枕头坝一级水电站工程安全监测自动化系统设计与应用

古光伟

（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081）

枕头坝一级水电站工程在地震构造部位上处于我国中部南北向地震带中南段的东侧，区域构造稳定条件较差，地形地质条件复杂，其枢纽区左岸有沿河而建的S306省道，左岸坝肩下方为1#土石堆积体，右岸边坡建有导流明渠且部分边坡岩层上存在大量土石堆积体，上游库区的庄子上坐落堆积体也是潜在的不稳定体，威胁着电站枢纽建筑物安全和周围群众的生命财产安全，工程安全监测意义重大。该工程原有的安全监测手段主要局限于人工定期观测，由于监测项目多样、测点数量多且分布离散，因此人工观测工作量大、费时费力，观测频次也难以满足安全监测实时性的要求，监测预报存在一定的滞后性。为了解决上述问题，工程建设完成后，及时建立了一套监测项目齐全、功能稳定可靠、实时高效的工程安全监测自动化系统。

1 工程概况

枕头坝一级水电站采用堤坝式开发，枢纽建筑物由挡水、泄水、引水发电及鱼道等建筑物组成。大坝包含11个坝段：3个左岸非溢流坝段，3个泄洪闸坝段，4个河床式厂房坝段，1个右岸非溢流坝段。大坝最大坝高86.5m，正常蓄水位为624m，正常蓄水位以下库容为0.435亿m3，水库总库容为0.469亿m3，机组装机容量为720MW，多年平均发电量为32.90亿kW·h。工程主要目的为发电，同时兼顾下游用水。

该工程属二等大（2）型工程，挡水、泄水、引水发电等主要建筑物为2级建筑物，相应水工建筑物结构安全级别为Ⅱ级；次要建筑物为3级建筑物，相应水工建筑物结构安全级别为Ⅱ级。

2 系统规划

枕头坝一级水电站工程安全监测自动化系统主要包括工程外部变形监测自动化系统和枢纽内部安全监测自动化系统两个部分，前者对大坝枢纽建筑、左右岸边坡及上游滑坡体进行表面变形监测，后者主要对大坝枢纽建筑和左右岸坝肩等部位进行内观状态监测。该系统监测范围覆盖了大坝、左岸坝肩边坡及下游1#堆积体边坡、右岸导流明渠边坡以及上游库区的庄子上坐落堆积体等重点区域。

2.1 工程外部变形监测自动化系统

枕头坝一级电站工程外部变形监测自动化系统主要包括大坝外部变形监测和边坡外部变形监测两个方面。根据全方位、高精度、实时自动化的监测要求，结合大坝实际情况，系统采用了测量机器人和GNSS联合测量的综合监测模式。结构图如图1所示。

图1 枕头坝一级水电站工程外部变形安全监测自动化系统结构图

（1）在大坝坝顶设置6个表面变形监测点，左岸坝肩边坡及下游1#堆积体边坡设置19个监测点，右岸导流明渠边坡设置20个监测点，建立测量机器人自动化监测系统。

（2）由于测量机器人观测时容易受降雨和泄洪雾化等因素的影响，因此在上述坝顶表面变形监测点中筛选出4个、左岸坝肩边坡及下游1#堆积体边坡监测点中筛选出6个、右岸导流明渠边坡监测点中筛选出8个，同轴安装圆棱镜和GNSS天线，建立GNSS自动化监测系统，实现全天候的动态观测。

（3）另外在上游库区的庄子上坐落体单独布设7个GNSS监测点，也纳入GNSS自动化监测系统。

2.2 枢纽内部安全监测自动化系统

枕头坝一级水电站工程安全监测工作存在监测项目多样、测点数量多且分布离散等特点，为建立一套符合电站实际情况且满足监测需求的自动化监测系统，在选择接入自动化系统的监测项目、测点和传感器时，遵循以下原则：（1）为监视工程永久安全运行而设置的监测项目；（2）需要进行高准确度、高频次监测，而人工观测难以胜任的监测项目及测点；（3）监测点所在部位的环境条件不宜用人工方式观测的监测项目；（4）拟纳入自动化监测的项目已有成熟的、可供选用的监测仪器设备；（5）测点应反映工程建筑物的工作性态，目的明确；（6）测点选择相互呼应，重点部位的监测值能相互校核，必要时进行冗余设置。

