“5.12”震后碧口大坝监测自动化系统恢复及改造

陈 容

（甘肃大唐碧口水力发电厂，甘肃文县746412）

1 工程概况

碧口水电站位于甘肃省文县碧口镇上游3 km的白龙江干流上，控制流域面积26 000 km2，占全流域面积的80%。枢纽工程由壤土心墙土石混合坝、溢洪道、右岸泄洪洞、左岸泄洪洞、排沙洞和引水发电系统组成。大坝坝顶全长297.36 m，最大坝高101.8 m，坝基岩石为千枚岩和凝灰岩，河床覆盖层由两道混凝土防渗墙截渗。大坝于1969年10月开工，1976年3月竣工，是当时我国最高的土石坝。

1996年，碧口水电站开始实施大坝监测系统自动化改造工作，经2002年及2005年自动化系统升级改造，采用南京水文所研制的DG型分布式大坝安全监测自动化系统，实现了变形监测、渗流监测、危岩裂缝监测及坝区温度监测等多个监测量的自动化监测。其中自动化变形监测包括采用单向引张线方式的670马道（坝下0+093.0）、691马道（坝下0+041.8 m）的水平位移监测、采用水平、垂直位移同时测量的双向引张线方式的坝前10m（坝上0+010.0m）、坝下7.8 m（坝下0+007.8 m）两个纵断面监测，包括大坝浸润线三个横向断面测管及近坝区绕坝渗流测管渗流监测自动化、危岩裂缝监测及坝区温度计等，目前已基本实现监测工作的自动化。

2 大坝自动化系统受损情况

“5.12”地震对大坝的变形影响较大，河床段最大位移达到24.2 cm（沉降）和15.7 cm（水平位移），致使4条引张线河床段测点都超出了量程范围（引张线仪测量范围），引张线端点移位，线体保护管扭曲变形，传感器扭曲变形等，引张线系统各测点传感器的观测值产生很大偏差，共计25个引张线测点及4个倒垂均停测，变形监测陷入瘫痪；渗流监测只有心墙上的HL2测压管被地震中大坝下游坝肩上震倒的围墙砸断了通讯电缆，因而无法观测；左岸危岩测缝计通讯电缆断路无法观测；自动化系统通讯总线等遭到破坏。碧口大坝自动化监测系统12个MCU测量控制单元，只有3个MCU能正常观测，缺测率达到了75%。

3 恢复改造及实现功能

为了更快捷、全面地了解掌握大坝的运行情况，结合自动化系统在“5.12”地震中的损坏情况及大坝第三次定检中提出的单向引张线保护管管径偏小、双向引张线垂直位移测值可信度不高等问题［1］，对地震造成破坏的一些观测项目进行修复及对原系统不足之处进行改造，主要修复改造工作包括位移监测系统的修复改造、渗流监测的恢复和完善、危岩监测的实施、有线无线通信技术的融合、防雷功能完善等工作。

3.1 坝体变形监测方案及实现功能

碧口大坝引张线布置见图1，对4条引张线保护管及测量仪器在原位置进行重新安装，对各引张线测点进行修复及改造，使引张线线体位于各引张线仪器的中间测量位置，均把原来的DN110PVC塑料管保护管径改为DN160；重新更换蓄电池及部分电源盒，更新维修部分受损仪器设备及测量模块。

原有670 m、690 m马道变形监测采用单向引张线方式观测，监测仪器采用SWT-100型引张线仪。坝上0+010.0 m、坝下0+007.8 m的双向引张线共布置13个测点，实现水平位移、垂直位移的自动化观测，监测仪器采用SWT-100B型双向引张线仪。在双向引张线左岸（活动端）安装高精度的静力水准仪，准确获得液面高度，同时也是对双向引张线竖向位移测量的修正和补充。在此认为静力水准仪安装处的基座沉降为零，该传感器浮子感应的整个双向引张线连通管内液面高度可认为是液面的绝对高度。正常情况下，补水电磁阀处于关闭状态，即储水桶与连通管间通道是关闭的。为了尽量减小补水对引张线双向位移监测的干扰，数据采集模块仅在每天两个固定时间（与引张线自动测量时间错开）判断液面的高度是否低于已设定的补水液面，若低于则打开电磁阀进行加水，若高于则维持正常工作状态不再加水［3］。

地震前原有的双向引张线液面系统是溢流状态，双向引张线垂直向位移测值可信度不高［1］，与大坝实际垂直位移有一定的偏差，原因如下［3］：

（1）之前的补水系统很难做到每天的补水量与每天的蒸发量一致，因此让引张线连通管内液面处于循环溢流状态，水面产生波动，连通管内的液面高度不一致导致引张线测值Y与坝体实际变化量不一致。改造后每天最多补水两次，且补水时间与引张线测量时间是错开的，水面也不存在溢流状态，可认为不产生波动，液面是静止的。

