白石窑水电厂大坝安全监测系统自动化改造工程实施方案

白石窑水电厂大坝安全监测系统自动化改造工程实施方案

陈志铭,杨忠志

广东珠基工程技术有限公司 510000

1.项目现状

1.1工程概况

白石窑水电厂位于北江干流英德市英城上游25km处,是北江干流梯级开发中的第三级，上一级为濛里水电厂，下一级为飞来峡水利枢纽。

白石窑水电厂属国家大II型工程，主要建筑物有电站厂房、船闸、泄水闸、土坝和变电站。主要挡水建筑物按二级设计，即按百年一遇洪水设计，砼建筑物按千年一遇洪水校核，土坝按两千年一遇洪水校核。

1.2监测设施现状

监测设施运行近25年，目前该套系统存在以下问题：

①监测设施未按设计实施，现有监测设施不能反应水电厂运行状态：

原监测设计从渗流渗压、应力应变、变形观测三个方面设置了多种类型的设备设施对整个白石窑水电厂工程进行观测，能全面、真实的反应水电厂的运行情况。

实际施工过程中，只实施了部分监测设施。目前，整个白石窑水电厂的观测设施只保留船闸廊道内的部分渗压计、测压管保存，且大部分失效；土坝剩余测压管；其他部位无观测设施，未安装应力应变、变形观测设备设施。

现有设备只能反应船闸部分点位的渗流渗压情况，无法反应整个白石窑水电厂的整体渗流渗压情况，且整个工程无内部、外部变形监测设施，难以全面监测水电厂的运行工况，不符合最新的监测设计规范要求

②未对采集数据进行分析

监测设施在白石窑水电厂工程完工移交后交由运营方管理，但未对运行方进行数据分析培训，未移交安装仪器相关资料。目前，管理方只能对仪器设施进行养护及数据采集，移交至今无数据分析，无法对白石窑水电厂工程安全进行评定。

③未实施自动化采集系统

目前，数据采集全部为人工读数，且原设计的采集箱未安装，仪器电缆未归集，只能人工分散采集，不能及时采集数据，监测设施和手段落后，效率低。

2.改造的必要性及可行性

安全监测作为水电厂安全管理的重要组成部分，是掌握水电厂安全性态的重要手段，是科学调度、安全运营的前提，通过安全监测和资料整编分析，掌握水电厂安全程度，及时发现存在的问题和隐患，监控水电厂工作状态，保证水电厂、船闸的安全运行。

白石窑水电厂正常运行，同时也是工程效益能否发挥的前提和基础，为了确保工程的安全，充分发挥工程的效益，建立完善的工程安全监测系统是必要的，根据目前监测系统运行状况，急需进行更新改造，以适应现行水电厂安全监测要求。

鉴于当时的安全监测技术不完善，未设计自动化采集及分析系统，目前，安全监测技术日趋成熟，对新建水工建筑物的安全监测要求也更高，均要求实现自动化采集与观测，对于有条件的老旧水利设施也要求补埋或者改造升级，实现自动化采集与观测。

3.改造设计依据

本项目施工主要依据以下规范及相关文件，以下所列出的标准以最新的版本为准，但不限于：

（1）《水利水电工程测量规范》SL197-2013；

（2）《混凝土坝安全监测技术规范》SL601-2013；

（3）《混凝土坝安全监测资料整编规程》DL/T 5209-2005；

（4）《大坝安全监测自动化技术规范》DL/T 5211-2019；

（5）《大坝安全自动监测系统设备基本技术条件》 SL 268-2001；

（6）本工程相关文件。

4.改造原则

从白石窑水电厂的实际情况出发，以利于节约成本。系统布置应不损坏建筑物结构安全和现有设施的正常使用，在满足观测的要求的前提下，力求经济、合理、美观。

水电厂自动化监测系统应具有国内现代先进技术水平，选用的仪器设备及系统应被国内大中型水电厂广泛采用，测值精度满足规范要求。

改造后的自动化监测系统应能够长期适应现场的恶劣环境，保证测量数据的准确性、及时性；要与原有监测数据衔接，以保持监测资料的连续性，并对监测数据进行统一管理。

5.系统改造方案

根据白石窑水电厂的现有监测设施及工况，改造部位分为泄水闸、发电厂房、右岸土坝三个部位，按类型分为变形监测、渗流渗压监测、应力应变及温度、大坝安全监测自动化四大类。

5.1变形监测

5.1.1 内部变形监测

为增强泄水闸枢纽位移监测系统的稳定性，拟设置一套内部变形观测系统，包括引张线位移、倒垂线及静力水准沉降观测。

5.1.1.1引张线系统

在泄水闸1#至22#闸墩间设置一套引张线系统，共9个测点，测点分别位于4#、6#、8#、10#、12#、14#、16#、18#、20#泄水闸闸墩处，固定端设置在1#泄水闸闸墩，张紧端设置于23#泄水闸闸墩，用于测量坝体、坝基水平位移，所有测点均接入自动采集单元，通过光纤通讯传输至中控室计算机，实现自动化监测。

本方案拟选用智能型电容式引张线仪，该设备适用于安装在水工建筑物或其他工程建筑物所设置的引张线系统的测点上，测量建筑物各测点水平方向的位移。智能型电容式引张线仪具有测量精度较高、受电缆长度影响较小等优点，已在国内及湖南省内多家同类工程成功长期稳定运行。

5.1.1.2倒垂线双金属标系统

拟选取1#、22#闸墩处各布置1套倒垂线系统，用于监测坝体坝基水平位移，倒垂线采用智能型电容式双向遥测垂线坐标仪采集， 在1#闸墩倒垂线观测房里设置一组双金属标，用于校核精力水准监测系统，双金属标钻孔与倒垂线钻孔共用，即3孔合一，并设置一套双金属坐标仪，用于静力水准基点测量。2套垂线测点均接入自动采集单元。同时新建简易观测房，用于保护垂线装置及采集设备。