根据上述原则，结合电站实际情况，对接入枢纽内部安全监测自动化系统的各部位监测项目、测点和传感器进行了规划设计，系统共接入各类监测仪器测点605个。

其中，大坝枢纽建筑接入自动化系统的项目、测点和传感器包括坝体及坝基变形的垂线、结构缝及接缝开合度监测仪器，坝体及坝基渗流渗压的所有仪器，坝体及坝基应力应变、坝体加固结构应力和温度监测的所有仪器，强震监测系统、静力水准系统、真空激光准直系统、自动气象站及遥测水位计等。

左岸坝肩边坡及1#堆积体边坡接入自动化系统的项目、测点和传感器包括多点位移计、锚索测力计、土压力计、钢筋计、渗压计等；右岸导流明渠边坡接入自动化系统的项目、测点和传感器包括多点位移计、锚索测力计、钢筋计等。

3 系统总体设计

3.1 系统网络结构

枕头坝一级水电站工程安全监测自动化系统分三级设置，即现场监测站（三级站）、监测管理站（二级站）和监测管理中心站（一级站），采用分布式、多级连接的网络结构形式综合组网。其中，现场监测站内的数据采集装置之间通过RS-485总线方式连接，各现场监测站与监测管理站之间、监测管理站与监测管理中心站之间通过TCP/IP网络连接。系统总体网络结构示意图如图2所示。

（1）现场监测站。现场监测站通过数据采集装置（即测控单元，MCU）对监测传感器进行自动化数据采集、存储、上传及电源管理，同时接收监测管理站数据采集计算机的控制指令，一个现场监测站一般有多个测控单元，特殊情况下也可能只有一个测控单元。为了便于监测线缆牵引和提高自动化数据采集模块的利用率，应根据建筑物布置和施工期监测仪器电缆走线情况，将各现场监测站设置在监测仪器相对集中的部位。

枢纽内部安全监测自动化系统涵盖范围包括大坝、右岸导流明渠和左岸坝肩边坡及1#堆积体边坡等，根据现场情况共设置3个现场监测站，将施工期大坝1#测站（560灌浆廊道）、2#测站（576灌浆廊道）合并组成新的A测站（位于坝体灌浆廊道进口601.0m高程处），保留原B测站（即原左岸灌浆平洞为3#测站）和C测站（即原右岸灌浆平洞为4#测站）。

（2）监测管理站。监测管理站计算机接收监测管理中心站、工作站计算机的相关指令，并对现场监测站测控单元下达控制指令，通过数据采集软件系统控制现场监测站的测控单元进行自动化数据采集和数据转换，并按规定格式将数据自动存放到数据库中，同时具有人工录入测值的功能。监测管理站配有较高运算速度、较大存储容量和远程通信的采集计算机，为确保系统供电稳定配备有净化电源和不间断电源，具有良好的接地、电源防雷、通信防雷能力，监测管理站只有1个，设置在电站副厂房5楼原监测管理办公室内，同时也用作自动化监测管理的机房。

（3）监测管理中心站。监测管理中心站通过工程安全监测信息管理系统向监测管理站计算机下达相关控制指令，对监测管理站自动化采集或人工录入的数据、各类文档资料进行统一管理，并对监测资料进行初步分析和信息发布。监测管理中心站配有较高运算速度和较大存储容量的工作站计算机、数据服务器、Web服务器以及必要的外设，同时配有净化电源和不间断电源，具有良好的接地、电源防雷、通信防雷能力。

监测管理中心站设置在电站公司永久营地，但其设备设施（如数据服务器、Web服务器）仍主要布置在副厂房5楼的监测管理站房间内，永久营地仅保留工作站计算机进行远程控制。枕头坝监测管理中心站后期将与流域监测管理中心连接。