（2）之前补水系统补水桶内水多，补水速度就快，引张线内水体的比降就大；补水桶内水少，补水速度就慢，引张线内水体的比降就小，即连通管内水体比降不恒定［2］，这也会产生误差。改造后连通管内液面可认为是静止的，即不存在比降不恒定问题。

图1 坝顶引张线布置Fig.1 Arrangement of wire-alignment on dam crest

（3）坝上游10 m双向引张线长度为296 m、坝后7.8 m双向引张线长度为292 m，之前补水系统一端进水，水流不断在水桶附近的引张线连通管内循环，不能及时流到另一端，另一端在实际中很可能保持平衡，这导致整个连通管内液面高度不是很一致，这也产生误差。

改造后通过静力水准仪监测液面变化，可认为液面几乎是静止不动的，同时通过静力水准仪精确地监测液面高度，对双向引张线Y方向测值进行补充修正。采用人工比测方法，即将静力水准仪测值修正过的坝体竖向位移成果与在相同时间内人工实测成果进行比较，改造前其自动化测值与人工测值最大偏差达0.64 mm，改造后其测值与人工测值最大偏差0.16 mm。因此，改造后双向引张线能更准确地反映大坝的实际运行状况。

3.2 渗流监测方案及实现功能

坝壳渗流与左右岸绕坝渗流测孔布置见图2，为完善大坝渗流监测项目，在原有测点的基础上，新增加右岸绕坝渗流（4个绕渗孔：Z134、Z133、Z137、Z110）、730公路绕坝渗流（5个绕渗孔：Z7、Z9、Z101、Z102、Z19）、左岸650下绕坝渗流（2个绕渗孔：Z130、Z129）测压管自动化，通讯采用GSM短信方式。比测标定原有渗压计，修正仪器漂移值；更换坝坡测压管F3、F8、Z135、Z136四支渗压计；改造原有渗流监测线路走线，使线路落地、钢管保护，坝面走线美观。

新增仪器采用美国基康北京公司生产的BGK-4500S-100PSI型钢弦式渗压计；通讯采用GSM短信方式，在中心站和MCU房内各放置Saro310 GSM工业modem一个，提供RS232标准接口，直接与用户设备连接，实现短消息收发功能。

GSM通信方式与RS-485通信比较，其优点为：

（1）远程应用，左右岸绕坝渗流测管与中心站距离较远，再者这之间有交通公路且所处地势不便于架设信号线。

（2）抗干扰能力强，由于GSM短信的数据是以数据包的形式发送，传输过程中丢码的情况很少发生，只要短信息能够顺利被接收，基本上内容的真实性可以保证，数据的有效性也可以被认可。

图2 坝壳及左右岸绕坝渗流测孔布置Fig.2 Arrangement of monitoring holes for by-pass seepage at dam shell and on left and right bank

（3）防雷性较好，在短距离通信应用上由于采用无线技术，相对于有线通信方式在避免雷击方面有其优势，如果在安装现场安装避雷针、做好接地及设备安装于室内将使得防雷效果更好，类似于普通手机的雷雨天应用环境和条件。

3.3 危岩监测方案及实现功能

为了更好地监测危岩的安全状况，对危岩部分的传感器线路进行彻底改造，为保证改造后系统的防雷、通讯等性能的提高，仪器电缆采用地埋结合穿钢管保护，以彻底消除传感器线路上雷电及其他干扰和破坏的影响，同时检查不能正常工作仪器的损坏原因，对非仪器故障的进行修复。

新增8支JM-100电位器式测缝计。由于危岩与中心站距离较远，不易架设有线信号线，故通信方式与渗流测管相同，利用现有的MCU-1M型测控装置，在MCU房内放置Saro310 GSM工业modem一个，利用GSM通信方式将监测数据远传至中控室，在此不做阐述。

2009年10月20日0 时42分，四川北川、平武交界处发生4.9级地震，大坝左岸边坡发生岩石坍塌，塌落岩体正好位于调压井上游侧安装危岩裂缝监测仪器处，损毁4支危岩测缝计，使得12号MCU箱停测。

3.4 系统防雷方案及实现功能

碧口大坝地势空旷，自动化系统使用了大量表面敷设的电源电缆、通讯电缆及传感器的信号电缆，分布范围广、传输距离长，易遭受雷击破坏，尤其是感应雷击的破坏较为严重。1994年系统设计时限于当时防雷技术条件，导致夏季在枢纽附近发生雷击时，电缆上产生很强的感应电压，时常对设备及监测系统造成一定破坏。

根据多年运行经验发现，一般雷电多从电源电缆、通讯电缆和各种传感器电缆侵入系统，造成系统设备损坏，所以如何减少感应过电压对监测系统中连接在电源电缆、通讯电缆和各种传感器电缆另一端的设备造成的破坏，是监测系统防雷抗雷的关键所在。

