宋明富

（二灘水力發(fā)電廠，四川攀枝花617000）

0 引言

二灘水電站位于四川省攀枝花市境內(nèi)的雅礱江下游河段二灘峽谷區(qū)域，系雅礱江水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)的第一期工程。電站總裝機(jī)容量330萬(wàn)kW，年發(fā)電量170億kW·h。電站于1999年12月建成投產(chǎn)，是我國(guó)20世紀(jì)建成的最大水電站。樞紐主要建筑物有擋水建筑物、泄洪消能建筑物、引水建筑物及地下廠房等。

二灘大壩為混凝土雙曲拱壩，最大壩高240.0 m，壩頂高程1205.0 m，壩頂全長(zhǎng)774.69 m，壩頂寬11.0 m，壩底最大寬度55.7 m。大壩共分39個(gè)壩段，每壩段寬約20 m，不設(shè)縱縫。壩體設(shè)7個(gè)泄洪表孔、6個(gè)泄洪中孔和4個(gè)泄洪底孔，右岸布置兩條高13.5 m、寬13 m的泄洪洞。消能防沖建筑物包括水墊塘和二道壩及二道壩下游護(hù)坦。水墊塘全長(zhǎng)300 m，采用復(fù)式梯形斷面，水墊塘底板和邊墻護(hù)坦板塊周邊設(shè)止水，同時(shí)在底板下設(shè)排水暗溝和排水廊道。

1 二灘大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本情況

根據(jù)規(guī)范要求，為掌握水工建筑物在施工期和運(yùn)行期的工作性態(tài)，在大壩、近壩區(qū)工程邊坡及金龍山谷坡布置了一系列監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，以達(dá)到驗(yàn)證設(shè)計(jì)、指導(dǎo)施工和安全監(jiān)測(cè)的目的。二灘大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循以工程安全監(jiān)測(cè)為主，儀器少而精，一種儀器多用途，重點(diǎn)部位多方法監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)內(nèi)容相互檢查校核的布置原則。

1.1 主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

二灘大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括環(huán)境量、變形觀測(cè)、滲流滲壓觀測(cè)、內(nèi)部觀測(cè)、強(qiáng)震動(dòng)、水力學(xué)等方面共26類(lèi)，總測(cè)點(diǎn)數(shù)達(dá)到1000個(gè)以上。

變形觀測(cè)由外部變形觀測(cè)網(wǎng)、正倒垂線、引張線、伸縮儀、水準(zhǔn)點(diǎn)、靜力水準(zhǔn)儀、傾斜儀、傾角儀、基礎(chǔ)變位（多點(diǎn)位移計(jì)、基巖測(cè)縫計(jì)）、接縫開(kāi)合度等組成。滲流滲壓觀測(cè)由壩基滲壓觀測(cè)（滲壓計(jì)）、滲漏量（量水堰）、繞壩滲流孔、水質(zhì)分析等項(xiàng)目組成。內(nèi)部觀測(cè)項(xiàng)目有溫度、混凝土應(yīng)力應(yīng)變、鋼筋應(yīng)力、錨索應(yīng)力等。環(huán)境量觀測(cè)項(xiàng)目包括氣溫、降雨、水位、水庫(kù)水溫、水庫(kù)泥沙淤積和下游河床沖淤測(cè)量等。

除大壩強(qiáng)震觀測(cè)、水墊塘及壩身泄洪振動(dòng)觀測(cè)采用獨(dú)立的自動(dòng)化系統(tǒng)，部分專(zhuān)業(yè)性較強(qiáng)、投入較大的工作如外部變形觀測(cè)網(wǎng)、水質(zhì)分析、水庫(kù)水溫觀測(cè)、水庫(kù)泥沙淤積和下游河床沖淤測(cè)量等工作采用委托方式外，其余監(jiān)測(cè)項(xiàng)目均采用自動(dòng)化觀測(cè)或人工測(cè)讀的方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集和管理。

