劉長(zhǎng)東，朱 南

（1.國(guó)電電力發(fā)展股份有限公司和禹水電開發(fā)公司，遼寧本溪 117201；2.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長(zhǎng)春 130061）

1 工程概述

桓仁水電站位于遼寧省桓仁縣城東北4 km處，是渾江流域第一期開發(fā)工程。電站以發(fā)電為主，兼有防洪、供水、灌溉、養(yǎng)魚等綜合效益?；溉仕畮?kù)總庫(kù)容34.6×108m3，屬于大（1）型I等水利工程，大壩為1級(jí)建筑物。大壩為混凝土單支墩大頭壩，壩頂全長(zhǎng)593.3 m，最大壩高78.5 m，壩頂高程312.5 m。電站目前共裝機(jī)5 臺(tái)，總?cè)萘?46.5 MW，設(shè)計(jì)年均發(fā)電量4.77×108kW·h，保證出力33.0 MW。

改造項(xiàng)目實(shí)施前，桓仁大壩主要布置了大壩表面及內(nèi)部位移、裂縫開度、壩基揚(yáng)壓力和繞壩滲流、上下游水位等監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。大壩表面及內(nèi)部位移、繞壩滲流、上下游水位等已開展自動(dòng)監(jiān)測(cè)，但大壩裂縫開度、壩基揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)仍然采用人工觀測(cè)手段，工作量較大且效率低，不滿足安全監(jiān)測(cè)現(xiàn)代化要求，需增加自動(dòng)化觀測(cè)設(shè)施。

2 主要工作內(nèi)容及要求

2.1 大壩揚(yáng)壓力自動(dòng)化監(jiān)測(cè)改造

桓仁大壩揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)早期采用人工方式，當(dāng)揚(yáng)壓力水位未超出地面時(shí)采用水尺監(jiān)測(cè)，高于地面時(shí)則采用壓力表讀數(shù)，人工觀測(cè)工作效率低下。為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，在每個(gè)測(cè)壓管內(nèi)安裝1 支鋼弦式滲壓計(jì)，儀器由水工電纜連接并引出管口。為此，需要對(duì)原測(cè)壓管口進(jìn)行改造，即加裝不銹鋼四通，其中的兩個(gè)側(cè)通分別引出電纜（帶密封堵）和連接壓力表，頂端連接直立的水位管（無壓孔）或封堵蓋（有壓孔），見圖1。

圖1 揚(yáng)壓力孔口改造示意圖

滲壓計(jì)安裝在測(cè)壓管內(nèi)，其安裝高程不能低于多年最低揚(yáng)壓力水位測(cè)值以下1.0～2.0 m。當(dāng)滲壓計(jì)安裝深度大于5.0 m 時(shí)，采用不銹鋼鋼絲繩懸吊固定。傳感器量程根據(jù)各揚(yáng)壓力孔實(shí)測(cè)最大揚(yáng)壓力測(cè)值進(jìn)行選擇?；溉蚀髩螕P(yáng)壓力測(cè)值大多在0～350 kPa，個(gè)別孔可達(dá)500 kPa，總體屬于小壓力范疇。由于滲壓計(jì)本身具有1.2 倍滿量程特性，個(gè)孔的儀器量程選擇不低于其最大測(cè)值即可。該工程選取滲壓計(jì)的量程分別為170 kPa 的61 支、350 kPa的12支、700 kPa的6支，總共79支滲壓計(jì)。

2.2 大壩裂縫開度自動(dòng)化監(jiān)測(cè)改造

桓仁大壩裂縫開度監(jiān)測(cè)主要分布在250.0 m高程廊道兩側(cè)壩段接縫或壩體裂縫，共計(jì)15 個(gè)測(cè)點(diǎn)。每個(gè)測(cè)點(diǎn)安裝機(jī)械式測(cè)縫計(jì)（3 向），由人工采用千分尺觀測(cè)。受位置局限和環(huán)境光線不足影響，人工觀測(cè)操作不便，效率低，甚至帶來人為誤差。為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，在每個(gè)測(cè)點(diǎn)處安裝3 支鋼弦式測(cè)縫計(jì)，分別測(cè)量原裂縫（接縫）的X，Y，Z方向變化量，其中，X代表平行壩軸線的水平向，Y代表垂直壩軸線的水平向，Z代表豎直向。

