王 乾

（內(nèi)蒙古呼和浩特抽水蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，呼和浩特 010051）

0 引言

地震具有突發(fā)性及難以預(yù)測(cè)性，對(duì)抽水蓄能電站大壩等水工建筑物的影響巨大[1-10]，如果無(wú)法實(shí)時(shí)捕捉地震后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可能造成大壩壩體及壩基變形，因此在地震后對(duì)大壩反應(yīng)特性及受地震荷載時(shí)是否存在安全隱患進(jìn)行研究具有十分重要的意義。邱炳坤等[11]研究發(fā)現(xiàn)，地震對(duì)地下廠房結(jié)構(gòu)加速度和位移響應(yīng)有重要影響；陶永霞等[12]研究了地震時(shí)四種不同邊界條件下廠房主要結(jié)構(gòu)的反應(yīng)特性，結(jié)果表明，順河向地震荷載作用對(duì)廠房影響很小，但考慮到黏彈性邊界條件對(duì)順河向地震波有一定放大作用，因此不可忽略。胡良明等[13]研究表明，大壩在最大可信地震作用下，壩體處于基本完好狀態(tài)，但隨著地震波加速度峰值的增加，壩體由基本完好狀態(tài)過(guò)渡到嚴(yán)重破壞狀態(tài)，進(jìn)而影響大壩的安全穩(wěn)定運(yùn)行。張宇等[14]模擬大壩在地震激勵(lì)時(shí)的應(yīng)力、位移和破壞情況，結(jié)果表明，強(qiáng)震作用下壩體損傷最明顯的部位為下游折坡處和壩踵，尤其是對(duì)混凝土重力壩壩踵部位的影響可能會(huì)對(duì)大壩整體造成損傷；石磊等[15]以貴州省境內(nèi)的水庫(kù)地震臺(tái)網(wǎng)及大壩強(qiáng)震系統(tǒng)記錄的典型事件為例，通過(guò)對(duì)庫(kù)區(qū)地震事件定位、地震性質(zhì)分析、滑坡事件監(jiān)測(cè)、大壩對(duì)庫(kù)區(qū)小震的放大效應(yīng)進(jìn)行分析，探討了水庫(kù)地震臺(tái)網(wǎng)及大壩強(qiáng)震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在水電站工程安全監(jiān)測(cè)中的重要作用。本文針對(duì)內(nèi)蒙古呼和浩特抽水蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱呼蓄電站）強(qiáng)震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)強(qiáng)震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)狀及改造后的效果進(jìn)行分析，以為震后大壩安全評(píng)估提供借鑒。

1 呼蓄電站及其強(qiáng)震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概況

呼蓄電站位于呼和浩特市東北部的大青山區(qū)域（距離市區(qū)約20 km），由上水庫(kù)、水道系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)及下水庫(kù)四部分組成，工程等別為一等，工程規(guī)模為大Ⅰ型。主要建筑物按1 級(jí)建筑物設(shè)計(jì)，次要建筑物按3 級(jí)建筑物設(shè)計(jì)?？傃b機(jī)容量為1200 MW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量20.075 億kWh，年抽水電量26.767 億kWh。工程區(qū)50 年超越概率10%的基巖水平地震動(dòng)峰值加速為161 gal，相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅶ度。

呼蓄電站大壩強(qiáng)震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)始建于2014年，采用北京瑞區(qū)斯特科技有限公司的PA-4型加速度傳感器和HR24-27 水工結(jié)構(gòu)強(qiáng)震與振動(dòng)監(jiān)測(cè)分析儀。上水庫(kù)布設(shè)10 個(gè)強(qiáng)震動(dòng)測(cè)點(diǎn)（7 個(gè)三分向加速度測(cè)點(diǎn)和3個(gè)單向加速度測(cè)點(diǎn)），下水庫(kù)布設(shè)6個(gè)強(qiáng)震動(dòng)測(cè)點(diǎn)（5 個(gè)三分向加速度測(cè)點(diǎn)布置在攔河大壩上，1 個(gè)自由場(chǎng)測(cè)點(diǎn)），如圖1、圖2 所示。大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用南端DSIMS5.0系統(tǒng)。

圖2 下水庫(kù)壩上強(qiáng)震動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.2 Layout of strong vibration measurement points on the dam of lower reservoir