1.2 大壩監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)基本情況

1998年，根據(jù)大壩施工進(jìn)度和監(jiān)測(cè)儀器埋設(shè)安裝情況，開(kāi)始進(jìn)行大壩監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的安裝調(diào)試工作，并在1999年投入正常使用。系統(tǒng)采用Geo?mation 2380數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)采集裝置、總線通訊網(wǎng)絡(luò)及采集計(jì)算機(jī)等組成。系統(tǒng)為分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在大壩各高程水平廊道觀測(cè)室內(nèi)設(shè)置11個(gè)觀測(cè)站24臺(tái)數(shù)據(jù)采集裝置，每個(gè)數(shù)據(jù)采集裝置可同時(shí)接入4芯電纜儀器40支。接入監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的傳感器約800支，超過(guò)儀器總量的75%，主要包括垂線坐標(biāo)儀、多點(diǎn)位移計(jì)、伸縮儀、滲壓計(jì)、溫度計(jì)、應(yīng)力應(yīng)變等。

1.3 大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行情況

自二灘水電站運(yùn)行以來(lái)，根據(jù)監(jiān)測(cè)工作和電站運(yùn)行管理需要，為了提高監(jiān)測(cè)儀器的自動(dòng)化程度，確保監(jiān)測(cè)設(shè)備、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定可靠，二灘大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)先后進(jìn)行了大量的專(zhuān)項(xiàng)改造。如垂線坐標(biāo)儀、引張線、靜力水準(zhǔn)儀等監(jiān)測(cè)儀器更換，繞壩滲流孔自動(dòng)化改造，左右岸導(dǎo)流洞堵頭監(jiān)測(cè)儀器通訊方式改造，大壩監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)光纖通訊改造，大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電電源改造等。

經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行，大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)取得了大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為分析和評(píng)價(jià)大壩安全狀況打下了良好基礎(chǔ)。但是，二灘大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也存在著大量問(wèn)題，無(wú)法滿(mǎn)足新型電站管理模式對(duì)安全監(jiān)測(cè)工作的要求。一是監(jiān)測(cè)設(shè)施方面，如氣象觀測(cè)、滲流量觀測(cè)、繞壩滲流孔等由于分布較為分散，采用人工采集方法極大地增加了作業(yè)工作量和作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)；部分垂線坐標(biāo)儀無(wú)法接入自動(dòng)化采集系統(tǒng)；自動(dòng)化采集設(shè)備故障率高，進(jìn)口設(shè)備維護(hù)費(fèi)用高，采購(gòu)周期長(zhǎng)等。二是自動(dòng)化采集系統(tǒng)方面，存在自動(dòng)化采集數(shù)據(jù)缺失率高、測(cè)量信息查詢(xún)不完善等問(wèn)題。

2 監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)改造情況

2008年，經(jīng)過(guò)多次調(diào)研和反復(fù)論證，在堅(jiān)持“實(shí)用、可靠、先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)”的原則下，確定了二灘大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改造的主要內(nèi)容，并于2009年全部完成二灘大壩監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)和信息管理系統(tǒng)的改造工作。

2.1 監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備改造

2.1.1 垂線坐標(biāo)儀更換

垂線是二灘大壩變形觀測(cè)的重要設(shè)施，共在不同壩段布設(shè)了5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，并采用分段設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)方式，分別安裝了20臺(tái)垂線坐標(biāo)儀和人工讀數(shù)盤(pán)進(jìn)行自動(dòng)化觀測(cè)和人工比測(cè)。此次垂線坐標(biāo)儀更換時(shí)保留部分原有觀測(cè)情況良好的垂線坐標(biāo)儀，更換并安裝了10臺(tái)南瑞NGDZ-50型垂線坐標(biāo)儀，在個(gè)別部位同時(shí)采用2種不同型號(hào)的垂線坐標(biāo)儀進(jìn)行相互驗(yàn)證。

2.1.2 倒垂線浮體裝置更換

二灘大壩原有8條倒垂線的浮體裝置較小，浮力不滿(mǎn)足規(guī)范相應(yīng)要求，改造中對(duì)其進(jìn)行了全部更換，改造后倒垂線浮力計(jì)算結(jié)果和線體復(fù)位時(shí)間滿(mǎn)足要求。

2.1.3 繞壩滲流孔滲壓計(jì)安裝

二灘大壩在下游左右岸抗力體邊坡、水墊塘和二道壩共設(shè)置了43個(gè)繞壩滲流孔，設(shè)計(jì)采用人工測(cè)讀方式，運(yùn)行初期進(jìn)行了部分自動(dòng)化改造。由于受降雨和壩身泄洪影響，汛期無(wú)法觀測(cè)。本次改造將在人工測(cè)讀孔安裝滲壓計(jì)并將全部繞壩滲流孔滲壓計(jì)引入自動(dòng)化采集單元，傳感器電纜走線考慮了泄洪影響和防雷措施。繞壩滲流孔滲壓計(jì)統(tǒng)一采用Rectest公司生產(chǎn)的PWS型滲壓計(jì)，量程根據(jù)孔深和歷史測(cè)量資料選用0.75 MPa和0.35 MPa兩種。

