖南镇大坝167 m高程变形监测包括水平和垂直位移监测，分别采用引张线法和精密水准法进行人工观测。2000年8月采用真空激光准直测量技术对其进行改造，于2001年4月投入正式试运行。系统由一套真空激光准直位移测量装置和两个端点的位移校核设备组成。真空激光准直距离全长255.466 m。激光发射端位于左侧的2号坝段观测房内，接收端和真空泵位于右侧的15号坝段观测房，中间共设12个测点。2号坝段激光发射端的位移原采用三向倒垂进行观测；15号坝段接收端的位移只有水平方向采用二向倒垂实现了自动化观测，垂直方向仍用人工观测。采用的设备是南京南瑞集团公司生产的ZJG型真空激光准直测量系统和电容式垂线坐标仪。

2002年7月16日该系统通过了验收，从试运行情况看，真空激光系统以及两端点垂线坐标仪水平方向位移测值稳定可靠、精度高、可靠性好，各项指标均达到了技术设计要求。但2号坝段三向倒垂的垂直方向位移测值存在问题。

考虑到真空激光系统本身运行情况良好，但两端点位移校核垂直方向不完善的现状，决定采用双金属管标技术对系统进行完善化改造。改造工作从2004年10月开始，每端点钻孔一只，深40 m。孔内安装直径50 mm的钢管和铝管各一根。2005年3月完成整个完善化改造工作。完善化改造后，系统运行稳定可靠、故障率低、测值精度高，达到了技术设计要求。

2.2 大坝水平位移（垂线）监测系统改造

2003～2004年对湖南镇大坝水平位移（垂线）监测系统进行自动化改造。改造后整个系统包括4条倒垂和4条正垂，每条倒垂设1个测点，每条正垂设2个测点，共12测点。现场共安装12台LN2002A双向CCD智能型全数字垂线遥测坐标仪。通讯总线与布置在电梯井观测房的“无人值守”工控机相联。工控机通过光纤与设在观测班内的管理主机相联。

系统于2004年底改造完成。在运行过程中，由于传感器所处环境条件较差，雨天有滴水，春夏比较潮湿等，偶有无法正常测读现象发生。为此，在传感器旁加装了一个加热器，基本解决了上述问题。目前系统运行较为稳定，各项指标能够满足规范要求。

2.3 坝基扬压力和渗流量监测系统改造

2005～2006年对大坝扬压力及渗流量监测系统进行改造，包括54只扬压力孔和4只量水堰。扬压力观测传感器选用加拿大RST公司生产的VW2100A型钢弦式渗压计，量程0.35 MPa的46支，量程0.7 MPa的7支，量程1.0 MPa的1支。渗漏量观测传感器选用基康公司生产的GK4675型钢弦式渗压计，量程300 mm。上述每支传感器均将电缆接至设在7号和14号坝段的MCU，由MCU引出网络线，就近接入已建成的原自动化系统网络，统一由监测中心计算机管理，并在原测控管理软件上增加相应功能模块。

系统于2006年4月安装调试完毕。从运行情况看，扬压力监测系统的监测成果基本能够满足规范要求；量水堰的堰上水头测值误差也不大，但将其转换成流量成果时，误差就比较大了，究其原因主要是这几个量水堰的渗流量只有几十到几百毫升每秒，流量比较小，不太适合用三角堰法进行测量。同时运行过程中也出现过因雷击而使系统通讯模块被击穿的情况，为此对系统走线及防雷功能进行了完善。目前系统运行正常。

2.4 大坝安全信息管理系统开发

2006年委托国家电力监管委员会大坝安全监察中心开发了大坝安全信息管理系统。该系统包括大坝安全信息管理、监测系统信息管理、安全监测信息管理、水工管理信息管理等主要内容。大坝安全信息管理包括工程建设信息资料管理、工程运行及维修加固资料管理、大坝安全检查资料管理、大坝安全注册信息管理、险情预计及应急方案管理、工程其他安全资料管理、观测资料分析成果管理等功能；监测系统信息管理包括监测项目、仪器分布等基本信息管理，测点、仪器特性等参数管理，测点、仪器等完好率统计管理，监测系统运行记录资料管理，监测系统改造资料管理，监测自动化系统数据采集缺失率统计，系统人工比测指标统计等功能；安全监测信息管理包括在线监控，数据集成与输入，数据计算与处理，监测数据统计与查询，监测数据输出和报表、图表制作，离线综合分析等功能；水工管理信息管理包括有关大坝安全的法律法规、技术规范等查询，水工管理相关岗位职责、规章制度查询等功能。同时系统还具有监测数据自动上报功能。

