高砂水电站大坝安全监测系统改造及后评价

陈 锴，刘代彬，兰有磷，张昌隆

（1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州，311122；2.福建华电高砂水电有限公司，福建三明，365050）

1 概述

1.1 工程概况

高砂水电站为闽江主要支流沙溪河段水电水运梯级开发的第六级，坝址以上集水面积11329 km2，总库容0.4亿m3，为日调节水库。水库正常蓄水位103.00 m，防洪限制水位102.00 m，设计洪水位103.05 m，校核洪水位106.68 m。电站装机4台，总装机容量50 MW。枢纽建筑物包括混凝土闸坝、船闸、河床式厂房及开关站等，为三等中型工程，闸坝、泄洪闸等主要建筑物为3级建筑物，相应的设计、校核洪水标准重现期分别为50年和500年。坝基岩性以厚层紫红、紫灰色砂砾岩为主，基础工程地质条件整体性较好，地震基本烈度为Ⅵ度。

工程于1992年9月28日正式开工，1995年6月18日下闸蓄水，1996年7月首台机组发电，1999年7月通过工程竣工安全鉴定，2001年6月通过竣工验收。

1.2 监测系统建设情况

根据工程地质条件、结构特征等，工程设计单位设计了安全监测系统，建设工作随土建工程实施，于1995年6月基本完成。大坝安全监测系统包括大坝监测、船闸监测及环境量监测。其中，大坝监测项目包括坝顶水平和垂直位移、坝基接缝开合度、坝基扬压力、闸墩钢筋应力监测；船闸监测项目包括船闸闸室相对水平位移、闸墙垂直位移、闸墙伸缩缝开合度、船闸钢筋应力监测；环境量监测项目包括大坝上下游水位、降雨量、气温监测。

2009年，由于大部分坝基渗压计已失效，现场对坝基扬压力监测设施进行了改造，在大坝增设了12个坝基测压管。

2 原监测系统改造的必要性

大坝安全监测系统运行已超过20年，主要存在以下问题：

（1）坝顶视准线各测点测值过程线呈较明显的锯齿状，规律性不强，观测精度不高，较大的观测误差在一定程度上掩盖了测值应有的变化规律。造成这种现象的原因主要有：大坝坝顶视准线过长（超过300 m），受视差影响导致读数照准精度较差；视准线约有1/3长度测点观测墩距障碍物仅25 cm，大气折光会影响观测精度。另外，视准线工作基点未设置校核基点。

（2）坝基渗压计已全部损坏，测压管工作状态较差，部分测压孔存在淤堵、孔内水位偏高、灵敏度较低等问题，不能真实反映所在部位实际坝基扬压水位。

（3）坝区气温为人工观测，监测频次等不能满足大坝监测资料分析的要求。

对此，需对原安全监测系统进行彻底的更新改造，以解决原监测系统中存在的诸多问题。同时，实施大坝安全监测自动化，也可以实现相关重要监测项目的及时采集、多测点同时采集以及必要时的高频次采集等。

3 监测系统更新改造

3.1 改造的基本原则

根据工程特点，并结合目前监测技术的发展水平，按以下原则进行更新改造：

（1）突出重点、兼顾全面：对坝顶水平和垂直位移、坝基扬压力、气温监测进行改造，并建设自动化系统。

（2）实用性、有效性：监测仪器的选择、测点的布置等应注重实用性、有效性，并对监测系统的运行和管理提出具体要求。

（3）可靠性、稳定性：监测仪器设备及自动化采用成熟的产品及技术，可在恶劣环境下长期稳定运行，具有可靠的防雷保护措施和数据备份功能，并设有人工监测手段。

（4）实时性、可扩展性：可将自动化监测数据和人工监测数据及时方便地导入监测信息管理系统，实时对各种数据进行分析处理；系统可方便地添加功能模块，对接入系统的仪器进行调整。

（5）安全性：监测自动化系统具有完善的安全保密、安全控制和安全管理功能。

（6）规范性：满足DL/T 5178-2016《混凝土坝安全监测技术规范》、DL/T 5211-2005《大坝安全监测自动化技术规范》等现行规范的要求。

（7）所选仪器设备的信誉好，其生产厂家具有良好的维修、技术支持能力。

3.2 监测系统改造的实施

整个监测系统更新改造于2018年4月开工，同年11月完工，具体改造内容如下。

3.2.1 坝顶水平位移监测改造

在大坝右岸挡水坝段和厂房坝段的坝顶下游侧电缆沟内、泄洪闸坝段坝顶上游侧电缆沟内各布置1条引张线，并在引张线的3个端点（两岸及中部上游侧）旁各布置1条倒垂线，对引张线的端点进行校测。同时，为校核厂房坝段下游侧引张线固定端的水平位移，在泄洪闸坝段上游侧引张线测点与厂房坝段下游侧引张线固定端之间布置1台量距仪，实现水平位移传递，从而推算出厂房坝段引张线固定端的绝对水平位移变化量。

