二滩大坝监测自动化系统改造实践

宋明富

（二滩水力发电厂，四川攀枝花617000）

0 引言

二滩水电站位于四川省攀枝花市境内的雅砻江下游河段二滩峡谷区域，系雅砻江水电梯级开发的第一期工程。电站总装机容量330万kW，年发电量170亿kW·h。电站于1999年12月建成投产，是我国20世纪建成的最大水电站。枢纽主要建筑物有挡水建筑物、泄洪消能建筑物、引水建筑物及地下厂房等。

二滩大坝为混凝土双曲拱坝，最大坝高240.0 m，坝顶高程1205.0 m，坝顶全长774.69 m，坝顶宽11.0 m，坝底最大宽度55.7 m。大坝共分39个坝段，每坝段宽约20 m，不设纵缝。坝体设7个泄洪表孔、6个泄洪中孔和4个泄洪底孔，右岸布置两条高13.5 m、宽13 m的泄洪洞。消能防冲建筑物包括水垫塘和二道坝及二道坝下游护坦。水垫塘全长300 m，采用复式梯形断面，水垫塘底板和边墙护坦板块周边设止水，同时在底板下设排水暗沟和排水廊道。

1 二滩大坝监测系统基本情况

根据规范要求，为掌握水工建筑物在施工期和运行期的工作性态，在大坝、近坝区工程边坡及金龙山谷坡布置了一系列监测项目，以达到验证设计、指导施工和安全监测的目的。二滩大坝监测系统设计遵循以工程安全监测为主，仪器少而精，一种仪器多用途，重点部位多方法监测，监测内容相互检查校核的布置原则。

1.1 主要监测项目

二滩大坝监测系统的监测项目包括环境量、变形观测、渗流渗压观测、内部观测、强震动、水力学等方面共26类，总测点数达到1000个以上。

变形观测由外部变形观测网、正倒垂线、引张线、伸缩仪、水准点、静力水准仪、倾斜仪、倾角仪、基础变位（多点位移计、基岩测缝计）、接缝开合度等组成。渗流渗压观测由坝基渗压观测（渗压计）、渗漏量（量水堰）、绕坝渗流孔、水质分析等项目组成。内部观测项目有温度、混凝土应力应变、钢筋应力、锚索应力等。环境量观测项目包括气温、降雨、水位、水库水温、水库泥沙淤积和下游河床冲淤测量等。

除大坝强震观测、水垫塘及坝身泄洪振动观测采用独立的自动化系统，部分专业性较强、投入较大的工作如外部变形观测网、水质分析、水库水温观测、水库泥沙淤积和下游河床冲淤测量等工作采用委托方式外，其余监测项目均采用自动化观测或人工测读的方式进行监测数据的采集和管理。

1.2 大坝监测自动化系统基本情况

1998年，根据大坝施工进度和监测仪器埋设安装情况，开始进行大坝监测自动化系统的安装调试工作，并在1999年投入正常使用。系统采用Geo⁃mation 2380数据采集系统，由数据采集装置、总线通讯网络及采集计算机等组成。系统为分布式数据采集系统，在大坝各高程水平廊道观测室内设置11个观测站24台数据采集装置，每个数据采集装置可同时接入4芯电缆仪器40支。接入监测自动化系统的传感器约800支，超过仪器总量的75%，主要包括垂线坐标仪、多点位移计、伸缩仪、渗压计、温度计、应力应变等。

1.3 大坝监测系统运行情况

自二滩水电站运行以来，根据监测工作和电站运行管理需要，为了提高监测仪器的自动化程度，确保监测设备、监测数据的稳定可靠，二滩大坝监测系统先后进行了大量的专项改造。如垂线坐标仪、引张线、静力水准仪等监测仪器更换，绕坝渗流孔自动化改造，左右岸导流洞堵头监测仪器通讯方式改造，大坝监测自动化系统光纤通讯改造，大坝监测系统供电电源改造等。

