西藏满拉水利枢纽工程安全监测自动化系统改造设计探讨

杨 军，徐海峰

（1.西藏自治区满拉水利枢纽工程管理局，857000，日喀则；

2.水利部水文仪器及岩土工程仪器质量监督检验测试中心，210012，南京）

一、工程概况

满拉水利枢纽工程位于西藏自治区日喀则地区江孜县龙马乡境内的年楚河支流龙马河上，下游距江孜县城28 km，距日喀则市118 km。该工程是“八五”期间国家62项援藏项目中投资规模最大、综合效益最为显著的工程，也是年楚河流域农业综合开发的骨干工程，以灌溉、发电为主，兼具防洪、旅游等综合效益，总投资14.47亿元。水库总库容为1.55亿m3，水库建成后增加灌溉面积25.42万亩（15亩=1 hm2），灌溉最大引用流量18.20 m3/s，电站总装机 20 MW，多年平均发电量0.61亿kWh。

满拉水利枢纽工程的永久建筑物主要由大坝、泄洪洞、引水隧洞及地面式发电厂房等4部分组成。工程规模为大（2）型水库，大坝及泄洪洞为2级建筑物，引水隧洞及厂房为4级建筑物。大坝为黏土心墙堆石坝，坝顶高程为4 261.3 m，坝顶宽10 m，长287 m，最大坝高76.3 m。

二、工程安全监测状况

为了保证枢纽的安全运行，设计并安装一定数量的监测仪器设备，对枢纽的运行情况和工作性态进行监测。满拉水利枢纽工程的安全监测系统按其所属工程建筑物及功能划分主要有：大坝安全监测、引水系统安全监测、枢纽外部变形安全监测、工程安全监测自动化。

满拉水利枢纽工程采用分布式自动化监测系统，网络采用485通信总线、半双工通信方式。系统共设置3个监测站，分别位于坝顶左岸、进水口及厂房后侧施工支洞出口，共安装8台数据采集装置（DAU）。在现场办公楼设置监测管理站，监测管理站内安装自动化监测网络的电源稳压设备、通信与电源总控制仪与采集用的上位机。监测工作人员只需在总控制室内即可完成所有自动化监测项目的数据采集与管理。

满拉水利枢纽工程安全监测自动化系统于2001年5月投入试运行，2001年8月移交满拉水利枢纽管理局至今已有12年之久。强震监测系统主要由4套强震测点、1台强震采集仪及1台强震采集工作站组成。通过现场调查，结合管理人员描述及相关资料确认，两套系统自2004年以来就出现一定的故障率，2013年4月22日现场测试，系统基本处于瘫痪状态。2013年4月22—24日现场实地检测发现，数据采集装置均已不同程度损坏，电源系统及主模块因受雷击也已损坏，部分设备电路老化严重，主板受潮湿及电解液的浸泡已锈烂。负责数据采集及强震采集的两台工作站无法使用，强震采集仪无法工作。

三、改造的必要性及设计原则

1.改造的必要性

满拉水利枢纽工程大坝属黏土心墙堆石坝，建造在地质构造复杂、岩土特性不均匀的地基上，在各种力的作用和自然因素影响下，其工作性态和安全状况随时都有可能发生变化。加上受大坝开工时的设计水平、施工质量、建筑材料及配套安全监测系统技术水平与使用寿命的影响，若大坝的工作性态出现异常，而现场技术人员不能及时掌握情况任由险情发展，后果不堪设想。

西藏所在的喜马拉雅山脉形成历史较晚，构造较年轻，加上处于欧亚大陆板块与印度板块碰撞的前沿地带，这些因素导致西藏成为中国大陆地震频度最高、强度最大的地区。2011年9月18日邻近的亚东县就发生了6.8级地震。