2.1.4 量水堰流量計(jì)安裝

為監(jiān)測(cè)壩肩、壩后排水平洞、水墊塘底部廊道和二道壩的滲流量變化，在各部位安裝了31個(gè)量水堰，均安裝不銹鋼尺進(jìn)行堰上水頭的人工測(cè)讀。此次改造將在全部滲流量控制部位的量水堰安裝流量計(jì)并接入自動(dòng)化采集單元，并在重點(diǎn)部位采用不同廠家的流量計(jì)進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)，共安裝了45臺(tái)量水堰流量計(jì)。

2.1.5 近壩區(qū)氣象觀測(cè)設(shè)施更換

原采用的氣象儀無(wú)法接入現(xiàn)有自動(dòng)化采集單元，新采購(gòu)了氣溫傳感器和配套百葉箱、降雨量傳感器，并安裝獨(dú)立的自動(dòng)化采集單元后通過(guò)光纖接入采集計(jì)算機(jī)。

2.2 自動(dòng)化采集系統(tǒng)安裝調(diào)試

二灘大壩采用了振弦式、電容式、電感式和數(shù)字等多種類(lèi)型監(jiān)測(cè)傳感器，為便于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集和管理，進(jìn)一步提高自動(dòng)化采集單元的運(yùn)行穩(wěn)定性，降低設(shè)備運(yùn)行維護(hù)成本，此次改造采用南瑞公司生產(chǎn)的DAU2000自動(dòng)化采集單元和相應(yīng)采集模塊對(duì)大壩所有自動(dòng)化采集設(shè)備進(jìn)行了更換，共使用28個(gè)DAU2000自動(dòng)化采集單元和55塊不同類(lèi)型的NDA模塊。

每個(gè)DAU2000自動(dòng)化采集單元均由電源模塊、加熱器和輸入輸出接線端子等組成，接地端接入大壩接地系統(tǒng)。DAU2000供電電源由觀測(cè)室內(nèi)配電箱引專(zhuān)線接入，并設(shè)有完善的直流供電系統(tǒng)，可保證系統(tǒng)交流斷電7 d以上的數(shù)據(jù)測(cè)量工作。DAU2000自動(dòng)化采集單元能根據(jù)不同類(lèi)型傳感器配置相應(yīng)采集模塊，各模塊間相互獨(dú)立，便于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分布式采集、集中化管理。

本次改造仍保留原有的2種通信方式，一種為總線方式，采用2芯雙絞線進(jìn)行RS485數(shù)據(jù)通訊傳輸，通訊線接入各自動(dòng)化采集單元的通信端口；另一種為光纖通訊方式，通過(guò)自動(dòng)化采集單元通訊端口與光端機(jī)連接，采用雙環(huán)路自愈光纜進(jìn)行通信。經(jīng)調(diào)試，兩種通信方式可互為備用，滿(mǎn)足大壩監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)通信要求。

2.3 監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)基本情況

為滿(mǎn)足數(shù)據(jù)采集、信息管理要求，二灘大壩監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)共配置了1臺(tái)服務(wù)器和4臺(tái)客戶(hù)機(jī)，并與大壩強(qiáng)震觀測(cè)系統(tǒng)、水墊塘泄洪振動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)等設(shè)備組成局域網(wǎng)。同時(shí)通過(guò)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)至后方辦公區(qū)域的已有光纖通訊網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化系統(tǒng)的遠(yuǎn)程管理和監(jiān)測(cè)信息自動(dòng)報(bào)送。其它配套設(shè)施包括UPS電源、打印機(jī)、投影儀等相關(guān)設(shè)備。

自動(dòng)化采集和監(jiān)測(cè)信息管理軟件采用南瑞集團(tuán)公司開(kāi)發(fā)的DSIMS4.0軟件，在滿(mǎn)足系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)采集、測(cè)點(diǎn)管理、日常報(bào)表和統(tǒng)計(jì)分析等基本功能基礎(chǔ)上，結(jié)合規(guī)范要求和實(shí)際需要，重點(diǎn)對(duì)異常測(cè)值報(bào)警、INTERNET時(shí)鐘校正和大壩強(qiáng)震加密觀測(cè)等功能模塊進(jìn)行了改進(jìn)。同時(shí)，對(duì)大壩安全監(jiān)察中心監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)維護(hù)，將經(jīng)過(guò)初步整理計(jì)算的原始數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)成果自動(dòng)轉(zhuǎn)入，對(duì)今后流域監(jiān)測(cè)信息集中管理進(jìn)行了有益嘗試。

