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，系雅礱江水電梯級開發(fā)的第一期工程。電站總裝機容量330萬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774.69 m，壩頂寬11.0 m，壩底最大寬度55.7 m。大壩共分39個壩段，每壩段寬約20 m，不設(shè)縱縫。壩體設(shè)7個泄洪表孔、6個泄洪中孔和4個泄洪底孔，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坦。水墊塘全長300 m，采用復(fù)式梯形斷面，水墊塘底板和邊墻護坦板塊周邊設(shè)止水，同時在底板下設(shè)排水暗溝和排水廊道。

1 二灘大壩監(jiān)測系統(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)測項目，以達到驗證設(shè)計、指導(dǎo)施工和安全監(jiān)測的目的。二灘大壩監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計遵循以工程安全監(jiān)測為主，儀器少而精，一種儀器多用途，重點部位多方法監(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)容相互檢查校核的布置原則。

1.1 主要監(jiān)測項目

二灘大壩監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測項目包括環(huán)境量、變形觀測、滲流滲壓觀測、內(nèi)部觀測、強震動、水力學(xué)等方面共26類，總測點數(shù)達到1000個以上。

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

除大壩強震觀測、水墊塘及壩身泄洪振動觀測采用獨立的自動化系統(tǒng)，部分專業(yè)性較強、投入較大的工作如外部變形觀測網(wǎng)、水質(zhì)分析、水庫水溫觀測、水庫泥沙淤積和下游河床沖淤測量等工作采用委托方式外，其余監(jiān)測項目均采用自動化觀測或人工測讀的方式進行監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和管理。

1.2 大壩監(jiān)測自動化系統(tǒng)基本情況

1998年，根據(jù)大壩施工進度和監(jiān)測儀器埋設(shè)安裝情況，開始進行大壩監(jiān)測自動化系統(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)及采集計算機等組成。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室內(nèi)設(shè)置11個觀測站24臺數(shù)據(jù)采集裝置，每個數(shù)據(jù)采集裝置可同時接入4芯電纜儀器40支。接入監(jiān)測自動化系統(tǒng)的傳感器約800支，超過儀器總量的75%，主要包括垂線坐標(biāo)儀、多點位移計、伸縮儀、滲壓計、溫度計、應(yīng)力應(yīng)變等。

1.3 大壩監(jiān)測系統(tǒng)運行情況

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

經(jīng)過多年運行，大壩監(jiān)測系統(tǒng)取得了大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，為分析和評價大壩安全狀況打下了良好基礎(chǔ)。但是，二灘大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)也存在著大量問題，無法滿足新型電站管理模式對安全監(jiān)測工作的要求。一是監(jiān)測設(shè)施方面，如氣象觀測、滲流量觀測、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；部分垂線坐標(biāo)儀無法接入自動化采集系統(tǒng)；自動化采集設(shè)備故障率高，進口設(shè)備維護費用高，采購周期長等。二是自動化采集系統(tǒng)方面，存在自動化采集數(shù)據(jù)缺失率高、測量信息查詢不完善等問題。

2 監(jiān)測自動化系統(tǒng)改造情況

2008年，經(jīng)過多次調(diào)研和反復(fù)論證，在堅持“實用、可靠、先進、經(jīng)濟”的原則下，確定了二灘大壩監(jiān)測系統(tǒng)改造的主要內(nèi)容，并于2009年全部完成二灘大壩監(jiān)測自動化系統(tǒng)和信息管理系統(tǒng)的改造工作。

2.1 監(jiān)測儀器設(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的重要設(shè)施，共在不同壩段布設(shè)了5個監(jiān)測斷面，并采用分段設(shè)置觀測點方式，分別安裝了20臺垂線坐標(biāo)儀和人工讀數(shù)盤進行自動化觀測和人工比測。此次垂線坐標(biāo)儀更換時保留部分原有觀測情況良好的垂線坐標(biāo)儀，更換并安裝了10臺南瑞NGDZ-50型垂線坐標(biāo)儀，在個別部位同時采用2種不同型號的垂線坐標(biāo)儀進行相互驗證。

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，浮力不滿足規(guī)范相應(yīng)要求，改造中對其進行了全部更換，改造后倒垂線浮力計算結(jié)果和線體復(fù)位時間滿足要求。

2.1.3 繞壩滲流孔滲壓計安裝

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個繞壩滲流孔，設(shè)計采用人工測讀方式，運行初期進行了部分自動化改造。由于受降雨和壩身泄洪影響，汛期無法觀測。本次改造將在人工測讀孔安裝滲壓計并將全部繞壩滲流孔滲壓計引入自動化采集單元，傳感器電纜走線考慮了泄洪影響和防雷措施。繞壩滲流孔滲壓計統(tǒng)一采用Rectest公司生產(chǎn)的PWS型滲壓計，量程根據(jù)孔深和歷史測量資料選用0.75 MPa和0.35 MPa兩種。

2.1.4 量水堰流量計安裝

為監(jiān)測壩肩、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個量水堰，均安裝不銹鋼尺進行堰上水頭的人工測讀。此次改造將在全部滲流量控制部位的量水堰安裝流量計并接入自動化采集單元，并在重點部位采用不同廠家的流量計進行對比觀測，共安裝了45臺量水堰流量計。

