浅谈下坂地水库大坝安全监测系统改造

苏来曼·司衣提

（新疆下坂地水利枢纽工程建设管理局，新疆 喀什 844000）

1 工程总体概述

下坂地水利枢纽工程位于新疆塔什库尔干河中下游，为生态补水及春旱供水再结合水力发电的综合性工程。该工程拦河大坝为沥青混凝土心墙砂砾石坝，坝顶高程2 966m，最大坝高78m，总库容8.67亿m3。导流泄洪洞采用表孔侧槽溢洪洞和底孔导流泄洪洞两洞合一的布置型式，总长1.428km，引水发电洞全长4.68km，电站厂房位于坝址下游7.5km处，电站装机150MW（3×50MW）。主体工程于2005年7月开工，2010年元月初次下闸蓄水，2010年6月电厂首台机组并网发电，2011年7月大坝工程全面完成，2020年12月完成竣工验收工作。

2 大坝原监测系统存在的突出问题

（1）系统在各建筑物布置的测量单元均只有局部总线连接或纯粹只有单点运行。日常监测采集依靠人工到每台设备跟前，逐台人工读取下载数据。监测采集工作量巨大，并且效率非常低。

（2）仪器设备经过十几年的使用，特别是自动化设备如数据采集单元、电源模块故障损坏率非常高，基础廊道因环境极其潮湿，导致所有的数据采集单元全部被水浸泡，仪器箱锈蚀严重。

（3）部分传感器还未接入到自动化采集设备中，如绕坝渗流监测中左右岸共计8个测压孔监测仪器以及4只渗压计未接入到自动化系统中。

3 大坝安全监测系统改造前的准备工作

3.1 安全监测系统布置

该工程安装的各种监测仪器设备类型多、数量大，主要分布于大坝、导流泄洪洞、引水发电洞、三岔口以及基础廊道内。本文主要介绍大坝安全监测布置、运行及改造升级情况。

大坝安全监测项目主要有：坝面垂直位移、水平位移、坝体内部垂直位移、水平位移、坝基、绕坝的渗透流量、坝体内部土体的应变、防渗墙挠度、心墙温度、混凝土应力应变、钢筋应力监测等[1]。下坂地安全监测仪器以差阻式仪器为主，部分点位为器式仪器和钢弦式仪器。

（1）混凝土防渗墙安装埋设有应变计40支、无应力计3支、固定式测斜仪19支；

（2）坝轴线上、下游基础共埋设渗压计36支；

（3）心墙混凝土基座安装埋设9支单向应变计、2支无应力计、21支钢筋计；

（4）坝底廊道安装埋设15支应变计、5支无应力计、20支钢筋计；

（5）坝体内部埋设水管沉降仪14个，沉降管和测斜管共计14个；

（6）坝体外部设置7个表面变形控制网基准点7个。在坝顶坝上游侧设置12个外部变形观测墩，在大坝下游坝体表面设置48个外部变形观测墩；

（7）在左右岸坝肩防渗帷幕范围内各布置7根测压管，在大坝下游左岸哈姆勒提沟布置2根测压管；

（8）在沥青心墙埋设9支温度计。

3.2 大坝安全监测设备运行状况的鉴定

3.2.1 鉴定范围及鉴定依据

本次安全监测仪器鉴定的范围是所有内观监测仪器，主要对历史数据进行分析和已埋检测仪器的现场检测，对每支仪器给出了综合评价结果[2]。

3.2.2 历史数据评价

通过历史观测过程线的绘制，对仪器历史数据进行了评价，评价结果情况如下：

（1）差阻式仪器：共计评价差阻式仪器550个测点，其中可靠及基本可靠134个；不可靠50个；无法评判规律正确性的测点202个；由于缺少基准值，使计算成果不正确的测点29个；无点号或点号对应不上的测点9个；没有数据的测点17个；数据量少，无法核实施工期人工数据和自动化是否衔接正确以及测点编号是否对应正确的测点109个。

（2）钢弦式仪器：共计评价钢弦式仪器29个测点，其中无点号或点号对应不上的测点19个，数据量太少，暂不判定测点10个。

（3）电位器式仪器：共计评价电位器式仪器178个测点，其中基本可靠的24个，不可靠的5个，由于无参数和无计算成果，无法评判规律的正确性的测点86个；无点号的16个，无数据的测点30个；数据量过少或仅有施工数据的17个。

3.2.3 现场检测

现场检测评价是了解仪器当前工作状态的直接手段。采用测量仪表测读仪器各检测项。本次现场检测找到了766支仪器，主要包括差阻式仪器559支、钢弦式仪器29支和电位器式仪器178支（51套）。现场检测主要包括543支差阻式仪器、29支钢弦式仪器和51套电位器式仪器。

3.2.4 仪器综合评价

根据历史监测数据分析评价结果和现场检测评价结果，综合评价仪器工作状态。仪器的工作状态综合评价结论分为正常、基本正常、异常三个等级。

根据上述评价办法，本次鉴定工作共完成了766支仪器的检测、分析和评价。鉴定结果表明:由于大量仪器缺少基础资料或监测数据过少的原因，本次鉴定有554支仪器(占仪器总数的72.32%)暂不给出综合评价结论，需完善相关资料或继续观测一段时间后再做鉴定。目前只有151支仪器能确定是正常的(8.75%)和基本正常的(10.97%)，能够继续工作。异常仪器34支，占仪器总数的4.44%。

