乌克兰水电站的地球动力学监测系统

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1 监测的目的

水工建筑物对经济、社会及环境发展具有重要的意义，因此，必须对其运行状态实施定期监测(包括肉眼观测及仪器监测)，这也是行业规范的要求。

对水电站实施监测是一个包括系统观测、定期调查、研究及测试在内的复杂过程，旨在确定水工建筑物及其基础和附属建筑物的运行状态。另外，监测还应包括对建筑物所承受的荷载进行评估，以验证其可靠性及安全性。因此，监测过程不仅仅是检查与观测，还应对所涉及的长度、完整性、化学性质、容量、过滤及水力学流态等监测结果进行计算和分析。

2 监测方式的改进

目前，对位于乌克兰第聂伯(Dniepro)河和德涅斯特(Dniester)河已投运的水电站及抽水蓄能电站在监测方式方面进行了改进，具体描述如下。

(1) 对监测系统的监管规划及监测点进行了补充更新。

(2) 提高了控制水工建筑物安全性及可靠性方面的要求。

(3) 采用的控制设备及监测技术更加先进。

(4) 陈旧或破损的检测设备、过时的监测方法等已被摈弃。

(5) 在水电站设计和运行方面借鉴了大量国际先进经验。

现场检查的范围是按照设计的操作规程，在工程开发阶段即已获得批准。乌克兰水电公司旗下所有水电工程在施工阶段均按现有施工程序配置了监测设备，对水电站运行阶段的状态监测及现场检查一直是依靠肉眼观测，并将观测数据记录在工作日志上，维护人员会对每台检测仪器的测量值与其极限值进行比较，根据比较结果，来控制建筑物参数的一致性。工作人员定期将监测及观测日志连同检测数据一并提交给专业研究机构，以对水电站各部分建筑物及机组状况进行综合分析，为今后的补救工作及其方案研究提供参考。

乌克兰水电站目前所采用的控制系统可以确保水电站在设计、施工及运行等各阶段的安全与稳定。按照现行监测惯例，维修队或专业机构仍应坚持现场检查，对发现的问题及时加以分析研究。

3 新概念安全控制系统

由于监测系统不符合现代要求，乌克兰最大的公共水电股份公司(PJSC Ukrhydroenergo)要求其子公司-乌克兰水电工程公司(PJSC Ukrhydroproject)开发了一个新的概念项目，即第聂伯河和德涅斯特河梯级水电站水工建筑物安全控制系统，以综合改进水工建筑物安全监测方法。

该系统是一个涉及工业、技术、研究、经济及法律等诸多领域的综合性系统，各级政府均采取了相应措施，以使水工建筑物性能的可靠性及安全性达到更高的水平。该系统的主要目标如下：

(1) 实现水电站综合监测，包括评估水电站的当前状况和提出一些补救建议及措施。

(2) 运用特殊分析技术，对初步控制结果进行定期分析，并据此对水工建筑物磨损程度及安全可靠性进行定期评估。

(3) 根据水电站运行维修要求以及其他监管手册，对水工建筑物状态进行技术检测。

监测水工建筑物的安全控制系统的作用及功能可以用下列等式表达为SCS=MS+SSMM，其中SCS表示安全控制系统；MS表示技术维护；SSMM表示现代化安全特别措施。

技术维护是指对水工建筑物进行适当的检查及维护，包括诊断检查、设计、研究、修复及补救等必要的工作。自动监测系统是水电站控制的基础，图1显示了自动化监测系统的工作流程。

图1 自动化监测系统流程

实现水电站安全现代化需要采取特别的措施。执行这些措施(包括调查研究)需要有明确的计划或遵照特定的要求。在该过程中，部门或跨部门委员会及技术检查人员负责组织指挥，其他监管部门给出相关指令。

第聂伯河及德涅斯特河梯级水电站高压建筑物安全评价，是一种基于多标准安全评价体系的综合概念。极限状态设计法虽然具有优势，但由于受到设计标准的限制而不能对建筑物的可靠性及安全性给出客观的评定。其原因是设计标准给定的参考值通常是假定的，且有时会出现不合理或无意义的情况。欧洲设计标准中所采用的现代建筑物可靠性理论是概率法，它能提供一个更为客观的安全评估方法。该方法是目前乌克兰现代工程实践中优先采用的方法之一。