引张线的各测点、量距仪装置均布置于电缆沟内，各测点装置内均安装遥测引张线仪和人工测标；倒垂线的锚固点布置于完整新鲜基岩内，钻孔深入基岩的深度取坝高的1/4～1/2，测点处安装遥测垂线坐标仪和光学垂线坐标仪。引张线和倒垂线均实现自动化监测，并可通过人工观测进行比测。

引张线和倒垂线的施工质量较好，目前垂线坐标仪各向测值的准确性均满足要求，复位能力和稳定性较好，各测点引张线仪的准确性均满足要求，量距仪的测值稳定性、绝缘电阻等测试结合测值的综合评价结果为可靠[1]，运行工况较好。

3.2.2 坝顶垂直位移监测改造

在右岸挡水坝段和厂房坝段的坝顶下游、厂坝分界线处以及泄洪闸坝段上游侧电缆沟内布置1条静力水准路线，全程沿电缆沟走线，与引张线测点结合布置。其中，布置于相同桩号的上、下游侧的测点可兼测坝体倾斜。后期静力水准系统尚未实施。

在左右岸两端静力水准测点旁各布置1组双金属标，作为静力水准端点的校核基点。双金属标采用同轴式布置，将倒垂孔与双金属标孔合在一起，在节约坝顶空间的同时也减少钻孔工程量。现场双金属标的施工质量较好，当前仪器的综合评价结果均为可靠[1]，运行工况较好。

3.2.3 坝基扬压力监测改造

对存在问题的测压管进行扫孔，并在厂房2号坝段、13号坝段原测压管上游侧各增设1个测压管，在12号坝段测孔UP12旁重新钻孔，原孔封堵，同时在各坝段测压管（除保留的2个原孔外）内各安装1支渗压计。

现场测压管的结构形式合理，保护较好，管内渗压计的测值稳定性、绝缘电阻等测试结合测值的综合评价结果均为可靠[1]；通过比较确认电测水位计测值与渗压计测值，得出所有渗压计准确性均较好；现场采用注水方式进行灵敏度测试，其中个别测压管（刚经过扫孔处理）的进水段基岩较密实、隔水效果较好，其余测压管的灵敏度均较好。

3.2.4 环境量监测改造

在坝顶闸坝分界处布置1个百叶箱，内置1支气温计。气温计的测值稳定性、绝缘电阻等测试结合测值的综合评价结果为可靠[2]。

3.3 监测自动化系统建设

根据现场监测需要，将更新改造后的仪器接入监测自动化系统。自动化系统由监测仪器、数据自动采集及监测信息管理系统等组成。

3.3.1 总体架构

监测自动化系统采用分布式、多级连接的网络结构形式，按照现场监测站、监测管理中心站两级设置，网络结构形式见图1。

图1 监测自动化系统网络结构图Fig.1 Network structure of automatic monitoring system

（1）监测站是安装数据采集装置的场所，其作用是利用数据采集装置对监测传感器进行数据采集、存储及监测数据上传，并接收监测管理中心站上位机的控制指令[3]，设置在坝顶集控室内。

（2）监测管理中心站是安装大坝安全监测管理计算机、监测采集及管理软件和相关外部设备的场所，设置在厂房机房内。

3.3.2 监测管理

监测数据采集及信息管理系统是监测自动化系统的重要部分，采用NARI DSIMS大坝安全信息管理网络系统软件V4.0，进行监测数据的采集及前期处理，并对监测数据进行计算、整理整编、评估运行状态等。

3.3.3 系统防雷

由于工程处于雷击频繁区，自动化系统设置防雷接地网，要求接地电阻小于5Ω，同时在安装测控装置的部位设置连接接地网的接地点。对所有暴露在外的电源电缆、信号电缆均采用钢管保护，钢管之间以及钢管与接地网之间采用焊接的方式连接。同时，在DAU箱安装完成后将机箱的接地端子连接到保护箱地线上。

