桓仁大壩自動化監測改造工程施工

劉長東，朱 南

（1.國電電力發展股份有限公司和禹水電開發公司，遼寧本溪 117201；2.中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林長春 130061）

1 工程概述

桓仁水電站位于遼寧省桓仁縣城東北4 km處，是渾江流域第一期開發工程。電站以發電為主，兼有防洪、供水、灌溉、養魚等綜合效益?；溉仕畮炜値烊?4.6×108m3，屬于大（1）型I等水利工程，大壩為1級建筑物。大壩為混凝土單支墩大頭壩，壩頂全長593.3 m，最大壩高78.5 m，壩頂高程312.5 m。電站目前共裝機5 臺，總容量246.5 MW，設計年均發電量4.77×108kW·h，保證出力33.0 MW。

改造項目實施前，桓仁大壩主要布置了大壩表面及內部位移、裂縫開度、壩基揚壓力和繞壩滲流、上下游水位等監測項目。大壩表面及內部位移、繞壩滲流、上下游水位等已開展自動監測，但大壩裂縫開度、壩基揚壓力監測仍然采用人工觀測手段，工作量較大且效率低，不滿足安全監測現代化要求，需增加自動化觀測設施。

2 主要工作內容及要求

2.1 大壩揚壓力自動化監測改造

桓仁大壩揚壓力監測早期采用人工方式，當揚壓力水位未超出地面時采用水尺監測，高于地面時則采用壓力表讀數，人工觀測工作效率低下。為實現自動化監測，在每個測壓管內安裝1 支鋼弦式滲壓計，儀器由水工電纜連接并引出管口。為此，需要對原測壓管口進行改造，即加裝不銹鋼四通，其中的兩個側通分別引出電纜（帶密封堵）和連接壓力表，頂端連接直立的水位管（無壓孔）或封堵蓋（有壓孔），見圖1。

圖1 揚壓力孔口改造示意圖

滲壓計安裝在測壓管內，其安裝高程不能低于多年最低揚壓力水位測值以下1.0～2.0 m。當滲壓計安裝深度大于5.0 m 時，采用不銹鋼鋼絲繩懸吊固定。傳感器量程根據各揚壓力孔實測最大揚壓力測值進行選擇?；溉蚀髩螕P壓力測值大多在0～350 kPa，個別孔可達500 kPa，總體屬于小壓力范疇。由于滲壓計本身具有1.2 倍滿量程特性，個孔的儀器量程選擇不低于其最大測值即可。該工程選取滲壓計的量程分別為170 kPa 的61 支、350 kPa的12支、700 kPa的6支，總共79支滲壓計。

2.2 大壩裂縫開度自動化監測改造

桓仁大壩裂縫開度監測主要分布在250.0 m高程廊道兩側壩段接縫或壩體裂縫，共計15 個測點。每個測點安裝機械式測縫計（3 向），由人工采用千分尺觀測。受位置局限和環境光線不足影響，人工觀測操作不便，效率低，甚至帶來人為誤差。為實現自動化監測，在每個測點處安裝3 支鋼弦式測縫計，分別測量原裂縫（接縫）的X，Y，Z方向變化量，其中，X代表平行壩軸線的水平向，Y代表垂直壩軸線的水平向，Z代表豎直向。

儀器安裝過程中，3 支傳感器應與原機械式測縫計的X，Y，Z方向保持平行，保證傳感器測值變化與原人工測值一致。由于大多數裂縫位于廊道或護欄旁邊，通道比較狹窄，如果儀器保護罩過多侵占通道，將影響人員通行。因此，垂直于墻面的水平向測縫計（水平縱向測縫計）需采用鉆孔方式安裝，即儀器的固定端盡量錨固到混凝土內，僅將伸縮端置于孔口，見圖2，從而降低保護罩的厚度，減少其占用通道空間。水平縱向測縫計和豎直向測縫計的伸縮端均固定在裂縫對側的懸臂支撐角鋼上。結合桓仁大壩裂縫（接縫）特點，監測儀器選擇量程為50 mm 的表面式測縫計，傳感器類型為鋼弦式。

圖2 三向測縫計安裝示意圖

2.3 自動化采集設備布置

此次自動化改造工程的中心站仍為原有中心站（設在水工樓內），新增1 臺數據服務器，完善原中心站內數據采集備份工作?，F地站則就近布置在大壩廊道內，采集設備選擇32 通道的數據采集單元（DAU），在235.0 m 高程基廊安裝3 臺（11 號、19 號、26 號壩段），250.0 m 高程廊道安裝2 臺（19號、4 號壩段）?，F地傳感器就近接入鄰近的DAU，DAU 通過485 信號線接入中心站。軟件部分則是對原系統進行升級及新裝儀器設備數據庫信息維護等。