2007年系统完成开发。从使用情况看，系统功能完备，运行稳定，大大提高了电厂大坝安全管理的效率和信息化、自动化水平。

2.5 坝体接缝和环境量监测系统改造

2007～2008年，对湖南镇大坝坝体接缝监测系统进行了改造，包括28副三向测缝计和5支单向测缝计。选用的是西安联能生产的LN-J-12差动电阻式测缝计，量程12 mm。上述每支传感器均将电缆接至现场的MCU，由MCU引出网络线，就近接入已建成的原自动化系统网络中，统一由监测中心计算机管理，并在原测控管理软件上增加相应功能模块。

同时安装了坝下游水位计（VW2100LV型）1支、坝顶气温观测温度计（LN-T型）1支，实现了环境量监测的自动化。

上述系统于2008年12月初完成安装调试，至今未出现过任何故障，测值稳定、精度高、规律性强，完全满足有关规范要求。

2.6 绕坝渗流监测系统自动化改造

2009年对绕坝渗流监测系统进行了自动化改造，共20只绕渗观测孔。传感器选用加拿大RST公司生产的VW2100A型钢弦式渗压计，量程根据孔内水位变幅分别选用0.35 MPa、0.7 MPa和1.0 MPa。由于测孔分布于大坝两侧边坡，对绕坝渗流各孔口到大坝的信号线采用PVC管进行防护，进入坝体之前的30 m则采用镀锌钢管进行保护。同时为加强系统的防雷，采取下述措施：仪器信号线的防雷，在大坝廊道口加装“继电器”，在系统不工作时，继电器断开以免雷击；信号线接入数据采集装置（MCU）前，加装防雷用户板防止系统工作时遭受雷击。

系统投入运行后，工作正常稳定，没有发生过影响整个系统运行的故障，测值精度、缺测率等指标均符合规定要求。

3 结论和体会

经过多年努力，湖南镇大坝安全监测系统中比较重要、技术条件成熟、现场具备实施条件的项目均已完成了自动化改造。期间也遇到过一些问题，但通过不断完善改进，问题基本得到了解决。从目前情况看，整个系统运行状况良好，系统平均无故障工作时间、仪器故障率、数据缺失率、测值精度等指标以及系统功能等均能够满足规范和设计文件要求。自动化系统的投运，提高了监测工作的及时性和准确度，增强了资料整编、分析、上报等信息处理工作的自动化程度，节约了人力，提升了大坝安全管理的能力和水平，达到了改造的预期效果。由于现场条件制约，目前湖南镇大坝还有坝顶变形、高程130 m垂直位移等监测项目未完成自动化改造。对此，将密切关注业界的技术进步状况，在条件成熟时及时进行改造。

在改造过程中，也深切地体会到要实施好大坝安全监测系统自动化改造工作，必须高度重视以下几个方面：

（1）整体规划，统一平台。大坝安全监测自动化系统的设备类型繁多，传感器的工作原理和适用条件千差万别，再加上工程条件各不相同，因此，在实施前最好委托具有较强综合技术能力的设计单位对系统进行整体的规划，在充分调研的基础上，做出先进合理的设计，以保证具体实施的顺利进行。如系统比较大，需要分期分项逐步实施，那么最好能够选择统一的管理和网络平台，或委托有实力的单位统一进行系统集成，以方便后续的系统管理。

（2）选择技术成熟、适合自身实际的方法和传感器。如湖南镇大坝高程167 m变形监测系统自动化改造时，2号坝段激光发射端的位移原采用的是三向倒垂进行观测，由于存在铟钢丝徐变的影响，该技术并不成熟，因此投运后未能取得理想的效果；湖南镇大坝量水堰的改造也出现了类似的情况。当然，对于某些少量的、试验性质的情况，也未尝不可。

（3）高度关注系统的防雷问题。大坝一般都位于山区，雷电多发，系统由于遭受雷击而瘫痪的现象时有发生，湖南镇大坝也曾碰到过此情况。对此要高度重视，系统设计时根据工程特点选择有效的防雷措施，同时实施中要严格保证防雷工程的施工质量。

（4）适当改善现场环境。大坝的现场环境条件一般都比较差，尤其是年代比较久远的大坝，虽然现在的大坝安全监测自动化系统设备对环境条件的要求不高，但环境因素对系统设备的可靠稳定运行和使用寿命肯定是有影响的。因此在条件许可的情况下，适当改善一下现场环境也是必要的。■