3 監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)試運(yùn)行初步情況

二灘大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)改造工作從2007年開(kāi)始準(zhǔn)備，2008年年底開(kāi)始施工，2009年年底全部完工，通過(guò)設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行管理人員等的共同努力，監(jiān)測(cè)傳感器、自動(dòng)化采集單元和監(jiān)測(cè)管理軟件等各項(xiàng)技術(shù)和性能指標(biāo)均滿(mǎn)足規(guī)范要求，順利通過(guò)了完工專(zhuān)家驗(yàn)收。結(jié)合專(zhuān)家意見(jiàn)，隨后對(duì)大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的供電電源進(jìn)行了整改，一是所有觀測(cè)設(shè)備均采用獨(dú)立的供電線路，并接入廠用400 V電源，二是設(shè)置備用供電方式，保障在緊急情況和電氣設(shè)備檢修時(shí)大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的正常工作。

近一年的試運(yùn)行過(guò)程中，二灘大壩監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，系統(tǒng)平均無(wú)故障時(shí)間滿(mǎn)足大于6300 h的基本要求，自動(dòng)采集數(shù)據(jù)缺失率滿(mǎn)足規(guī)范要求。

系統(tǒng)完工驗(yàn)收并投入試運(yùn)行后，運(yùn)行單位開(kāi)展了人工比測(cè)工作。結(jié)合改造后監(jiān)測(cè)傳感器的實(shí)際運(yùn)行效果，實(shí)際的人工比測(cè)頻次如下：按不同類(lèi)型、不同采集模塊選擇了部分測(cè)點(diǎn)，重點(diǎn)對(duì)改造前后數(shù)據(jù)有所變化的測(cè)點(diǎn)采用每月1次的頻次進(jìn)行二次儀表人工比測(cè)；對(duì)全部測(cè)點(diǎn)每季度進(jìn)行1次二次儀表人工比測(cè)；垂線坐標(biāo)儀、量水堰儀、繞壩滲流孔滲壓計(jì)等安裝儀器采用人工讀數(shù)裝置進(jìn)行至少每月1次的人工比測(cè)。

垂線坐標(biāo)儀、量水堰儀、繞壩滲流孔滲壓計(jì)等安裝設(shè)備運(yùn)行良好，自動(dòng)化與人工比測(cè)成果偏差保持基本穩(wěn)定，無(wú)趨勢(shì)性漂移。見(jiàn)圖1。

圖1 垂線坐標(biāo)儀和量水堰儀比測(cè)數(shù)據(jù)過(guò)程線Fig.1 Data measured by vertical plumb coordinator and measuring weirs

測(cè)縫計(jì)、滲壓計(jì)、應(yīng)變計(jì)等埋設(shè)儀器工作穩(wěn)定。以測(cè)縫計(jì)為例，自動(dòng)化與人工比測(cè)的頻率偏差基本小于2 Hz，溫度偏差基本小于2℃，計(jì)算結(jié)果偏差基本小于0.01 mm。

4 結(jié)語(yǔ)

二灘大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)改造工作取得了一定成效，對(duì)其它電站的監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)具有良好的借鑒作用。

（1）經(jīng)充分的設(shè)計(jì)、論證和調(diào)研，提出合理可行的實(shí)施方案，是保障自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)。必須全面了解和掌握相關(guān)規(guī)范和監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)目的和運(yùn)行情況，做到有依據(jù)、有重點(diǎn)、有取舍，切忌大而全和遺漏。

（2）根據(jù)電站實(shí)際情況，選擇可靠穩(wěn)定的監(jiān)測(cè)設(shè)施，充分考慮雷擊、泄洪和潮濕等環(huán)境因素對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)施和通訊設(shè)施的影響，方便后期維護(hù)工作，是監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。

（3）獨(dú)立可靠的監(jiān)測(cè)設(shè)備供電電源是保證監(jiān)測(cè)設(shè)備正常工作的基礎(chǔ)。■