惠州抽水蓄能电站安全监测系统优化设计

张 彬，高 平

（广东省水利电力勘测设计研究院，广东 广州 510170）

惠州抽水蓄能电站（以下简称“惠蓄”）位于广东省博罗县城郊，距广州市约112 km，距惠州市20 km。电站总装机容量2400 MW，平均水头532.40 m，服务于广东省电网。枢纽工程由上水库、下水库、输水系统、地下厂房洞室群、地面开关站及永久公路等组成，见图1。工程为Ⅰ等工程，主要建筑物有上水库挡水泄水建筑物、下水库挡水泄水建筑物、输水系统、主副厂房、主变洞、母线洞、高压电缆洞及开关站等为1级建筑物，次要建筑物有地下厂房的交通洞、通风洞、排水廊道、自流排水洞及尾调通气洞等为3级建筑物[1]。

图1 惠州抽水蓄能电站平面布置示意图

惠蓄安全监测设计包括上、下库环境量监测，上库主副坝及主坝左岸单薄分水岭监测，下库主副坝监测，输水系统监测和地下厂房监测等监测项目设计。

现惠蓄安全监测自动化系统投运至今，已有近十年之久，运行过程中也发现了一些问题，比如测值异常、设备严重老化等，对现有监测系统进行优化设计，并及时进行系统改造是十分必要的。

1 优化设计重点关注问题

对工程安全监测设施进行全面现场查看，综合评价监测方法的可靠性和精度；根据惠蓄监测数据的可靠性和观测精度，对方案提出可行的优化设计方案。在查阅监测系统的设计、施工以及现场检查等工作的基础上，对惠蓄监测资料进行分析，判断现有观测方法的可靠性和监测仪器的可靠性，对不可靠或精确度低的观测方法进行优化设计，对精度低的监测仪器设备进行更新改造。

优化设计主要关注以下几个方面：（1）1#施工支洞渗流监测优化设计；（2）输水系统渗流监测优化设计；（3）地下厂房渗流监测优化设计；（4）上库水准控制网优化设计；（5）大坝水平位移监测优化设计；（6）安全监测自动化系统升级改造设计。

2 上、下库主副坝监测优化

2.1 大坝水平位移监测

（1）上库副坝三

上库副坝三表面水平位移采用前方交会法进行观测，在坝下游侧只布设了两个工作基点，且未设校核基点（坝下游侧为一山体，通视条件差）[2]。

由于现场地形条件的限制，校核基点最适合采用倒垂线，但倒垂线造价高，而且倒垂观测房影响上库景观。由于副坝三坝体高度较小，最大坝高仅为23.8 m。故不考虑采用倒垂线作为校核基点，仅对现有工作基点进行改造。

对现有工作基点改造包括两方面：（1）对现有工作基点位置进行调整，保证工作基点和坝体测点的相对位置更合理，以提高观测精度；（2）对现有工作基点型式进行更改，由于副坝三及附近区域覆盖层较厚，依照《土石坝安全监测技术规范》（DL/T 5259-2012）将现有基点型式更改为“深覆盖层混凝土观测墩结构”。

（2）下库副坝

下库副坝表面水平位移只做了坝顶水平位移观测，采用类似视准线法进行观测。由于坝顶左岸没有布设工作（校核）基点的条件，仅在坝右岸山体布设两个工作基点：工作基点1和工作基点2。

工作基点1离建筑物太近，工作基点1基础稳定性受大楼基础变形影响。工作基点2露出地面仅50 cm左右，不便于观测，也不符合规范要求。

下库副坝下游地势平坦，通视条件良好。对现有观测方法进行改造，将现在的类似视准线法更改为前方交会法。在坝下游侧布置工作基点和校核基点，并在下游马道增设一排水平位移测点。

2.2 上库副坝三垂直位移监测

上库主坝、副坝一、副坝二和副坝三相距较近，电厂为方便观测，将四座大坝坝顶垂直位移进行联测，统一使用副坝三左岸工作基点，采用二等水准测量。但主坝和副坝一为混凝土坝，依照规程规范，应采用一等水准测量[3]。