3.4 自动化系统运行

3.4.1 系统准确性

为检测数据采集模块的准确性，并排除仪器自身因素的影响，采用读数仪人工测读传感器测值，同时与自动化测读仪器所测得的测值（连续测读5次并记录）进行比较[4]。

选取采集模块NDA01-1403、NDA03-1403等进行准确性测试，结果显示所选取的采集模块通道测值的中误差均小于1 Hz，准确性较高。

3.4.2 短期稳定性

根据大坝结构和运行特点，假定在较短时间内库水位、气温、水温等环境量基本不变，则相关物理量测值也基本不变。自动化系统在短时间内对各测点连续测读15次，计算中误差，据此评价自动化系统的重复读数精度及测值稳定性，其计算方法如下[4]：对短时间内重复测试的数据，用贝塞尔公式计算短期重复测试中误差σm，作为测读精度。

选取更新改造范围内所有的电容式仪器（垂线坐标仪、引张线仪）、钢弦式仪器（测缝计、量距仪、渗压计）和差阻式仪器（温度计）进行短期稳定性测试，结果显示所选电容式仪器的测值中误差均小于控制标准（0.10 mm）的要求、钢弦式仪器的测值中误差均小于控制标准（±1 Hz）的要求、差阻式仪器的测值中误差均小于控制标准（±0.02Ω）的要求，各仪器的测值稳定性均良好。

3.4.3 运行可靠性

根据系统运行以来的所有历史监测数据资料，以及运行、维护、维修情况记录，计算系统平均无故障工作时间（MTBF）和数据缺失率（FR），以检验系统的可靠性和长期稳定性。

考核期选取2019年1月1日～12月31日，计算结果显示：自动化系统内各仪器的平均无故障时间为8757 h（最小为8712 h），满足规范要求（6300 h）；自动化系统各仪器的平均数据缺失率为0%（最大为0.55%），满足规范要求（3%）[4]，表明自动化系统自投入运行以来，其运行可靠性良好，可满足工程自动化监测需要。

4 结语

对高砂水电站大坝安全监测系统中重要监测项目进行了更新改造，并建设了监测自动化系统，监测功能得到了全面提升，有效解决了之前存在的问题。目前改造后的监测系统与原系统保持了数据的连续性，系统更加稳定，其运行可靠性、稳定性、准确性及仪器运行可靠性等均满足相关规范和设计文件要求。监测自动化系统建设基于实用性等原则，达到了预期效果，在有效减轻劳动强度、人工测读误差的同时，在时间和空间上也实现了更为连续有效、可靠、准确、快速的监测，从而增强了对水库大坝运行情况的实时监测能力。

要做好监测项目、自动化系统的更新改造工作，应高度重视以下几个方面：

（1）整体规划，统筹布置。受限于现场条件、技术发展等因素，大坝安全监测系统项目可能难以一次性完成更新改造，因此在更新改造设计时，应全局统一设计、整体规划，监测项目设置和测点布置应统筹安排，可根据实际情况一次性或分阶段实施。如本工程在设计时将坝顶引张线与静力水准路线统一布置在电缆沟内，现阶段先实施引张线。

（2）因地制宜，充分利用现场条件。进行监测系统更新改造的水电站一般已运行多年，工程现场空间、条件有限，尤其是坝顶及坝体内部。因此，在更新改造设计、实施过程中，需根据现场情况合理布置监测设施，并充分利用现场条件（如电缆沟、现有测压管等），优化施工方案，减少钻孔等工程量，有效减轻改造对坝体结构的扰动和对现场通行等的不利影响。如本工程的引张线布置于电缆沟内，坝顶3处倒垂线均设置有配套的紧凑型金属保护房，两侧及顶部可开启，便于日常维护和人工观测。

（3）选用技术成熟、适合工程现场条件的监测方法及设施。如本工程所在地常年多雨、湿度较大，再结合流域电站的监测设施运行情况（电容式仪器应用较好，步进式仪器损坏较严重），倒垂线、引张线仪器选取时充分考虑防潮等性能，最后选用电容式仪器，目前运行正常。

（4）重视工程防雷问题。水电站大坝多处于山区，且监测仪器设备安装分布范围较广，必须采取相应防雷措施以防止雷电对电站监测系统的破坏。如本工程处于雷击频繁区，雷击极易造成仪器设备损坏，甚至导致监测自动化系统瘫痪，因此现场设置了2套系统防雷接地设施，并严格保证防雷接地工程的施工质量。