水电站大坝自动化安全监测系统设计研究

蒋贤忠

摘  要：伴随城建事业的兴盛、市场经济的繁荣，各行业领域发展速度显著加快，对电能资源的依赖性也明显提升，作为发电中坚力量，“十三五”时期我国水电装机容量已经达到了3.8亿千瓦，约为电力行业节省3.75亿吨标煤支出，对供能维稳作出了巨大贡献。本文聚焦水电站大坝安全监测问题，引进贵州黄花寨水电站自动化安全监测系统设计、建造实例，对其施工、调试要点进行了展开论述。

关键词：水电站大坝;安全监测系统;自动化设计

前言：水电站是电力供能体系中不可或缺的部分，能够有效缓解传统火力发电负担，为区域产业振兴提供基础能源支撑。当前伴随水电开发、建设事业的兴盛，大坝安全性、可靠性问题开始进入研究视域，传统监测方式分散性特征明显，需要投入大量的人力、物力资源，标准化、集成化管理难度较大，数据准确性与实时性也难以保障，因此有必要从自动化角度出发，对安全监测系统进行优化设计与改造。

1项目背景概况

黄花寨水电站位于蒙江干流格凸河上，属黔南自治州长顺县墩操乡，距离蒙江干流格凸河与支流涟江汇口位置（双河口）18km，是蒙江流域格凸河干流上的第三个梯级电站。枢纽建筑物由拦河坝、放空兼冲沙底孔、发电取水口、引水隧洞、压力钢管、发电厂房等建筑物组成。大坝为碾压砼双曲拱坝，坝顶宽6m，最大坝高110.0m，最大坝底宽26.5m，水库正常蓄水位795.5m，死水位770m，总库容1.748亿m3。发电厂房为地面岸边式，装机容量2×27MW，保证出力12.96MW，年发电量2.216亿kW·h，工程为Ⅱ等大（2）型。

2系统设计与施工要点

2.1监测设备安装

2.1.1垂线坐标仪施工

大坝共布设1条正倒垂线用于监测大坝倾斜变形，倒垂IP1位于712观测房内，作为工作基点。正垂线共布设3个测点，分别位于770廊道PL1、735廊道PL2-1、712廊道PL2-2。原有电测设备均失效已拆除，主要通过人工观测方法获取大坝倾斜位移。此次改造拆除原有人工观测基座，安装智能电容式垂线坐标仪接入自动化，并布设人工比测装置。正视施工环节，要首先对仪器支架进行坐标、方向定位，确认位置正确、水平度良好后，采用螺栓连接方式固定坐标仪，并通过电缆芯线与采集单元相连接，电缆头要保证焊接牢固，防止牵引过程中出现脱落、损坏。接着在人工读数底板、支撑架长孔的帮助下，调节好仪器、垂线的相对位置[1]，优化底板水平度，用M8螺栓固紧即可。安装操作完成后，还应进行垂线复位测试，防止异常扰动对垂线精准度造成不良影响，测试方法为：在垂线未扰动状态下读取原始参数，然后沿着上下游或左、右岸的方向轻轻推动，距离控制在10mm即可，等待垂线稳定后记录读数和时间。经过测试，本项目中垂线复位时间、复位差均在合格范围之内，可以满足运行标准要求。

2.1.2渗压计施工

本次改造在大坝712廊道内钻孔增加5支扬压力测压管，孔深22m与原测压管P11和P12共同监测大坝坝基扬压力。扬压力测压管内安装渗压计，接入自动化监测在线系统，同时在测压管管口安装压力表进行人工比测。735灌浆平洞内钻孔增加布设2支测压管P13和P14，孔深15m，测压管内安装渗压计，接入自动化监测在线系统，同时在测压管管口安装压力表进行人工比测。坝顶左右岸平洞在原有绕坝测压管内安装2支渗压计，接入自动化监测在线系统，观测大坝绕坝渗流。实践安装环节，首先要立足工程需要，设定合理的直径、孔深，钻孔完成后，及时采用压力风水进行冲洗，促进岩屑、泥沙的排出，重复操作直至回水变清10min后方可停止，送入压缩空气帮助排水[2]。