为满足规范要求和方便观测，在主坝左岸和副坝一右岸稳定山体上各布设一个工作基点。

3 输水系统、地下厂房系统监测优化

3.1 1#施工支洞渗流监测

由于1#施工支洞围岩存在渗漏量大的问题，于2017年7月～2018年5月进行了防渗处理。为监测渗漏量的变化情况，在1#施工支洞洞口位置布设两个量水堰，在量水堰前布置了消能工。由于渗漏量较大，排水沟坡度较大，渗漏水进入量水堰时流速较大，导致堰前水位波动大，无法正常观测。

根据现场实际情况，按规范重新设计量水堰。为防止堰前水头波动，需加高量水堰侧墙，加长进水段，确保堰前水头稳定。量水堰监测采用量水堰计进行自动化监测，量水堰计接入监测自动化系统[4]。

3.2 输水系统和地下厂房渗流监测优化设计

渗流场监测仪器设备现状如下：（1）量水堰设施均正常；（2）利用地质钻孔安装埋设的渗压计监测数据变化更有规律，可分析性好；（3）钻孔安装埋设的渗压计监测数据变化规律性不强，出现异常规律。（4）埋设高压岔管、支管断层裂隙的渗压计测值为零或变幅很小，可能是渗压计并未埋设在断层裂隙位置所致。

渗流场监测是蓄能电站的重要监测项目，由于原设计方案合理可行，本次优化主要是针对现有失效或安装失误的渗压计进行更新改造，渗压计的安装埋设的位置和方法不变。按设计意图，渗流场监测主要分为3部分：（1）输水系统沿线地下水位监测；（2）f304、f65 和 f69 断层渗压监测；（3）高压隧洞、高压岔管、高压支管及厂房区域渗压监测。

输水系统沿线地下水位监测布置：利用原有5个地表地质钻孔和2个地表钻孔共埋设7支渗压计进行输水系统沿线地下水位监测。7支渗压计监测数据均稳定可靠，故不考虑优化。

f304、f65和f69断层渗压监测布置：利用现有的6个地质钻孔，共埋设6支渗压计对f304、f65和f69等断层渗压进行监测。6支渗压计监测数据均稳定可靠，故不考虑优化。

3.3 高压隧洞、高压岔管、高压支管及厂房区域渗压监测

分别在灌浆廊道、排水廊道和地质探洞进行钻孔安装埋设了18支渗压计，监测A、B厂灌浆帷幕的作用、厂房上游侧的渗压和f33等断层裂隙的渗压情况。

监测灌浆帷幕作用的渗压计共有6支，其中，在灌浆廊道钻孔安装埋设5支，在地质探洞钻孔安装埋设1支，由于灌浆廊道和部分地质探洞已被封堵，无法在灌浆廊道和部分地质探洞进行钻孔安装埋设渗压计进行帷幕前后渗压监测。在A、B厂岔管排水廊道重新钻孔埋设3支渗压计进行渗压监测，3支渗压计均埋设在断层中。监测厂房上游侧的渗压计共有5支渗压计，其中，在厂房中层排水廊道钻孔（水平孔）埋设4支，在施工支洞钻孔（水平孔）埋设1支，从目前安装的渗压计读数来看，渗压为零或测值基本不变。

由于电厂已运行多年，厂房上游边墙未发生渗水情况，故不对厂房上游侧渗压监测进行更新改造。针对f33等断层裂隙的渗压监测共埋设了7支渗压计，分别为PA4、PA5、PA6、PA7、PA10、PB6和 PB7，主要埋设在支管处（共计 6支），其中在A、B厂岔管排水廊道钻孔安装埋设5支，在地质探洞钻孔安装埋设1支，在厂房中层排水廊道钻孔安装埋设1支。结合渗压计的监测数据分析，渗压计现状如下：（1）PA4、PA5、PA6和PA7均埋设在A厂支管区域，PA4测值为零，测值变化不符合一般规律；PA5监测数据正常，测值变化符合一般规律；PA6仪器失效；PA7测值一直呈下降趋势，测值变化不符合一般规律。但PA4、PA5、PA6和PA7距离灌浆帷幕较远，而且工程已安全运行多年，故不考虑更新改造。（2）PA10测值为零，埋设在排水廊道后，该处渗压很小，测值符合一般规律，无需更新改造。（3）PB6、PB7均变幅很小，测值不符合一般规律。但PB6、PB7距离灌浆帷幕较远，而且工程已安全运行多年，故不考虑更新改造。