儀器安裝過程中，3 支傳感器應(yīng)與原機(jī)械式測(cè)縫計(jì)的X，Y，Z方向保持平行，保證傳感器測(cè)值變化與原人工測(cè)值一致。由于大多數(shù)裂縫位于廊道或護(hù)欄旁邊，通道比較狹窄，如果儀器保護(hù)罩過多侵占通道，將影響人員通行。因此，垂直于墻面的水平向測(cè)縫計(jì)（水平縱向測(cè)縫計(jì)）需采用鉆孔方式安裝，即儀器的固定端盡量錨固到混凝土內(nèi)，僅將伸縮端置于孔口，見圖2，從而降低保護(hù)罩的厚度，減少其占用通道空間。水平縱向測(cè)縫計(jì)和豎直向測(cè)縫計(jì)的伸縮端均固定在裂縫對(duì)側(cè)的懸臂支撐角鋼上。結(jié)合桓仁大壩裂縫（接縫）特點(diǎn)，監(jiān)測(cè)儀器選擇量程為50 mm 的表面式測(cè)縫計(jì)，傳感器類型為鋼弦式。

圖2 三向測(cè)縫計(jì)安裝示意圖

2.3 自動(dòng)化采集設(shè)備布置

此次自動(dòng)化改造工程的中心站仍為原有中心站（設(shè)在水工樓內(nèi)），新增1 臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器，完善原中心站內(nèi)數(shù)據(jù)采集備份工作。現(xiàn)地站則就近布置在大壩廊道內(nèi)，采集設(shè)備選擇32 通道的數(shù)據(jù)采集單元（DAU），在235.0 m 高程基廊安裝3 臺(tái)（11 號(hào)、19 號(hào)、26 號(hào)壩段），250.0 m 高程廊道安裝2 臺(tái)（19號(hào)、4 號(hào)壩段）?，F(xiàn)地傳感器就近接入鄰近的DAU，DAU 通過485 信號(hào)線接入中心站。軟件部分則是對(duì)原系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)及新裝儀器設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)信息維護(hù)等。

3 項(xiàng)目實(shí)施

3.1 監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備的選擇及檢驗(yàn)

測(cè)縫計(jì)和滲壓計(jì)等監(jiān)測(cè)儀器采用北京基康的產(chǎn)品，數(shù)據(jù)采集設(shè)備選擇中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司制造的DB4000A 型多功能數(shù)據(jù)采集單元。上述產(chǎn)品質(zhì)量可靠、穩(wěn)定，技術(shù)參數(shù)完全滿足工程要求，儀器安裝前均經(jīng)率定檢驗(yàn)合格[1]。

3.2 滲壓計(jì)安裝埋設(shè)

搜集各揚(yáng)壓力以往測(cè)試數(shù)據(jù)，逐孔確認(rèn)儀器量程。檢查原有管路是否能夠打開，是否存在漏水現(xiàn)象，確保儀器安裝后整體管路正常，對(duì)不合格的管路及接頭、閥門進(jìn)行更換。

滲壓計(jì)安裝前用水浸泡時(shí)間不低于2 h。在安裝前取出進(jìn)行測(cè)試，并以此作為初始值。打開測(cè)壓管口，將儀器緩慢投入到測(cè)壓管內(nèi)，保證儀器處于最小揚(yáng)壓力水位以下1.0～2.0 m。將儀器電纜從四通一側(cè)出線孔引出并旋緊密封蓋，讀取滲壓計(jì)讀數(shù)，其計(jì)算結(jié)果（壓力）應(yīng)與儀器入水深度一致，否則需拔出滲壓計(jì)，重新測(cè)量初始值和入水深度，直至結(jié)果吻合。安裝完成后，及時(shí)記錄孔口編號(hào)、儀器編號(hào)、安裝日期、高程、初始值及儀器靈敏度系數(shù)等特征參量。

3.3 測(cè)縫計(jì)安裝埋設(shè)

在不影響原測(cè)縫計(jì)工作的情況下，選擇合適位置開孔，鉆孔方向與原測(cè)縫計(jì)的X（Y）向平行，鉆孔設(shè)備為水電鉆，孔徑76 mm，孔深不小于儀器長(zhǎng)度（40 cm）。鉆孔清洗干凈后，孔內(nèi)回填攪拌均勻的粘稠砂漿，再將測(cè)縫計(jì)一端插入砂漿內(nèi)，儀器伸縮縫置于砂漿外，保證砂漿外的一端自由伸縮。待砂漿達(dá)到強(qiáng)度后，測(cè)縫計(jì)的自由伸縮端固定在裂縫對(duì)側(cè)延伸過來的支架上。另一支平行于Y（X）向的水平測(cè)縫計(jì)為跨縫安裝，利用儀器兩端萬向節(jié)連接的錨頭固定。選定儀器安裝位置后，利用電錘在儀器兩端位置打孔，孔內(nèi)填入少量水泥漿后插入儀器錨頭。豎直向（平行于Z向）的測(cè)縫計(jì)則是一端安裝在支架上，另一端采用萬向節(jié)上的錨頭打孔固定在墻壁上。每個(gè)測(cè)點(diǎn)的3 支測(cè)縫計(jì)在固定前均拉伸2～3 cm。全部?jī)x器安裝完成后，根據(jù)測(cè)縫計(jì)及支架突出墻壁的規(guī)模，加工相應(yīng)尺寸的保護(hù)罩（不銹鋼材質(zhì)）對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行保護(hù)。最后記錄各測(cè)點(diǎn)的編號(hào)、安裝日期、測(cè)縫計(jì)編號(hào)及安裝方向、初始讀數(shù)等，同時(shí)測(cè)量安裝當(dāng)日原機(jī)械式測(cè)縫計(jì)的3 個(gè)開度值。