其次还应关注扬压力测压管的制作工序，测压管本身可分为进水管、导管两个部分，本次工程主要采用了DN50镀锌钢材质，壁厚为4.6mm，透水孔开孔率为18%，孔径设定为5至6mm，整体以梅花形分布。埋设环节使用鹅卵石垫层对钻孔底部进行预处理，粒径控制在5至8mm，厚度为30cm，严格保证密实程度，将测压管放入孔内后，进水管段应当位于垫层上方，周围填筑洗净砂石，确保密实后回填M10水泥砂浆，高度与管口平齐，接着安装渗压计、孔口附件，引出电缆即可。安装完成之后要及时开展泄压试验，打开水龙头后，观测压力表是否能迅速归零，关闭后又是否能在15min内恢复状态，若24h之后，所有压力表均回复至泄压前刻度，则说明压控灵敏性较高。

2.1.3量水堰计施工

大坝量水堰（2个）分别布置在▽712.76m左右岸帷幕廊道出口，采用人工观测堰上水头计算大坝渗漏量。本次改造重新整治堰體，定制堰板，同时安装量水堰计，接入自动化监测在线系统，自动观测计算大坝渗漏量。此外在冲砂底孔两边增设两套量水堰，监测坝体渗流。对渗漏量进行分析后，采用了不锈钢材质的直角三角形堰板，厚度控制在5mm以上，土建施工环节堰板要与水流方向保持垂直，顶部则与侧墙保持铅直[3]，在堰口上游适当位置安装量水堰传感器，注意做好连接电缆的绝缘、防潮处理。

2.2数据采集系统设计

黄花寨水电站自动监测在线系统共建设四个测站和一个管理中心站，分别在712m高程观测房，735m高程观测房，770m高程观测房建设三个观测站，此外，在大坝坝顶左岸观测平洞建立一个测站用于观测绕坝渗流，DAU 2000型采集单元分散布置于这些观测站之中，由采集模块、电源、防雷部件等共同组成，可以较好地完成渗流、渗压动态监测，分布式的数据采集、存储路径，还可以进一步预防节点故障引发的连锁效应，采集速度、可靠性均有较高保障。

除数据采集单元以外，系统中还配备了监控主机设备，以总线拓扑结构与各单元建立连接，同时支持远程网络接入。数据库则主要安装于采集服务器之中，使用SQL SERVER 2012软件，结合实际使用需求，创建了模块信息、测点信息、测点布置图等单元，可以通过备份、还原操作，与移动工作站实现数据互联。根据DL/T 5211-2019相关要求，通信设计环节应当支持双向传输、并适当采用冗余设计，因此引入4芯单模光纤，其中2条作为通信通道，其余2条则作为备用通道，外部包覆PE管进行防护。各采集单元主要采用串联方式从坝顶配电室取电，厂房中控采集计算机、各服务器则从中控室取电，电缆敷设时要做好质量控制，严禁出现芯线外露、接触不良等问题。

3系统调试与维护

在系统调试环节，重点关注了软硬件运行状态、工作性能，并对各观测点测值准确性进行了比较试验，测试方法如下：

设某时刻的自动化测值为X自，人工测值为X人，两者差值 ，两者方差 则可表示为 ，（其中 为自动化测值精度， 为人工测值精度）。

对于差阻式仪器，电阻比自动化精度 ，人工测值精度 =1，则有 ，当 成立时，即说明合格;电阻和自动化精度 Ω，人工测值精度 Ω，则 Ω，当 Ω时，即说明合格。

对于振弦式仪器，频率自动化精度 Hz，人工测值精

对现场97个测点进行调试测验后，发现整体符合建设标准，仅T79号温度计出现绝缘不合格情况，建议人工跟踪观测。此外，现场还依据DL/T 5211-2019标准，对系统可靠性进行了分析计算，发现试验期内平均无故障时间远超设定标准，数据缺失率为0，可以满足自动化安全监测需求。

结论：综上所述，大坝是水电站中不可或缺的建筑类型，具有防洪、蓄水等众多功能，其自身安全情况直接关系着电站运行效率，影响着区域经济发展。相关部门应当正视大坝自动化安全监测系统的强大价值功能，从实践出发做好设备选型，加强垂线坐标仪、渗压计等设备的安装施工，合理设计数据采集系统，在设备、采集单元的通力配合下，实现水电站大坝的自动化、集成化管理，提升其安全性能。

参考文献：

[1]沈定斌，罗正英，黄会宝.大坝安全监测设备状态监控研究与实践[J].大坝与安全，2019（05）：16-19+23.

[2]夏代雄，桑兴旭.水电站集群式大坝安全监测管理模式探索与实践[J].大坝与安全，2019（02）：47-50.

[3]任利江，郭永禧.论水电站大坝安全监测现状及其自动化动态[J].工程技术研究，2018（15）：151-152.