水利水电工程中的大坝工程安全监测改造分析

郑志成

（南瑞集团（国网电力科学研究院）有限公司，江苏 南京 211000）

1 电站概况及改造前大坝监测系统概况

古田溪四级（宝湖）水电站位于福建省古田县境内，坝址以上流域面积为1799 km2，区间流域面积为25 km2，多年平均流量为60 m3/s，总库容为840万m3，属于日调节水库；电站装机2台，总装机容量4.2×104kW，多年平均发电量0.98×108kW·h。主要建筑物包括拦河大坝、溢洪道、坝后厂房、进水口、引水管道及开关站等。整个坝体由13个坝段组成，从右岸到左岸依次编号为1#～13#，其中位于河床部位的4个坝段（4#～7#）为溢流坝段（有闸门控制的溢洪道），8#、9#坝段为引水坝段，10#坝段为腹孔坝段，其它为挡水坝段，坝段宽10.0 m～17.5 m，始建于1965年7月，1970年4月22日封孔蓄水。

四级大坝监测系统设有水平位移、垂直位移、扬压力、坝体坝基总渗漏水等监测项目。2004年，古田溪水力发电厂对四级大坝进行监测系统更新改造，自动化监测系统于2005年3月正式投入运行。但是由于当时我国大坝监测自动化系统改造刚起步，自动化监测设备和仪器处在研发试验阶段，安装投运后，整个系统故障频繁，可靠性差，监测数据误差较大，电站随后在运行过程中进行了多次维护和改进，仍然无法满足当下的监测任务。

2 大坝安全监测系统改造结构及功能

在2014年，对该监测系统的采集仪器、控制单元、系统软件及附属设施进行了全面改造，包括：旧系统拆除及配套土建施工；在坝顶、中层廊道以及基础廊道共计安装19台电容式正、倒垂坐标仪；坝顶安装14台电容式静力水准仪；坝顶安装2套电容式双金属管标仪、4台电容式引张线仪及引张线测点箱以及1支气温计；基础廊道安装11支渗压计、1支量水堰计；在中控室安装1台服务器，1台采集计算机，安装数据采集软件和数据库系统。

改造后的大坝安全监测系统兼有监测功能、操作功能、掉电保护功能、数据通信功能、网络安全防护功能、远程操作功能、自检（自诊断）和报警功能、人工补测和比测功能，从而实现各仪器的自动化监测采集与控制。

3 改造内容及方法

3.1 垂线系统

古田溪四级大坝共布置了7条倒垂线（共8个测点）和9条正垂线（共11个测点）。本次改造采用的是RZ-S型智能电容式垂线坐标仪，对正垂、倒垂全部测点进行了更新改造，共计安装19台智能电容式垂线坐标仪。IP5布置2个测点，其中IP5-1测点引张线仪位于9#坝段，IP5-2垂线测点引张线仪位于10#坝段。

3.2 静力水准仪

大坝共计3条静力水准垂直位移观测系统，共计安装14套智能电容式静力水准仪。其中左岸静力水准垂直位移观测系统7套，右岸静力水准垂直位移观测系统4套，溢流坝段静力水准垂直位移观测系统3套。见图1。

图1 静力水准安装底板安装示意图

3.3 双金属标位移计

安装2套双金属标仪，分别在坝顶左、右岸坝头各布置1套双金属管标仪。其中SG1作为右岸坝段坝顶静力水准（JL1～JL4）的基准点，SG2作为左岸坝段坝顶静力水准（JL7～JL13）的基准点。用螺栓将双金属标位移计固定在安装底板上，仪器安装调水平。调整初始位置；将仪器电缆接入安装在现场的测量控制单元，并开始自动化测量或用NDA1711读数仪测量；双金属标位移计纳入自动化系统进行监测。

3.4 引张线

古田溪四级大坝布置有2条引张线，4个测点。本次改造安装4台引张线仪。

Ⅰ号引张线（EX1）位于1#～4#坝段坝顶，其中1#、4#坝段为基点，2#、3# 坝段为测点（EX1－1、EX1－2）。

Ⅱ号引张线（EX2）位于5#～8#坝段基础廊道内，其中5#、8# 坝段为基点，6#、7# 坝段为测点（EX2－1、EX2－2）。

3.5 量水堰仪

古田溪四级大坝坝体及坝基安装一台量水堰仪，布置在7#～8#宽缝坝段之间的排水沟，监测大坝坝体及坝基总渗流量。

量水堰的堰板采用厚度≥6 mm的不锈钢板制作。过水堰口下游侧切削成45°坡口，堰板直立且与水流方向垂直，堰板为平面，局部不平处不大于±3 mm。土建施工时即将安装底座按要求埋入，调平。待混凝土固化后，将量水堰水位计安装在底座上，用水管接通堰上水位，调整初始位置之后，用水准调平仪器。

