西藏滿拉水利樞紐工程安全監測自動化系統改造設計探討

楊 軍，徐海峰

（1.西藏自治區滿拉水利樞紐工程管理局，857000，日喀則；

2.水利部水文儀器及巖土工程儀器質量監督檢驗測試中心，210012，南京）

一、工程概況

滿拉水利樞紐工程位于西藏自治區日喀則地區江孜縣龍馬鄉境內的年楚河支流龍馬河上，下游距江孜縣城28 km，距日喀則市118 km。該工程是“八五”期間國家62項援藏項目中投資規模最大、綜合效益最為顯著的工程，也是年楚河流域農業綜合開發的骨干工程，以灌溉、發電為主，兼具防洪、旅游等綜合效益，總投資14.47億元。水庫總庫容為1.55億m3，水庫建成后增加灌溉面積25.42萬畝（15畝=1 hm2），灌溉最大引用流量18.20 m3/s，電站總裝機 20 MW，多年平均發電量0.61億kWh。

滿拉水利樞紐工程的永久建筑物主要由大壩、泄洪洞、引水隧洞及地面式發電廠房等4部分組成。工程規模為大（2）型水庫，大壩及泄洪洞為2級建筑物，引水隧洞及廠房為4級建筑物。大壩為黏土心墻堆石壩，壩頂高程為4 261.3 m，壩頂寬10 m，長287 m，最大壩高76.3 m。

二、工程安全監測狀況

為了保證樞紐的安全運行，設計并安裝一定數量的監測儀器設備，對樞紐的運行情況和工作性態進行監測。滿拉水利樞紐工程的安全監測系統按其所屬工程建筑物及功能劃分主要有：大壩安全監測、引水系統安全監測、樞紐外部變形安全監測、工程安全監測自動化。

滿拉水利樞紐工程采用分布式自動化監測系統，網絡采用485通信總線、半雙工通信方式。系統共設置3個監測站，分別位于壩頂左岸、進水口及廠房后側施工支洞出口，共安裝8臺數據采集裝置（DAU）。在現場辦公樓設置監測管理站，監測管理站內安裝自動化監測網絡的電源穩壓設備、通信與電源總控制儀與采集用的上位機。監測工作人員只需在總控制室內即可完成所有自動化監測項目的數據采集與管理。

滿拉水利樞紐工程安全監測自動化系統于2001年5月投入試運行，2001年8月移交滿拉水利樞紐管理局至今已有12年之久。強震監測系統主要由4套強震測點、1臺強震采集儀及1臺強震采集工作站組成。通過現場調查，結合管理人員描述及相關資料確認，兩套系統自2004年以來就出現一定的故障率，2013年4月22日現場測試，系統基本處于癱瘓狀態。2013年4月22—24日現場實地檢測發現，數據采集裝置均已不同程度損壞，電源系統及主模塊因受雷擊也已損壞，部分設備電路老化嚴重，主板受潮濕及電解液的浸泡已銹爛。負責數據采集及強震采集的兩臺工作站無法使用，強震采集儀無法工作。

三、改造的必要性及設計原則

1.改造的必要性

滿拉水利樞紐工程大壩屬黏土心墻堆石壩，建造在地質構造復雜、巖土特性不均勻的地基上，在各種力的作用和自然因素影響下，其工作性態和安全狀況隨時都有可能發生變化。加上受大壩開工時的設計水平、施工質量、建筑材料及配套安全監測系統技術水平與使用壽命的影響，若大壩的工作性態出現異常，而現場技術人員不能及時掌握情況任由險情發展，后果不堪設想。

西藏所在的喜馬拉雅山脈形成歷史較晚，構造較年輕，加上處于歐亞大陸板塊與印度板塊碰撞的前沿地帶，這些因素導致西藏成為中國大陸地震頻度最高、強度最大的地區。2011年9月18日鄰近的亞東縣就發生了6.8級地震。