4 大坝安全监测系统的改造升级

4.1 总体思路

在系统现有基础上，依据下坂地水利枢纽工程安全监测需要，改造并完善自动化测量系统，在保持并利用已有的通讯网络与设备以及其他附属设施的情况下，仅对接入仪器的采集设备部分进行相应替换改造[3]。针对目前系统运行中通讯方面存在的不足，局部给予调整完善，使改造后的系统运行稳定通畅。采用最大程度利旧原则，将部分已经故障的南瑞的DAU，通过维修、调配等方式进行更换，不再单独采购新的设备[4]。集中力量优先解决最关心的问题，再不断完善。重点解决大坝廊道内自动化采集的改造与恢复，以及绕坝渗流所有测点均实现自动采集功能以及将整体坝区所有自动化监测设备组建一张统一的通信网络，以便后期的运行维护与管理[5]。

4.2 主要改造内容

（1）对大坝廊道安全监测数据采集设备进行改造。更换6台DAU设备箱以及机箱内部模块集成与端子接线恢复，新装3台监测立柜（内置加热除潮设备）。

（2）对坝后3套水平位移引张线进行检查修复，对4套水管式沉降仪进行检查修复，保证修复设备仪器达到正常运行状态。

（3）对绕坝渗流监测自动化进行改造。包括：新建8个渗压计的Lora无线采集终端、1个无线网关，实现绕坝渗流自动监测。

（4）为更加精确掌握廊道渗流量情况，在原廊道渗流量监测三角堰位置增加一套量水堰计与Lora无线采集终端，实现渗水量自动监测。

（5）配备一批二次仪表以及中心设备，包括：读数仪配套数据线和电池5套、电磁沉降仪2套（100米）、测斜管模拟探头1套、移动工作站2台、台式服务器1台。

（6）对所有自动化采集单元进行现场检测、调试，采集软件测点信息完善，大坝安全监测管理系统及数据库更新升级与技术培训。

（7）现地集控改造。将坝区所有监测数据采集点现场集控到左岸灌浆平洞。导流泄洪洞、三岔口、坝后绕坝渗流、坝后观测房、右岸洞口至左岸警卫室等部位的光纤链路敷设，包括光端机、光纤及辅材、穿线管等设备设施的安装调试；将坝区所有监测数据传输至水库管理处驻地，实现监测数据远程化管理。

4.3 通信组网

原系统基本没有建立统一的大坝通信网络，此次坝区各建筑物内的设备之间通信继续利用各部位内DAU设备箱之间的RS485通信链路，建筑部位之间用光纤或无线网桥进行组网通信，最终在整个坝区建立一张统一的通信网络。

三岔口和引水洞配电室以及引水发电洞3楼外侧平台各安装一套微波通信设备，将三岔口和导流洞所有采集设备信号利用无线网桥方式直接传到引水发电洞3楼集控室。

右岸洞口经过大坝铺设光纤，与3个坝后观测房以及警卫室内的采集设备信号，在警卫室汇集后全部转为光纤引至引水发电洞3楼集控室。同时，廊道内的3台监测立柜利用485总线连接后，转为光纤直接引至引水发电洞3楼集控室。

至此，整个大坝范围内的设备（除了利用无线Lora模块采集的8支渗压计和1支量水堰计）的所有信号，全部汇集至集控室。在集控室加装一套信号转换设备箱，作为信号汇集转换装置。内置电源模块1个、光纤转485模块（277）3个、串口服务器（TCP/IP转RS485）1个、光纤盒1个。集控室信号汇集及转换见图1。

图1 集控室信号汇集及转换示意图

集控室汇集坝区所有光纤及无线网桥传来的数据后，经过信号转换设备，利用原有光纤链路，将大坝坝区监测设备与水库管理处机房链路连通。绕坝渗流及廊道渗流量监测数据全部通过LoRa无线采集终端发送到GL3-GW无线网关，并通过移动互联网直接上传至云平台，可在云端进行数据查询与下载。最终实现在水库管理处对坝区所有监测仪器和设备进行远程数据采集与管理，见图2。

图2 下坂地安全监测自动化系统拓扑图

4.4 改造后运行情况

系统改造系统投入运用后，各项新安装、改造、升级的设备运行情况正常，采集数据准确无误、通讯模块通信正常，整体运行良好，能够方便、迅速、准确、连续监测大坝的实时运行数据，坝体变形、坝基开合度、扬压力、绕坝渗流、渗漏量的观测数据和历史资料接近，分析成果可靠，整个系统的先进性、可靠性、适用性已经显示出来。维护人员每日远程登录安全监测管理系统及云平台，查看数据接收情况及设备运行情况，发现设备出现异常，及时对设备进行必要的维护，并反映给项目承建单位。

5 结语

本工程监测系统改造由于采用了先进的数据通讯方式和高可靠性的数据采集设备，通讯网络的畅通率高、采集设备运行稳定，切实保证了数据的可靠性，减少了过去运行管理人员去现场采集数据工作量，最大地减轻了运行管理人员的工作强度，提高了人员工作效率。系统建设过程中按相关规范要求进行施工及仪器设备安装调试，系统试运行期间运行状况良好，各项功能指标完全满足规范要求。下坂地水库大坝安全监测改造后，对水库运营管理和发展起到了积极的促进作用，使水库管理工作实现信息化、数字化。□