根据工程现状和钻孔施工条件，输水系统和地下厂房系统渗流监测优化设计方案如下：在A、B厂岔管排水廊道钻孔安装埋设3支渗压计，监测f36、f69、f53、f79及岔管处帷幕前渗压。渗压计具体布置详见表1，渗压计安装大样见图2。

表1 高压岔管、高压支管新增渗压计布设位置表

图2 渗压计埋设大样

4 自动化系统监测优化

惠蓄安全监测自动化系统是2009年投入运行的，距今已有近十年之久，测量模块、电源模块、光端机、信号发达器内电子元器件部分已老化严重，故障率明显增加，导致自动化系统可靠性大大降低，维护工作明显增加。经现场查看和业主介绍，自动化系统主要存在以下几方面问题：

（1）目前惠蓄电厂自动化系统共有DAU数据采集单元69台、采集模块131块，模块处于经常返修的状态，现场通信故障频频。

（2）监测系统软件采用南瑞DSIMS4.0版本大坝安全监测管理系统软件。软件功能已经落伍，有待升级。

（3）地质探洞内采集单元和上水库渗压计雷击破坏情况时有发生，防雷措施有待加强。

（4）目前仍有少量监测仪器未接入到自动化系统，比如副坝二垂线坐标仪和输水沿线渗压计等。

随着科学技术的迅速发展及观测技术的不断创新，新的观测技术与观测方法已越来越多的应用在新建及改造的工程中，技术也日趋成熟[5]。同时，随着现代计算机技术、网络通讯技术、软件工程技术、水工监测技术均已在大坝安全监测领域中得到了成功的应用。

通过建立一套功能齐全、稳定可靠、使用方便的工程安全监控系统，不但可以满足惠蓄安全监测的需要，同时也可以提高惠蓄安全监测人员的业务水平，促进大坝安全监测技术水平的发展。

针对自动化系统存在根据工程需要和业主要求，对现有自动化系统进行更新升级，主要升级内容有：

（1）将DAU2000系列数据采集单元箱进行升级，建议将原采集系统硬件升级为南瑞DAU3000系列数据采集单元箱，软件建议采用南瑞DSIMS5.0版本大坝安全监测管理系统软件（含配套安卓版APP软件）。为满足新的管理系统运行要求，更换新的采集服务器以及现场调试终端。

（2）建议将原电容式垂线坐标仪、静力水准更换为485通信智能电容式仪器。智能电容式仪器具有精度高和、稳定性好和抗干扰的优点。

（3）更换失效监测仪器，包括输水系统沿线钻孔埋设渗压计（渗压计编号PSWA-1，钻孔编号ZK2051，需重新钻孔）、大坝渗流监测渗压计和湿度计。加强防雷措施，将位于地质探洞内环境潮湿位置的MCU移至相对干燥位置。

（4）将副坝二垂线坐标仪接入自动化系统，实现自动化监测。

5 结论

通过从事惠蓄安全监测优化设计，以及监测系统在工程实际运行中发挥的作用情况看，

（1）在工程运行期，由于地形或基础条件发生变化，应及时进行优化设计，并进行相应改造。

（2）粘土心墙堆石坝心墙坝后量水堰出现无渗水的情况，可以考虑采用测压管进行渗流监测。

（3）在输水系统地下渗流场监测设计时应整体考虑，渗压计埋设在断层或裂隙位置。

（4）自动化系统更新改造应随着科学技术的发展及监测技术的不断创新相应进行更新改造。