2.1.5 近壩區(qū)氣象觀測設(shè)施更換

原采用的氣象儀無法接入現(xiàn)有自動化采集單元，新采購了氣溫傳感器和配套百葉箱、降雨量傳感器，并安裝獨立的自動化采集單元后通過光纖接入采集計算機。

2.2 自動化采集系統(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)字等多種類型監(jiān)測傳感器，為便于監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集和管理，進一步提高自動化采集單元的運行穩(wěn)定性，降低設(shè)備運行維護成本，此次改造采用南瑞公司生產(chǎn)的DAU2000自動化采集單元和相應(yīng)采集模塊對大壩所有自動化采集設(shè)備進行了更換，共使用28個DAU2000自動化采集單元和55塊不同類型的NDA模塊。

每個DAU2000自動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供電電源由觀測室內(nèi)配電箱引專線接入，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)測量工作。DAU2000自動化采集單元能根據(jù)不同類型傳感器配置相應(yīng)采集模塊，各模塊間相互獨立，便于監(jiān)測數(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芯雙絞線進行RS485數(shù)據(jù)通訊傳輸，通訊線接入各自動化采集單元的通信端口；另一種為光纖通訊方式，通過自動化采集單元通訊端口與光端機連接，采用雙環(huán)路自愈光纜進行通信。經(jīng)調(diào)試，兩種通信方式可互為備用，滿足大壩監(jiān)測自動化系統(tǒng)通信要求。

2.3 監(jiān)測信息管理系統(tǒng)基本情況

為滿足數(shù)據(jù)采集、信息管理要求，二灘大壩監(jiān)測信息管理系統(tǒng)共配置了1臺服務(wù)器和4臺客戶機，并與大壩強震觀測系統(tǒng)、水墊塘泄洪振動觀測系統(tǒng)等設(shè)備組成局域網(wǎng)。同時通過生產(chǎn)現(xiàn)場至后方辦公區(qū)域的已有光纖通訊網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了自動化系統(tǒng)的遠程管理和監(jiān)測信息自動報送。其它配套設(shè)施包括UPS電源、打印機、投影儀等相關(guān)設(shè)備。

自動化采集和監(jiān)測信息管理軟件采用南瑞集團公司開發(fā)的DSIMS4.0軟件，在滿足系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)采集、測點管理、日常報表和統(tǒng)計分析等基本功能基礎(chǔ)上，結(jié)合規(guī)范要求和實際需要，重點對異常測值報警、INTERNET時鐘校正和大壩強震加密觀測等功能模塊進行了改進。同時，對大壩安全監(jiān)察中心監(jiān)測信息管理系統(tǒng)進行了升級維護，將經(jīng)過初步整理計算的原始數(shù)據(jù)和監(jiān)測成果自動轉(zhuǎn)入，對今后流域監(jiān)測信息集中管理進行了有益嘗試。

3 監(jiān)測自動化系統(tǒng)試運行初步情況

二灘大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)改造工作從2007年開始準(zhǔn)備，2008年年底開始施工，2009年年底全部完工，通過設(shè)計、施工和運行管理人員等的共同努力，監(jiān)測傳感器、自動化采集單元和監(jiān)測管理軟件等各項技術(shù)和性能指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，順利通過了完工專家驗收。結(jié)合專家意見，隨后對大壩監(jiān)測系統(tǒng)的供電電源進行了整改，一是所有觀測設(shè)備均采用獨立的供電線路，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)備檢修時大壩監(jiān)測系統(tǒng)的正常工作。

近一年的試運行過程中，二灘大壩監(jiān)測自動化系統(tǒng)運行穩(wěn)定，系統(tǒng)平均無故障時間滿足大于6300 h的基本要求，自動采集數(shù)據(jù)缺失率滿足規(guī)范要求。

系統(tǒng)完工驗收并投入試運行后，運行單位開展了人工比測工作。結(jié)合改造后監(jiān)測傳感器的實際運行效果，實際的人工比測頻次如下：按不同類型、不同采集模塊選擇了部分測點，重點對改造前后數(shù)據(jù)有所變化的測點采用每月1次的頻次進行二次儀表人工比測；對全部測點每季度進行1次二次儀表人工比測；垂線坐標(biāo)儀、量水堰儀、繞壩滲流孔滲壓計等安裝儀器采用人工讀數(shù)裝置進行至少每月1次的人工比測。

垂線坐標(biāo)儀、量水堰儀、繞壩滲流孔滲壓計等安裝設(shè)備運行良好，自動化與人工比測成果偏差保持基本穩(wěn)定，無趨勢性漂移。見圖1。

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

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

4 結(jié)語

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

（1）經(jīng)充分的設(shè)計、論證和調(diào)研，提出合理可行的實施方案，是保障自動化系統(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)測項目的設(shè)計目的和運行情況，做到有依據(jù)、有重點、有取舍，切忌大而全和遺漏。

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

（3）獨立可靠的監(jiān)測設(shè)備供電電源是保證監(jiān)測設(shè)備正常工作的基礎(chǔ)。■