3.4 DAU 測(cè)控裝置安裝調(diào)試

3.4.1 DAU 安裝

DAU 采用DB4000A 多功能數(shù)據(jù)采集單元，設(shè)備外觀為不銹鋼殼體，具有防潮功能，運(yùn)行可靠。DAU 設(shè)備采用4 個(gè)膨脹螺栓將四角固定在廊道混凝土墻壁上，接入臨近的滲壓計(jì)和測(cè)縫計(jì)電纜，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化觀測(cè)；各儀器電纜及485 信號(hào)電纜等均粘貼醒目標(biāo)簽，并由橋架或保護(hù)管進(jìn)行保護(hù)，確保走線整齊、有序。設(shè)備附件（如支座和支架等）也是不銹鋼材質(zhì)，采用不銹鋼脹栓固定在混凝土表面上，并將殼體連接接地線。各DAU 的具體編號(hào)、位置及儀器接入情況見表1。

表1 桓仁大壩自動(dòng)化改造工程DAU 安裝情況

3.4.2 觀測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)測(cè)試

接入DAU 的監(jiān)測(cè)儀器，在接入前后均進(jìn)行了人工和自動(dòng)化的比對(duì)測(cè)試工作，比測(cè)采用方差分析法[2]，取每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)試運(yùn)行期自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和人工監(jiān)測(cè)相同時(shí)間、相同測(cè)次的測(cè)值分別組成自動(dòng)化測(cè)值序列Xzi和人工測(cè)值序列Xri，兩者差值δi：

比測(cè)偏差序列的均方差δ：

控制限值θ：

式中：i為第i次比測(cè)；n為總比測(cè)次數(shù)；σz，σr分別為自動(dòng)化和人工的測(cè)量精度；ez，er分別為自動(dòng)化和人工讀數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差算數(shù)平均值。

經(jīng)過逐一對(duì)比測(cè)試，桓仁電站安裝的79 支滲壓計(jì)和47 支測(cè)縫計(jì)（包括溢流壩擋墻上的2 支測(cè)縫計(jì)）的比測(cè)偏差序列的均方差(δ)均控制在限值(2θ)以內(nèi)，即δ≤2θ，檢測(cè)結(jié)果全部合格，說明自動(dòng)化監(jiān)測(cè)結(jié)果滿足準(zhǔn)確性要求。

3.4.3 自動(dòng)化觀測(cè)短期穩(wěn)定性測(cè)試

自動(dòng)化系統(tǒng)短期測(cè)值穩(wěn)定性主要通過短時(shí)間內(nèi)重復(fù)測(cè)量結(jié)果的中誤差來評(píng)價(jià)。假定在短時(shí)間內(nèi)水位、溫度、壓強(qiáng)等環(huán)境量基本不變，則相關(guān)監(jiān)測(cè)值也應(yīng)基本不變。通過自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)連續(xù)測(cè)讀n次，讀數(shù)分別為x1，x2，…，xn，計(jì)算中誤差，根據(jù)中誤差評(píng)價(jià)讀數(shù)精度及測(cè)值穩(wěn)定性。n次實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)算術(shù)平均值xˉ的計(jì)算公式：

短期重復(fù)測(cè)試數(shù)據(jù)的中誤差σ采用貝塞爾公式：

根據(jù)DAU 技術(shù)指標(biāo)，鋼弦的測(cè)試精度為0.500 Hz，溫度的測(cè)試精度為0.100 ℃；此次短期測(cè)值穩(wěn)定性的實(shí)際最大頻率為0.396 Hz，最高溫度為0.096 ℃，均滿足相應(yīng)精度指標(biāo)要求，說明各傳感器的短期測(cè)值穩(wěn)定性均合格。

4 結(jié)語(yǔ)

自動(dòng)化改造工程實(shí)施后，桓仁大壩的接縫開度和揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化觀測(cè)，觀測(cè)數(shù)據(jù)能自動(dòng)采集分析和上傳，解決了原人工觀測(cè)手段效率低下問題。經(jīng)過半年多時(shí)間的檢驗(yàn)，改造后的自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，完全能夠滿足工程需要。