2 存在的問(wèn)題

現(xiàn)場(chǎng)檢查和測(cè)試表明，呼蓄電站大壩強(qiáng)震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上水庫(kù)10個(gè)強(qiáng)震動(dòng)測(cè)點(diǎn)、下水庫(kù)6個(gè)強(qiáng)震動(dòng)測(cè)點(diǎn)均無(wú)有效信號(hào)輸入，判斷記錄儀通道損壞；在傳感器附近敲擊，加速度幅值未發(fā)生改變，判定傳感器已損壞。上、下水庫(kù)的強(qiáng)震記錄儀多個(gè)通道沒有信號(hào)輸出，可能為內(nèi)部關(guān)鍵部件AD 芯片已損壞。信號(hào)電纜多處裸露在外且已老化，保護(hù)軟管已腐爛。強(qiáng)震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)只能保存原始數(shù)據(jù)，計(jì)算簡(jiǎn)單的加速度值，無(wú)法據(jù)此評(píng)判地震對(duì)大壩的影響，不能自動(dòng)出具分析報(bào)告，也不能與南瑞DSIMS5.0大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)。

綜合以上分析，現(xiàn)有強(qiáng)震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)完全癱瘓，已無(wú)法滿足大壩安全監(jiān)測(cè)要求。

3 改造方案

根據(jù)DL/T 5416—2009《水工建筑物強(qiáng)震動(dòng)安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》，設(shè)計(jì)烈度Ⅶ度及以上的1級(jí)水工建筑物應(yīng)設(shè)置結(jié)構(gòu)反應(yīng)臺(tái)陣。呼蓄電站大壩強(qiáng)震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改造方案如下。

3.1 系統(tǒng)配置

將傳感器、采集儀、供電線路、通信線路改造升級(jí)，并增加自動(dòng)采集系統(tǒng)，以此實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和分析，減少人工承擔(dān)的系統(tǒng)維護(hù)和數(shù)據(jù)分析工作。新建強(qiáng)震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將上下庫(kù)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)光纜匯集到廠房通信室，由1 套強(qiáng)震監(jiān)測(cè)軟件實(shí)時(shí)處理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

本次改造中上水庫(kù)10 個(gè)強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)和下水庫(kù)6個(gè)強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置不變（見表1、表2）。儀器采用QZ2013 型三向力平衡加速度傳感器和G01NEI-3 型強(qiáng)震儀，并配套DZJC2022S2 工程地震動(dòng)與振動(dòng)監(jiān)測(cè)軟件，從而組成一套自動(dòng)采集數(shù)據(jù)、保存數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)的大壩強(qiáng)震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。改造后的大壩強(qiáng)震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。

表1 上水庫(kù)10個(gè)測(cè)點(diǎn)加速度傳感器安裝位置及配件配置Tab.1 Installation position and accessory configuration of acceleration sensors at ten measuring points in upper reservoir

表2 下水庫(kù)6個(gè)測(cè)點(diǎn)加速度傳感器安裝位置及配件配置Tab.2 Installation position and accessory configuration of acceleration sensors at six measuring points in lower reservoir

圖3 改造后的大壩強(qiáng)震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of dam strong earthquake monitoring system after reconstruction

上水庫(kù)10 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)、下水庫(kù)6 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過(guò)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)匯集到地下廠房監(jiān)測(cè)室，廠房通信室匯集上下庫(kù)強(qiáng)震數(shù)據(jù)（見圖3）。數(shù)據(jù)匯集處理中心（廠房）布置1臺(tái)強(qiáng)震數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理服務(wù)器、1套不間斷電源、1臺(tái)交換機(jī)、1個(gè)盤柜及地震信息發(fā)送模塊，并將服務(wù)器、交換機(jī)、不間斷電源等配件安裝在盤柜內(nèi)。將所有數(shù)據(jù)匯集到廠房監(jiān)測(cè)中心后，即可遠(yuǎn)程控制記錄儀，服務(wù)器安裝地震信息發(fā)布模塊（短信模塊）可及時(shí)將信息發(fā)送給相關(guān)管理人員，并每天報(bào)告系統(tǒng)運(yùn)行情況。

3.2 系統(tǒng)功能

改造后的強(qiáng)震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要可實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）具有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、分析、顯示、存儲(chǔ)功能，發(fā)生強(qiáng)震事件后可自動(dòng)生成分析報(bào)告。