经过多年运行，大坝监测系统取得了大量的监测数据，为分析和评价大坝安全状况打下了良好基础。但是，二滩大坝安全监测系统也存在着大量问题，无法满足新型电站管理模式对安全监测工作的要求。一是监测设施方面，如气象观测、渗流量观测、绕坝渗流孔等由于分布较为分散，采用人工采集方法极大地增加了作业工作量和作业安全风险；部分垂线坐标仪无法接入自动化采集系统；自动化采集设备故障率高，进口设备维护费用高，采购周期长等。二是自动化采集系统方面，存在自动化采集数据缺失率高、测量信息查询不完善等问题。

2 监测自动化系统改造情况

2008年，经过多次调研和反复论证，在坚持“实用、可靠、先进、经济”的原则下，确定了二滩大坝监测系统改造的主要内容，并于2009年全部完成二滩大坝监测自动化系统和信息管理系统的改造工作。

2.1 监测仪器设备改造

2.1.1 垂线坐标仪更换

垂线是二滩大坝变形观测的重要设施，共在不同坝段布设了5个监测断面，并采用分段设置观测点方式，分别安装了20台垂线坐标仪和人工读数盘进行自动化观测和人工比测。此次垂线坐标仪更换时保留部分原有观测情况良好的垂线坐标仪，更换并安装了10台南瑞NGDZ-50型垂线坐标仪，在个别部位同时采用2种不同型号的垂线坐标仪进行相互验证。

2.1.2 倒垂线浮体装置更换

二滩大坝原有8条倒垂线的浮体装置较小，浮力不满足规范相应要求，改造中对其进行了全部更换，改造后倒垂线浮力计算结果和线体复位时间满足要求。

2.1.3 绕坝渗流孔渗压计安装

二滩大坝在下游左右岸抗力体边坡、水垫塘和二道坝共设置了43个绕坝渗流孔，设计采用人工测读方式，运行初期进行了部分自动化改造。由于受降雨和坝身泄洪影响，汛期无法观测。本次改造将在人工测读孔安装渗压计并将全部绕坝渗流孔渗压计引入自动化采集单元，传感器电缆走线考虑了泄洪影响和防雷措施。绕坝渗流孔渗压计统一采用Rectest公司生产的PWS型渗压计，量程根据孔深和历史测量资料选用0.75 MPa和0.35 MPa两种。

2.1.4 量水堰流量计安装

为监测坝肩、坝后排水平洞、水垫塘底部廊道和二道坝的渗流量变化，在各部位安装了31个量水堰，均安装不锈钢尺进行堰上水头的人工测读。此次改造将在全部渗流量控制部位的量水堰安装流量计并接入自动化采集单元，并在重点部位采用不同厂家的流量计进行对比观测，共安装了45台量水堰流量计。

2.1.5 近坝区气象观测设施更换

原采用的气象仪无法接入现有自动化采集单元，新采购了气温传感器和配套百叶箱、降雨量传感器，并安装独立的自动化采集单元后通过光纤接入采集计算机。

2.2 自动化采集系统安装调试

二滩大坝采用了振弦式、电容式、电感式和数字等多种类型监测传感器，为便于监测数据的统一采集和管理，进一步提高自动化采集单元的运行稳定性，降低设备运行维护成本，此次改造采用南瑞公司生产的DAU2000自动化采集单元和相应采集模块对大坝所有自动化采集设备进行了更换，共使用28个DAU2000自动化采集单元和55块不同类型的NDA模块。

每个DAU2000自动化采集单元均由电源模块、加热器和输入输出接线端子等组成，接地端接入大坝接地系统。DAU2000供电电源由观测室内配电箱引专线接入，并设有完善的直流供电系统，可保证系统交流断电7 d以上的数据测量工作。DAU2000自动化采集单元能根据不同类型传感器配置相应采集模块，各模块间相互独立，便于监测数据的分布式采集、集中化管理。