為此，對現有系統進行升級改造，建立一套可靠先進的工程安全監控系統，對實時監控樞紐的安全運行具有重大意義。

2.設計原則

①系統的可靠性指標應滿足下列要求：系統數據采集裝置的平均無故障時間（MTBF）不小于 6 300 h；監測系統自動采集數據的缺失率應不大于3%；自動采集的數據準確度應滿足 SL 551、SL 268等規程規范要求。

②充分利用當前監測儀器設備、計算機、自動化和通信控制的先進軟、硬件技術，保證系統的先進性。

③充分了解樞紐工程實際情況，確定需要改造的監測項目，同時充分考慮利用現有的儀器及設備，達到節省投資、經濟實用的目標。

3.安全監測改造項目的確定

根據現場實地調研安全監測設施現狀及存在的問題，確定此次安全監測改造的重點為大壩安全監測及工程安全監測自動化。具體改造的監測項目如下：大壩壩體內部位移監測項目、大壩滲流監測項目、大壩強震監測項目、庫區環境量監測項目、工程安全監測自動化系統。庫區環境量監測項目為新增項目，其余監測項目均為升級改造項目。

四、安全監測系統改造設計

1.大壩壩體內部變形監測

為監測大壩壩體的內部位移，選擇樁號0+150.00 m，在壩軸線下游側距壩軸線7 m處，布設1條測斜管，監測黏土心墻內部分層水平位移分布的大小與分布規律。人工監測采用活動測斜儀，自動監測采用在測斜管內安裝固定測斜儀的方式實現，固定測斜儀間距6 m，共安裝13臺。

2.大壩滲流監測

（1）壩體浸潤線監測

為了解壩體內浸潤線的位置變化以掌握壩體在運行期的滲流情況，在壩體內設測壓管進行浸潤線監測。沿壩軸線選擇2個監測斷面，樁號分別為 0+088.00 m、0+146.00 m，主要監測斷面選在最大剖面處。每個監測斷面布設2個測壓管，分別布設在壩軸線上游側距壩軸線1 m和壩軸線下游側距壩軸線7 m處。

測壓管管底高程位于死水位以下2 m，管底0.5 m范圍內封閉埋設1支滲壓計以監測壩體滲透點壓力；測壓管為全花管段，人工監測采用平尺水位計監測，測壓管內放置滲壓計進行自動監測，以監測壩體浸潤線。共布設4個測壓管和6支滲壓計。

（2）繞壩滲流和滲流量自動化監測

滿拉水利樞紐工程大壩繞壩滲流和滲流量監測共計12個孔，為實現自動監測，在孔內安裝了12支滲壓計。

3.大壩強震監測

滿拉水利樞紐工程大壩的地震設防烈度為8度，屬地震高烈度區。根據DL/T 5416—2009的規定，為了監測本區域發生地震時壩體的地震反應、水庫誘發地震的活動情況，需要監測大壩的強震動反應，設置強震監測臺陣。

滿拉水利樞紐工程大壩原有強震監測臺陣已不能使用，在原址重新布設強震監測臺陣，即在大壩上選擇1個最高斷面和1個自由場測點為主要監測目標。斷面的樁號為0+142.30 m。自由場測點選在大壩下游距離壩趾約100 m處。在最高斷面的下游壩坡上，選壩頂、1/2壩高和壩趾3個測點，在溢洪道、右岸壩肩及自由場各布設1個測點，共6個測點。每個測點安裝1臺三向一體式加速度傳感器，每臺加速度傳感器配1臺強震儀，加速度傳感器固定在測點墩上，用保護罩加以保護。強震采集儀安裝在左岸監測房內，通過強震儀之間的組網進行自動監測地震動力加速度變化的瞬間過程。強震采集工作站安裝在位于廠區辦公樓的監測管理站內，通過通信光纜及以太網光端機完成強震監測網絡的構建。

4.庫區環境量監測

根據規范SL 551—2012的規定，本工程建筑物級別為Ⅱ級，必須進行降水量、氣溫等氣象因子的監測。為滿足后期數據整編分析對環境量的需要，小型氣象站的環境量監測數據應能及時傳輸到大壩監測數據庫系統中，因此需要采用自動化監測。