（2）以郵件、短信形式向管理員報(bào)告系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，也可以將強(qiáng)震分析結(jié)果發(fā)送給管理員。

（3）具有地震事件基本信息查詢功能。

（4）具有歷史數(shù)據(jù)查詢導(dǎo)出功能。

（5）可與南瑞集團(tuán)有限公司、基康儀器股份有限公司等廠家的大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件進(jìn)行聯(lián)動(dòng)。

此次改造實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與南瑞DSIMS5.0 大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)觸發(fā)、聯(lián)動(dòng)操作：強(qiáng)震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)觸發(fā)后，會(huì)給大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)送地震烈度值，大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)收到地震烈度值符合設(shè)定的采集條件后（南瑞DSIMS5.0安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在對(duì)接配置時(shí)會(huì)設(shè)定采集需要達(dá)到的烈度值），開始執(zhí)行預(yù)設(shè)任務(wù)中的采集任務(wù)。

強(qiáng)震軟件發(fā)送配置信息方法如下：在“結(jié)構(gòu)強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接收參數(shù)文件夾”中“地震觸發(fā)通知傳輸IP 地址和端口號(hào)”下進(jìn)行配置，通信協(xié)議為UDP協(xié)議；只需要配置發(fā)送端和接收端的IP地址和端口即可。在大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)選擇操作界面中的選測(cè)功能并取選測(cè)值；點(diǎn)擊添加并選取需要采集數(shù)據(jù)的模塊。然后選擇“系統(tǒng)設(shè)置”中的“強(qiáng)震聯(lián)動(dòng)配置”進(jìn)行下限和上限設(shè)置，并選取需要執(zhí)行的新建任務(wù)并保存。配置完成后，人為觸發(fā)強(qiáng)震系統(tǒng)與大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，當(dāng)?shù)卣鹗录牧叶戎翟谂渲玫臈l件范圍內(nèi)，就會(huì)觸動(dòng)聯(lián)動(dòng)機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

4 改造后效果

呼蓄電站改造后的大壩強(qiáng)震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、智能報(bào)警于一體，具有地震數(shù)據(jù)分析、結(jié)構(gòu)振動(dòng)安全分析等30多種數(shù)據(jù)分析功能。當(dāng)發(fā)生地震時(shí)，系統(tǒng)軟件會(huì)自動(dòng)分析并生成Word 報(bào)告。在網(wǎng)絡(luò)暢通情況下，系統(tǒng)還可以通過(guò)郵件發(fā)送系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，在地震發(fā)生后，可將分析結(jié)果與報(bào)告發(fā)送到郵箱。

強(qiáng)震發(fā)生后，強(qiáng)震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)向大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)送烈度值。若烈度值在大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)預(yù)設(shè)的聯(lián)動(dòng)范圍內(nèi)，則會(huì)觸發(fā)聯(lián)動(dòng)機(jī)制，大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)下發(fā)數(shù)據(jù)采集指令。

強(qiáng)震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)后能夠在震后第一時(shí)間完成數(shù)據(jù)采集，無(wú)需工作人員手動(dòng)啟動(dòng)各監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，既保證了安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)效性，又保證了工作人員的人身安全，同時(shí)還在一定程度上縮短了安全監(jiān)測(cè)時(shí)間，滿足大壩安全監(jiān)測(cè)快速反饋和遠(yuǎn)程管理的要求，大大提升了管理效率，為實(shí)現(xiàn)水電站“遠(yuǎn)程集控，少人值守”現(xiàn)代化管理奠定了基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語(yǔ)

呼蓄電站改造后的強(qiáng)震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)與大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，地震時(shí)觸發(fā)大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集重點(diǎn)部位的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集分析服務(wù)器軟件可自動(dòng)處理傳回的數(shù)據(jù)，在線顯示加速度的過(guò)程曲線及頻譜分析曲線，并在線分析最大加速度峰值、有效值及主頻值。強(qiáng)震軟件可以定時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如加速度峰值、有效值、頻率值等；并支持將分析結(jié)果寫入數(shù)據(jù)庫(kù)。此次改造可為震后大壩安全評(píng)估提供更準(zhǔn)確、全面的數(shù)據(jù)支撐。