为此，对现有系统进行升级改造，建立一套可靠先进的工程安全监控系统，对实时监控枢纽的安全运行具有重大意义。

2.设计原则

①系统的可靠性指标应满足下列要求：系统数据采集装置的平均无故障时间（MTBF）不小于 6 300 h；监测系统自动采集数据的缺失率应不大于3%；自动采集的数据准确度应满足 SL 551、SL 268等规程规范要求。

②充分利用当前监测仪器设备、计算机、自动化和通信控制的先进软、硬件技术，保证系统的先进性。

③充分了解枢纽工程实际情况，确定需要改造的监测项目，同时充分考虑利用现有的仪器及设备，达到节省投资、经济实用的目标。

3.安全监测改造项目的确定

根据现场实地调研安全监测设施现状及存在的问题，确定此次安全监测改造的重点为大坝安全监测及工程安全监测自动化。具体改造的监测项目如下：大坝坝体内部位移监测项目、大坝渗流监测项目、大坝强震监测项目、库区环境量监测项目、工程安全监测自动化系统。库区环境量监测项目为新增项目，其余监测项目均为升级改造项目。

四、安全监测系统改造设计

1.大坝坝体内部变形监测

为监测大坝坝体的内部位移，选择桩号0+150.00 m，在坝轴线下游侧距坝轴线7 m处，布设1条测斜管，监测黏土心墙内部分层水平位移分布的大小与分布规律。人工监测采用活动测斜仪，自动监测采用在测斜管内安装固定测斜仪的方式实现，固定测斜仪间距6 m，共安装13台。

2.大坝渗流监测

（1）坝体浸润线监测

为了解坝体内浸润线的位置变化以掌握坝体在运行期的渗流情况，在坝体内设测压管进行浸润线监测。沿坝轴线选择2个监测断面，桩号分别为 0+088.00 m、0+146.00 m，主要监测断面选在最大剖面处。每个监测断面布设2个测压管，分别布设在坝轴线上游侧距坝轴线1 m和坝轴线下游侧距坝轴线7 m处。

测压管管底高程位于死水位以下2 m，管底0.5 m范围内封闭埋设1支渗压计以监测坝体渗透点压力；测压管为全花管段，人工监测采用平尺水位计监测，测压管内放置渗压计进行自动监测，以监测坝体浸润线。共布设4个测压管和6支渗压计。

（2）绕坝渗流和渗流量自动化监测

满拉水利枢纽工程大坝绕坝渗流和渗流量监测共计12个孔，为实现自动监测，在孔内安装了12支渗压计。

3.大坝强震监测

满拉水利枢纽工程大坝的地震设防烈度为8度，属地震高烈度区。根据DL/T 5416—2009的规定，为了监测本区域发生地震时坝体的地震反应、水库诱发地震的活动情况，需要监测大坝的强震动反应，设置强震监测台阵。

满拉水利枢纽工程大坝原有强震监测台阵已不能使用，在原址重新布设强震监测台阵，即在大坝上选择1个最高断面和1个自由场测点为主要监测目标。断面的桩号为0+142.30 m。自由场测点选在大坝下游距离坝趾约100 m处。在最高断面的下游坝坡上，选坝顶、1/2坝高和坝趾3个测点，在溢洪道、右岸坝肩及自由场各布设1个测点，共6个测点。每个测点安装1台三向一体式加速度传感器，每台加速度传感器配1台强震仪，加速度传感器固定在测点墩上，用保护罩加以保护。强震采集仪安装在左岸监测房内，通过强震仪之间的组网进行自动监测地震动力加速度变化的瞬间过程。强震采集工作站安装在位于厂区办公楼的监测管理站内，通过通信光缆及以太网光端机完成强震监测网络的构建。

4.库区环境量监测

根据规范SL 551—2012的规定，本工程建筑物级别为Ⅱ级，必须进行降水量、气温等气象因子的监测。为满足后期数据整编分析对环境量的需要，小型气象站的环境量监测数据应能及时传输到大坝监测数据库系统中，因此需要采用自动化监测。