接地、屏蔽和滤波是防止雷击的三种主要方法。根据雷电的特点和耦合途径的多样性，为了达到较好的效果，结合碧口雷击特征，进行如下防雷系统升级改造。

（1）对供电系统进行防雷升级改造。在监控机房内电源入口设置不间断电源（UPS）、隔离变压器，在测控装置供电处设置隔离变压器、电源稳压器、电源防雷器，防止电缆上感应的雷电对中心机房和测控装置造成供电破坏；对所有供电电缆进行开挖埋设，并用钢管保护，钢管与碧口电厂设置的防雷网联接，形成自动化系统防雷网。

（2）对通讯系统进行了改造。碧口大坝自动化系统原有通信线路多处采用架空铺设，极易遭受雷击破坏。本次改造将所有架空铺设通信线路均开挖埋设，并利用钢管保护，在通信线路两端设置通信防雷器，形成防雷网，同时取消架空线路也利于电厂美观和为电厂线路综合布局打下基础。

（3）对传感器线路进行改造。所有传感器电缆均采用屏蔽电缆联接，将屏蔽线接入接地网，将感应雷电引入地下；同时所有传感器进入测控装置处均安装防雷通道板，将传感器与测控装置间隔离，防止雷电对测控装置造成破坏。

（4）对防雷接地进行全面检查，检查所有通讯电缆、电源电缆、传感器电缆保护管的接地及连接情况，发现不符合要求的，重新对其进行了焊接处理，并统一接入枢纽接地网。检查所有避雷器的接地情况，发现不符合要求的，重新对其进行处理。

本次三级防雷措施保证了系统安全可靠运行，特别是在测量模块和信号线路之间增加防雷通道板，雷电通过传感器的信号电缆传输，防雷模块在此起到一个隔断的作用，对测量模块起到保护作用。2009年9月9日在强雷电天气下，系统经受了考验，运行正常。

4 系统运行情况

4.1 自动化故障点及故障率

大坝自动化监测仪器共77支（台），2010年故障点数28个，故障率为2.0%。其中故障主要是2010年“9.20”强雷雨使得厂房后高边坡滑塌导致MCU13电源线被砸断及坝上游10 m双向引张线液面监控系统的电磁阀故障，由于各种原因，该系统经一个月时间才恢复，导致故障率略偏大。从长期稳定性来讲，大坝自动化监测系统运行良好，观测精度得到提高，能实时监测大坝运行情况，同时大大减小了人工强度。

4.2 人工比测分析

采用人工比测方法，对测点在相同时间内自动化与人工测值进行比较分析。除了坝上游10 m双向引张线液面监控系统的电磁阀故障，导致一段时间该引张线竖向测值与人工测值吻合不是很好外，更换电磁阀后，所有自动化测值过程线与人工监测成果吻合。如图3所示，个别测值存在一定的起伏，主要是测量仪器精度低和换人操作仪器引起的偶然误差。总体来讲，自动化成果与人工观测成果变化趋势一致，能准确及时反映大坝的运行工况。

4.3 自动化仪器稳定性分析

自动化仪器稳定性实验主要通过短时间内的重复性测试，根据测量结果的中误差来确定仪器稳定性。根据大坝结构和运行特点，短时间内水库水位、温度等环境量变化不大，则引张线的测值也应基本不变。通过自动化系统在短时间内连续测读10次，由10次读数计算标准偏差，根据标准偏差确定引张线仪重复读数精度及测值稳定性。

引张线仪连续测量10次，测值变化量很小，根据10次测量结果，中误差均在0.1 mm以内，说明仪器水平、垂直方向（注：双向引张线）测值稳定性均可以满足要求。

渗压计分别连续测量10次，根据10次测量结果，水位中误差均在0.1 m内，最大值偏差在0.12 m内，说明渗压计水位测量稳定。

碧口大坝安全监测自动化系统改造后近两年的运行，其监测数据与人工测值吻合较好，该系统运行稳定、数据可靠，且特点显著，运行管理方便。

5 存在问题及建议

（1）坝上游10 m双向引张线测点处水箱高程不是很一致，导致盒子里的水深不一致，有可能导致连通管内的水从较低处往外溢流，因此，在安装引张线连通管时尽量使各测点箱保持在同一高度，使连通管内的水不外流。

（2）采用高精度静力水准仪来监测双向引张线连通管内液面高度，对引张线竖向位移进行修正和补充，造价较高。运行单位和设计研究单位可进一步分析水流形态，通过实验寻求新的造价低的解决办法，共同提高监测仪器的适用性。

（3）部分绕坝渗流观测设施新接入自动化系统，采用GSM短信通讯优点较多，但GSM通信方式与RS-485通信比较，前者没有后者稳定，具体原因及解决办法有待运行单位和设计研究单位进一步探讨。

[1]大唐碧口水力发电厂第三次安全定检报告[R].西安理工大学水电学院,碧口水力发电厂，2007.

[2]赵振兴,何建京.水力学[M].北京：清华大学出版社,2005.

[3]陈容,强永兴.静力水准仪在碧口水电站的应用[J].西北水电,2011（1）:17-20.