設計擬在滿拉水利樞紐壩上設置1套一體式小型自動氣象站，測量要素有降水、風速、風向、溫度、濕度。小型氣象站設計安裝在#1監測站屋頂（左壩頭），數據采集軟件安裝在監測管理站內的數據采集工作站上，通過采集網絡的通信光纜實現環境量監測數據的實時采集與存儲。

五、工程安全監測自動化系統

1.監測站設置

滿拉水利樞紐工程大壩共設3座監測站，分別位于大壩左岸、進水口閘室及施工支洞出口，編號分別為#1、#2、#3，#1監測站同時為強震監測站。監測管理站設置在廠區辦公樓內，監測管理中心站設置在江孜縣滿拉水利樞紐管理局辦公樓內的會商中心。

#1監測站接入傳感器34支，#2監測站接入傳感器35支，#3監測站接入傳感器81支。這些傳感器均可采用多功能型DAU實現自動化數據采集，按標準32通道DAU需要7臺（見圖1）。

2.自動化采集網絡構建

滿拉水利樞紐工程大壩安全監測自動化系統的采集網絡設計采用基于RS-485通信協議的控制網絡，網絡覆蓋3個監測站和1個監測管理站。由于監測站分布范圍較廣，設計采用光纜作為通信介質布設安全監測自動化系統的采集網絡。為保證通信的可靠性，采集網絡設計為雙環自愈型，光纜類型要求為鎧裝聚乙烯護層通信用室外8芯光纜。

3.強震監測網絡構建

滿拉水利樞紐工程大壩強震監測網絡設計采用基于TCP/IP通信協議的以太網絡，網絡覆蓋#1監測站、#2監測站及現場辦公樓內的監測管理站。設計采用光纜作為通信介質布設強震監測網絡。

圖1 自動化采集網絡結構拓撲圖

圖2 強震監測網絡拓撲結構圖

圖3 自動化系統功能結構圖

壩頂中間、1/2壩高、壩趾及自由場的強震傳感器通過強震專用電纜接入安裝在#1監測站內的強震監測儀內，壩頂右岸及溢洪道的強震傳感器通過強震專用電纜接入安裝在#2監測站內的強震監測儀內。2個監測站內的強震監測儀通過光纜與監測管理站內的強震采集服務器相連，完成強震的數據采集及存儲（見圖2）。

4.自動化監測系統集成

現場監測管理站設置廠區辦公樓內，并安裝1臺數據采集工作站。在江孜縣滿拉水利樞紐管理局辦公樓設立監測管理中心站 （與水情會商中心共用），安裝1臺服務器及1臺遠程數據采集與分析工作站（見圖3）。監測管理站內的數據采集工作站通過電廠控制光纜將自動化采集網絡接入江孜縣滿拉水利樞紐管理局辦公樓內監測管理中心站的管理網絡中。由安裝在現場監測管理站的數據采集工作站完成現場實時自動化數據采集工作，由安裝在監測管理中心站的遠程數據采集及分析工作站完成遠程控制數據采集與數據管理分析工作。

5.安全監測自動化系統軟件

滿拉水利樞紐工程大壩安全監測自動化軟件系統是一個基于自動化數據采集網絡、計算機管理網絡系統、分布式關系數據庫、數學物理模型方法為基礎的，為滿拉水利樞紐工程大壩安全運行服務的監測系統。系統應具有先進性、可靠性、實用性、易用性、可擴充性及兼容性等特征。

系統主要由以下子系統組成：

數據庫子系統：主要由原始數據庫、整編數據庫、分析數據庫、系統配置庫、模型庫、方法庫、工程資料庫等組成。

數據采集子系統：由人工監測數據輸入模塊、自動化數據采集模塊、遠程控制數據采集模塊組成。

數據管理分析子系統：包含綜合信息管理及分析程序。

數據庫子系統是整個軟件系統的核心，為其他子系統提供底層數據服務支持。

[1]中水東北勘測設計研究有限責任公司.西藏滿拉水利樞紐工程初步設計報告[R].

[2]中水東北勘測設計研究有限責任公司.西藏滿拉水利樞紐工程大壩安全監測系統改造設計報告[R].2013.