本次改造仍保留原有的2种通信方式，一种为总线方式，采用2芯双绞线进行RS485数据通讯传输，通讯线接入各自动化采集单元的通信端口；另一种为光纤通讯方式，通过自动化采集单元通讯端口与光端机连接，采用双环路自愈光缆进行通信。经调试，两种通信方式可互为备用，满足大坝监测自动化系统通信要求。

2.3 监测信息管理系统基本情况

为满足数据采集、信息管理要求，二滩大坝监测信息管理系统共配置了1台服务器和4台客户机，并与大坝强震观测系统、水垫塘泄洪振动观测系统等设备组成局域网。同时通过生产现场至后方办公区域的已有光纤通讯网络，实现了自动化系统的远程管理和监测信息自动报送。其它配套设施包括UPS电源、打印机、投影仪等相关设备。

自动化采集和监测信息管理软件采用南瑞集团公司开发的DSIMS4.0软件，在满足系统管理、数据采集、测点管理、日常报表和统计分析等基本功能基础上，结合规范要求和实际需要，重点对异常测值报警、INTERNET时钟校正和大坝强震加密观测等功能模块进行了改进。同时，对大坝安全监察中心监测信息管理系统进行了升级维护，将经过初步整理计算的原始数据和监测成果自动转入，对今后流域监测信息集中管理进行了有益尝试。

3 监测自动化系统试运行初步情况

二滩大坝安全监测自动化系统改造工作从2007年开始准备，2008年年底开始施工，2009年年底全部完工，通过设计、施工和运行管理人员等的共同努力，监测传感器、自动化采集单元和监测管理软件等各项技术和性能指标均满足规范要求，顺利通过了完工专家验收。结合专家意见，随后对大坝监测系统的供电电源进行了整改，一是所有观测设备均采用独立的供电线路，并接入厂用400 V电源，二是设置备用供电方式，保障在紧急情况和电气设备检修时大坝监测系统的正常工作。

近一年的试运行过程中，二滩大坝监测自动化系统运行稳定，系统平均无故障时间满足大于6300 h的基本要求，自动采集数据缺失率满足规范要求。

系统完工验收并投入试运行后，运行单位开展了人工比测工作。结合改造后监测传感器的实际运行效果，实际的人工比测频次如下：按不同类型、不同采集模块选择了部分测点，重点对改造前后数据有所变化的测点采用每月1次的频次进行二次仪表人工比测；对全部测点每季度进行1次二次仪表人工比测；垂线坐标仪、量水堰仪、绕坝渗流孔渗压计等安装仪器采用人工读数装置进行至少每月1次的人工比测。

垂线坐标仪、量水堰仪、绕坝渗流孔渗压计等安装设备运行良好，自动化与人工比测成果偏差保持基本稳定，无趋势性漂移。见图1。

图1 垂线坐标仪和量水堰仪比测数据过程线Fig.1 Data measured by vertical plumb coordinator and measuring weirs

测缝计、渗压计、应变计等埋设仪器工作稳定。以测缝计为例，自动化与人工比测的频率偏差基本小于2 Hz，温度偏差基本小于2℃，计算结果偏差基本小于0.01 mm。

4 结语

二滩大坝安全监测自动化系统改造工作取得了一定成效，对其它电站的监测自动化系统建设具有良好的借鉴作用。

（1）经充分的设计、论证和调研，提出合理可行的实施方案，是保障自动化系统建设的基础。必须全面了解和掌握相关规范和监测项目的设计目的和运行情况，做到有依据、有重点、有取舍，切忌大而全和遗漏。

（2）根据电站实际情况，选择可靠稳定的监测设施，充分考虑雷击、泄洪和潮湿等环境因素对监测设施和通讯设施的影响，方便后期维护工作，是监测自动化系统成败的关键。

（3）独立可靠的监测设备供电电源是保证监测设备正常工作的基础。■