3.2 系统供电

图2 枕头坝一级水电站工程安全监测自动化系统网络结构示意图

除个别GNSS监测点设备采用太阳能供电外，为确保连续稳定供电，系统其他所有设备均采用双电源供电，当常用电源断电后自动切换到备用电源。

（1）从大坝400V配电室双电源配电装置引出220V交流电至各现场监测站，并为每个现场监测站配备了交流不间断电源（UPS），保证断电情况下站内设备能够正常工作至少3d。

（2）监测管理站、监测管理中心站采用厂用双电源供电，引入220V交流电对站内设备供电，并分别配备了交流不间断电源（UPS），保证断电情况下站内设备能够正常工作60min。

3.3 系统通信

根据系统总体网络结构以及现场监测仪器情况，系统各级之间的通信设置如下：

（1）现场监测站的数据采集装置采用专用通信电缆与传感器连接，能够有效采集各类型传感器的信号即可；各测控单元之间采用RS-485总线方式布线连接。

（2）各现场监测站与监测管理站之间、监测管理站与监测管理中心站之间均采用TCP/IP光纤网络通信。

3.4 系统防雷、过电压保护

枕头坝一级水电站工程所在地雨季常有雷电，为确保监测自动化系统能够安全稳定运行，必须采取相应的措施防止雷电对监测自动化系统造成破坏，具体可从系统接地、电源防雷和通信防雷三个方面实施。

（1）现场监测站：现场监测站以防直击雷为主，可通过接地线直接与大坝接地网连接；附近没有大坝接地网的，在其附近布设独立接地网或接地点并接入，接地电阻均应小于10Ω；所有通信电缆均为屏蔽电缆，并将其屏蔽层可靠接地。

（2）监测管理站和监测管理中心站：二者均可直接利用工程原有的接地、防雷设施，与工程公用接地网可靠连接，接地电阻应小于4Ω；电源防雷要求在各监测管理站和监测管理中心站均配置有220V交流电源防雷箱和防雷隔离稳压电源，兼防感应雷、电网浪涌；通信防雷要求接入监测管理站、监测中心管理站的所有金属护管和电缆屏蔽层均应可靠接地，同时配备相应避雷器加以保护。

4 系统运行应用情况

枕头坝一级水电站工程安全监测自动化系统的运行方式主要为中央控制方式和自动控制方式，远程控制和人工测量作为辅助。

（1）中央控制方式。监控主机或其他授权计算机可控制所有现场测控单元同时巡测、指定单个现场测控单元或单个测点进行选测，将测量数据列表显示，并根据需要存入数据服务器的数据库。

（2）自动控制方式。各现场测控单元按设定时间自动进行巡测、存储，并将所测数据传送到监控主机备份保存。

（3）远程控制方式。获得系统Web服务器授权后，远程计算机便可通过通信网络对监测中心站和监测管理站进行全过程操作，或对现场测控单元进行控制、检测和管理。

（4）人工测量方式。必要时可通过人工测量接口进行人工测量。

枕头坝一级水电站工程安全监测自动化系统自投入试运行以来，定期进行人工比测，比测结果显示，自动化系统测值与人工测值具有相同的变化规律且变幅相差不大，二者均能够反映监测对象的变化规律。定期对数据采集装置、供电和通信线缆、管理站设备以及软件等自动化系统设备进行巡视、检查和维护，并按照相关规范要求，从功能性、稳定性、可靠性及准确性等方面对该系统进行了综合考评，证明该系统各项功能优良，系统的稳定性、可靠性及测量精度均满足设计和规范要求。

5 结束语

枕头坝一级水电站工程安全监测自动化系统具有监测项目齐全、实时、准确、高度自动化等特点，能够快速实现现场监测数据的采集、整理、分析及反馈，提高了监测预报的时效性，增强了电站应急监测能力，同时也极大减少了现场监测人员的工作量。该系统的建立为枕头坝一级水电站实现“无人值班、少人值守”的安全监测运行模式奠定了基础，对流域安全监测管理中心建设起到了促进作用，也可为安全监测自动化系统在水利水电和其他行业工程的应用提供参考。