设计拟在满拉水利枢纽坝上设置1套一体式小型自动气象站，测量要素有降水、风速、风向、温度、湿度。小型气象站设计安装在#1监测站屋顶（左坝头），数据采集软件安装在监测管理站内的数据采集工作站上，通过采集网络的通信光缆实现环境量监测数据的实时采集与存储。

五、工程安全监测自动化系统

1.监测站设置

满拉水利枢纽工程大坝共设3座监测站，分别位于大坝左岸、进水口闸室及施工支洞出口，编号分别为#1、#2、#3，#1监测站同时为强震监测站。监测管理站设置在厂区办公楼内，监测管理中心站设置在江孜县满拉水利枢纽管理局办公楼内的会商中心。

#1监测站接入传感器34支，#2监测站接入传感器35支，#3监测站接入传感器81支。这些传感器均可采用多功能型DAU实现自动化数据采集，按标准32通道DAU需要7台（见图1）。

2.自动化采集网络构建

满拉水利枢纽工程大坝安全监测自动化系统的采集网络设计采用基于RS-485通信协议的控制网络，网络覆盖3个监测站和1个监测管理站。由于监测站分布范围较广，设计采用光缆作为通信介质布设安全监测自动化系统的采集网络。为保证通信的可靠性，采集网络设计为双环自愈型，光缆类型要求为铠装聚乙烯护层通信用室外8芯光缆。

3.强震监测网络构建

满拉水利枢纽工程大坝强震监测网络设计采用基于TCP/IP通信协议的以太网络，网络覆盖#1监测站、#2监测站及现场办公楼内的监测管理站。设计采用光缆作为通信介质布设强震监测网络。

图1 自动化采集网络结构拓扑图

图2 强震监测网络拓扑结构图

图3 自动化系统功能结构图

坝顶中间、1/2坝高、坝趾及自由场的强震传感器通过强震专用电缆接入安装在#1监测站内的强震监测仪内，坝顶右岸及溢洪道的强震传感器通过强震专用电缆接入安装在#2监测站内的强震监测仪内。2个监测站内的强震监测仪通过光缆与监测管理站内的强震采集服务器相连，完成强震的数据采集及存储（见图2）。

4.自动化监测系统集成

现场监测管理站设置厂区办公楼内，并安装1台数据采集工作站。在江孜县满拉水利枢纽管理局办公楼设立监测管理中心站 （与水情会商中心共用），安装1台服务器及1台远程数据采集与分析工作站（见图3）。监测管理站内的数据采集工作站通过电厂控制光缆将自动化采集网络接入江孜县满拉水利枢纽管理局办公楼内监测管理中心站的管理网络中。由安装在现场监测管理站的数据采集工作站完成现场实时自动化数据采集工作，由安装在监测管理中心站的远程数据采集及分析工作站完成远程控制数据采集与数据管理分析工作。

5.安全监测自动化系统软件

满拉水利枢纽工程大坝安全监测自动化软件系统是一个基于自动化数据采集网络、计算机管理网络系统、分布式关系数据库、数学物理模型方法为基础的，为满拉水利枢纽工程大坝安全运行服务的监测系统。系统应具有先进性、可靠性、实用性、易用性、可扩充性及兼容性等特征。

系统主要由以下子系统组成：

数据库子系统：主要由原始数据库、整编数据库、分析数据库、系统配置库、模型库、方法库、工程资料库等组成。

数据采集子系统：由人工监测数据输入模块、自动化数据采集模块、远程控制数据采集模块组成。

数据管理分析子系统：包含综合信息管理及分析程序。

数据库子系统是整个软件系统的核心，为其他子系统提供底层数据服务支持。

[1]中水东北勘测设计研究有限责任公司.西藏满拉水利枢纽工程初步设计报告[R].

[2]中水东北勘测设计研究有限责任公司.西藏满拉水利枢纽工程大坝安全监测系统改造设计报告[R].2013.