5.1.1.3静力水准系统

拟选取1#至22#闸墩间设置1套智能型静力水准系统，共9个测点，测点分别位于4#、6#、8#、10#、12#、14#、16#、18#、20#泄水闸闸墩处，用于监测坝体坝基内部垂直位移，线路布置走线大致与引张线水平位移计相同。9个测点传感器接入坝顶自动采集单元。

本方案拟选用智能型电容式静力水准仪，该设备适用于安装在水工建筑物或其他工程建筑物所设置的静力水准系统的测点上，测量建筑物各测点垂直方向的位移。智能型电容式静力水准仪具有测量精度较高、受电缆长度影响较小等优点，已在国内及湖南省内多家同类工程成功长期稳定运行。

5.1.2 外部变形监测

拟布置1套测量机器人自动化观测系统，用于主坝下游外部表面变形自动监测。另增设1套与测量机器人相同型号全站仪用于主坝上游及副坝表面变形观测。

拟在泄水闸上游闸墩上布置25个外部变形观测点，用于主坝上游外部表面变形观测；其中测点TP51-TP72设置于泄水闸上游闸墩处，TP73-TP75设置于一期船闸左侧边墩顶，合计25个测点；

拟在泄水闸下游闸墩及水闸下游建筑物上合计布置50个外部变形观测点，用于主坝下游外部表面变形自动观测。其中TP1-TP23设置于泄水闸下游闸墩处，TP24-TP45设置于泄水闸建筑物二楼下游墙外侧，TP46-TP48设置于一期船闸右侧边墩顶，TP49-TP50副厂房建筑物下游，合计50个测点；

拟在副坝进厂公路绿化带2侧布置10个外部变形观测点，用于观测副坝外部表面变形观测，其中TP76-TP85分别设置于进场公路绿化带两侧，合计10个测点；

各测站工作基点及校核基点依据依据现场通视条件设置。

5.1.3 接缝裂缝变形监测

检修桥为泄水闸主体建成后上部二期施工结构，目前多处接缝处存在裂缝，且存在扩大趋势，拟设置5套表面测缝计，监测泄水闸检修桥接缝。传感器接入坝顶自动采集装置，并设置仪器保护箱，防止外因破坏。测点位于3#、7#、10#、16#、22#泄水闸闸墩检修桥处。

5.2渗流监测

5.2.1 渗流量监测

目前坝体基础廊道渗流量采用U形管、地面排水管测量坝体渗流量，部分管路已塞堵，无法正常排出坝体渗水，需增设排水孔，同时在集水井附近埋设一体化量水堰堰槽、量水堰计进行坝体总渗漏量的监测。排水沟及量水堰堰槽需根据实际情况改造。量水堰计信号线牵引至坝顶自动采集箱。

5.2.12坝基渗透压力监测

主坝拟选取泄水闸段、厂房段灌浆廊道合计设置15支振弦式渗压计，用于监测坝基渗透压力。主坝渗压计全部引线至坝顶自动采集单元。其中测点UP01-UP09设置于6#、8#、10#、12#、14#、16#、18#、20#、22#泄水闸闸墩廊道处；测点UP10、UP12、UP14分别设置于泄水闸上游6#、12#、20#闸墩处；测点UP11、UP13、UP15分别设置于泄水闸下游6#、12#、20#闸墩处。

副坝选取原测压管安装处，及副坝右侧坝体2个断面，设置6支渗压计，用于监测坝基渗透压力。同时加装渗压计保护装置。副坝渗压计信号线接入副坝自动采集单元测站（与绕坝渗流共用测站）。其中副坝测点UP19-UP21设置于1+064.05断面副坝上游侧、坝顶公路、及副坝下游侧，测点UP16-UP18设置于0+984.05断面副坝上游侧、坝顶公路、及副坝下游侧。

5.2.3绕坝渗流

拟选取副坝与右岸交界处，副坝左岸与张家洲交交界处，张家洲与主坝右岸交界处3个断面设置6个绕坝渗流测点，用于监测地下水位。同时各测站设置测点保护装置。其中测点UP25-UP27设置于1+164断面副坝上游侧、坝顶公路、及副坝下游侧，UP22-UP24设置于断面0+095.657断面副坝上游侧、坝顶公路、及副坝下游侧。

5.3应力、应变监测及温度监测

5.3.1应力、应变监测

拟在泄水闸4#、8#、12#、16#、20#闸墩，布置5套单向应变计，用于监测泄水闸混凝土的综合应变状态。传感器引线至坝顶自动采集单元。

5.3.2温度监测

上节所述应变计附带温度信号，故混泥土坝基温度监测可共用应变计温度信号，无需新增温度计。

5.4大坝安全监测自动化

根据白石窑水电站工程总体布置、工程安全监测仪器的布置情况及监测自动化仪器设备的工作特点和要求，拟定采用分布式自动化监测系统加远程通信管理方案。监测中心站设在管理房内，自动化检测单元安装在各个观测站。现场监控单元（MCU）安装在各个观测站，MCU之间（或观测站之间）及MCU与监测中心站之间通过通信光缆（电缆），以RS-485/422方式联接组成分布式网络。

图5.5-1  监测自动化系统网络图

白石窑水电站安全监测升级后监测项目主要包括变形监测、渗流监测、应力应变监测和温度监测等，将其中大坝变形监测、渗流监测、应力、应变监测、库水位监测等纳入自动化监测的范围，大坝安全监测自动化系统建成后可以实现无人值班，少人值守，保证大坝长期高效且稳定的安全运行，并提升其运营管理水平。