2000年，在基辅水电站启动了一个基于自动化监测系统的概念项目。项目招标方为国际复兴开发银行，中标人为加拿大洛克泰斯特(Roctest)集团，班卡姆兹维雅佐克(Bancomzvjazok)公司为项目分包商。这一概念项目目前正处于建设中。

4 新控制系统的主要任务

新的自动化监测系统可以完成以下3个主要任务。

(1) 实现水电站建筑物状况评估，有助于制定及时必要的措施以确保水电站安全可靠地运行。

(2) 研究建筑物老化过程，预测其使用寿命。

(3) 维护科研信息数据库，以改善水电站运行工况。

该系统的操作是由安装在测试点、本地数据集中器(多路器)、服务器、工作站、通信信道及用户软件的众多传感器(主要测量传感器)来实现的。系统的主要目的是最大限度地提高自动化处理数据的能力，采用综合方法实现测量过程及数据处理自动化，可以最大限度地减少人工误差对测量结果精度造成的影响。

在现有监测系统中，能够实现数据自动采集、自动化处理并与极限值进行比较，以及对观测结果进行图表分析，旨在防止水利工程及基础设施发生不良事故。

乌克兰首次在其自动化监测系统中添加了一个独立元素，即实时空间位移测量系统，该国目前还没有类似配置的系统投入运行。基于全球导航卫星系统(GNSS)的大地测量技术，可用来监测水工建筑物变形。乌克兰水电站所用的大地测量监测系统包含有一个永久性大地控制网，该控制网是由2组基点综合而成，其中第1组基点配备有高精度的GNSS接收器以及环形反射器；而第2组则配备有自动全站仪。

如图4可见，优化体系扩增出来的谱带明亮，背景清晰，稳定性好。因此，建立的ITS-PCR体系和扩增程序能够满足芋螺毒腺的ITS序列研究、芋螺遗传多样性分析、亲缘关系鉴定和种质资源评价等分子生物学的试验要求。

对其他平面控制点，除了配备有GNSS接收机外，还在高程控制点和斜面控制点上布置了环形反射器。自动全站仪是利用传统的反射器或环形反射器来读取水平、垂直角度以及基站到控制点的距离。所有测量数据均通过各种数据信道实时地传输到中央数据处理单元，数据处理中心则从最近的国家永久性网站在线接收GNSS测量数据，并进行连续的数据处理。

因此，GNSS控制网给水电站分配了一个独立的位移动力学参考系统，该系统的组成包括基点、全站仪及控制点。综合空间测量可以保证对基线网的连续控制并可识别网络控制点的位移。建筑安全统计学显示，安装了传感器监测系统的工程建筑物，发生意外事故的概率要比那些没安装的至少低一个数量级。工程建筑的监测设备成本尚不及建筑物总成本的 0.5%～2%，比发生事故时的损毁成本更要低得多。

目前，班卡姆兹维雅佐克公司正在开发分析软件CASCAD，该软件是综合监测系统最后阶段的组成部分。CASCAD软件可以自动处理测试点的最大数据量，并可运用数学工具及统计技术对数据进行多变量分析；同时，还可以通过定量定性分析，来确定建筑物特性是否与设计参数(强度、完整性、破坏评估及可靠性评估、风险评价与评估)相符。

5 结 语

乌克兰在国内水电站水工建筑物中安装了自动化监测系统，其安装及运行状况如下。

(1) 已运营的水电站目前正在安装自动化监测系统，现有建筑物正在埋设传感器。

(2) 该系统会对所有测试点数据进行全自动化处理，对现场肉眼检查结果进行半自动化处理。

(3) 为实现现场数据全自动化分析，提出了开发并运用定制软件的要求。

(4) 正在建立水电站运行、状态及安全信息的综合电子数据库。

(5) 该系统为乌克兰水电站的设计与运行管理提供了有价值的信息。

(6) 为其他国家应用该系统提供了最好的经验。