3.6 渗压计埋设

古田溪四级大坝坝基扬压力观测孔共11个，主要布置在3#坝段（3#测孔）、4#坝段（7#测孔）、5#坝段（13#测孔）、6#坝段（渗 1孔～渗 4孔）、7#坝段（10#测孔）、8#坝段（14#测孔）、9#坝段（16#测孔）以及11#坝段（22#测孔）的基础灌浆廊道内。其中，6#坝段为全断面观测，渗1距帷幕2.5 m，渗2距帷幕7.0 m，渗3距帷幕16.0 m，渗4距帷幕25 m。

本次改造更换渗压计11支并改造管口装置，为保证安装的可行性以及效果，提前对观测口进行了检查，包括现在孔深、孔口高程、前期钻孔资料、原始人工测量数据等；对于常年有压的测点，根据设计的要求将渗压计安装在测压管管口或测压管内。对于无压或时有压时无压的测点，渗压计安装在测压管内最低水位以下约1 m的位置。

3.7 DAU2000数据采集装置及采集模块

DAU2000采集装置安装见图2。

图2 DAU2000采集装置安装图

将DAU箱附件中的4组地脚片和螺母按说明分别固定到DAU的4个安装孔上，拧紧螺丝，保证地脚片竖向垂直于DAU箱边线；结合水平尺和卷尺，在墙面上对DAU箱安装孔进行定位，选取Φ12 mm的钻头进行打孔，打孔时要保证钻头垂直进入墙面；将Φ8 mm的膨胀螺栓安装至地脚片固定孔处，抬起DAU箱，将膨胀螺栓对准已经打好的墙面安装孔，将膨胀螺栓打入孔内并拧紧。

采集模块用铜螺柱将内层模块固定到DAU箱中的固定螺杆上，再用专用螺丝将外层模块固定到铜螺柱上。（单模块的直接用螺丝固定到DAU箱中的固定螺杆上。）

3.8 保护管敷设及电缆连接

为确保总线线路安全和系统长期稳定性，电缆敷设采用钢管保护，敷设后的电缆按照各仪器约定连接方式连接，施工中采用气烙铁进行接头的镀锡焊接，并用热缩套管、电工绝缘胶带和封口胶对接头进行防水密封绝缘处理，确保各仪器电缆的正常使用。

为方便仪器的更改和后期维修工作，所有观测仪器电缆在其埋设点附近都预留一定的长度，电缆牵引方向尽量垂直或平行于混凝土面，以满足美观大方的要求。监测仪器至监测站的敷设过程中尽可能少地出现电缆接头，以提高观测精度。在监测仪器引线进行必要的连接、套接和安放前后，对监测仪器均进行有效的测试，对比前后测值同时对仪器电缆也进行了通电测试，以保证仪器的接线安放后的正常运行。

4 运行期系统修正及评价

试运行期对大坝监测系统的出现了部分问题并且进行了修正。

4.1 渗压计公式

渗压计UP7，实际测压孔孔口高程为73.064 m,自动化系统中计算用值录入有误，进行修正，见表1。

表1 修正表

4.2 引张线公式

对自动化系统中的引张线监测系统中EX1-2和EX2-2水平位移的计算公式进行了改正。

原计算公式为：

更正后计算公式为：

垂线公式

PL5-1、PL6-1两个个测点在计算X方向绝对位移时与引张线关联，由于引张线计算公式进行了更正，相应PL5-1、PL6-1两个个测点在X方向绝对位移也进行了更正；对PL9-1和PL11-1的计算公式颠倒问题进行更正。对PL9-1和PL11-1的计算公式颠倒问题进行了更正。

原计算公式为：

更正后计算公式为：

4.3 关于新系统垂线位置关系系数K取值的问题

倒垂线和正垂线相对位移计算公式：

式中：K为位置关系系数（其值为1或-1），与正垂观测墩布置位置（方向）和垂线坐标仪的标尺方向有关；kx为垂线坐标仪X方向灵敏度系数，mm/电容比；ky为垂线坐标仪Y方向灵敏度系数，mm/电容比。

自动化系统的公式为：

k为合并了位置关系系数和电容比，实则k=Kkx或k=Kky。

系统自投入试运行，从仪器测量结果及系统设备运行情况看，总体上运行良好。系统具有稳定性好、采集速度快、实时性强等优点，系统的功能和性能满足自动化规范要求，系统的监测精度基本满足《混凝土大坝安全监测技术规范》和《大坝安全自动监测系统设备基本技术条件》要求，实测资料基本稳定可靠，绝大部分测值变化符合实际，基本达到古田溪四级大坝安全监测系统改造的目的。

5 结论

大坝的监测系统运行情况直接关系到大坝的工作状态和安全运行。大坝安全监测系统的改造想要达到预期效果，前期一定要明确好改造的的目标以及需要改造的项目。古田溪四级（宝湖）水电站大坝是运行四十多年的老电站，本次成功改造大坝自动化安全监测系统，将为运行多年的老电站和早期的大坝安全监测系统的改造提供借鉴。