3 項目實施

3.1 監測儀器設備的選擇及檢驗

測縫計和滲壓計等監測儀器采用北京基康的產品，數據采集設備選擇中水東北勘測設計研究有限責任公司制造的DB4000A 型多功能數據采集單元。上述產品質量可靠、穩定，技術參數完全滿足工程要求，儀器安裝前均經率定檢驗合格[1]。

3.2 滲壓計安裝埋設

搜集各揚壓力以往測試數據，逐孔確認儀器量程。檢查原有管路是否能夠打開，是否存在漏水現象，確保儀器安裝后整體管路正常，對不合格的管路及接頭、閥門進行更換。

滲壓計安裝前用水浸泡時間不低于2 h。在安裝前取出進行測試，并以此作為初始值。打開測壓管口，將儀器緩慢投入到測壓管內，保證儀器處于最小揚壓力水位以下1.0～2.0 m。將儀器電纜從四通一側出線孔引出并旋緊密封蓋，讀取滲壓計讀數，其計算結果（壓力）應與儀器入水深度一致，否則需拔出滲壓計，重新測量初始值和入水深度，直至結果吻合。安裝完成后，及時記錄孔口編號、儀器編號、安裝日期、高程、初始值及儀器靈敏度系數等特征參量。

3.3 測縫計安裝埋設

在不影響原測縫計工作的情況下，選擇合適位置開孔，鉆孔方向與原測縫計的X（Y）向平行，鉆孔設備為水電鉆，孔徑76 mm，孔深不小于儀器長度（40 cm）。鉆孔清洗干凈后，孔內回填攪拌均勻的粘稠砂漿，再將測縫計一端插入砂漿內，儀器伸縮縫置于砂漿外，保證砂漿外的一端自由伸縮。待砂漿達到強度后，測縫計的自由伸縮端固定在裂縫對側延伸過來的支架上。另一支平行于Y（X）向的水平測縫計為跨縫安裝，利用儀器兩端萬向節連接的錨頭固定。選定儀器安裝位置后，利用電錘在儀器兩端位置打孔，孔內填入少量水泥漿后插入儀器錨頭。豎直向（平行于Z向）的測縫計則是一端安裝在支架上，另一端采用萬向節上的錨頭打孔固定在墻壁上。每個測點的3 支測縫計在固定前均拉伸2～3 cm。全部儀器安裝完成后，根據測縫計及支架突出墻壁的規模，加工相應尺寸的保護罩（不銹鋼材質）對測點進行保護。最后記錄各測點的編號、安裝日期、測縫計編號及安裝方向、初始讀數等，同時測量安裝當日原機械式測縫計的3 個開度值。

3.4 DAU 測控裝置安裝調試

3.4.1 DAU 安裝

DAU 采用DB4000A 多功能數據采集單元，設備外觀為不銹鋼殼體，具有防潮功能，運行可靠。DAU 設備采用4 個膨脹螺栓將四角固定在廊道混凝土墻壁上，接入臨近的滲壓計和測縫計電纜，實現自動化觀測；各儀器電纜及485 信號電纜等均粘貼醒目標簽，并由橋架或保護管進行保護，確保走線整齊、有序。設備附件（如支座和支架等）也是不銹鋼材質，采用不銹鋼脹栓固定在混凝土表面上，并將殼體連接接地線。各DAU 的具體編號、位置及儀器接入情況見表1。

表1 桓仁大壩自動化改造工程DAU 安裝情況

3.4.2 觀測數據比對測試

接入DAU 的監測儀器，在接入前后均進行了人工和自動化的比對測試工作，比測采用方差分析法[2]，取每個監測點試運行期自動化監測和人工監測相同時間、相同測次的測值分別組成自動化測值序列Xzi和人工測值序列Xri，兩者差值δi：

比測偏差序列的均方差δ：

控制限值θ：

式中：i為第i次比測；n為總比測次數；σz，σr分別為自動化和人工的測量精度；ez，er分別為自動化和人工讀數的標準差算數平均值。

經過逐一對比測試，桓仁電站安裝的79 支滲壓計和47 支測縫計（包括溢流壩擋墻上的2 支測縫計）的比測偏差序列的均方差(δ)均控制在限值(2θ)以內，即δ≤2θ，檢測結果全部合格，說明自動化監測結果滿足準確性要求。

3.4.3 自動化觀測短期穩定性測試

自動化系統短期測值穩定性主要通過短時間內重復測量結果的中誤差來評價。假定在短時間內水位、溫度、壓強等環境量基本不變，則相關監測值也應基本不變。通過自動化監測系統在短時間內連續測讀n次，讀數分別為x1，x2，…，xn，計算中誤差，根據中誤差評價讀數精度及測值穩定性。n次實測數據算術平均值xˉ的計算公式：

短期重復測試數據的中誤差σ采用貝塞爾公式：

根據DAU 技術指標，鋼弦的測試精度為0.500 Hz，溫度的測試精度為0.100 ℃；此次短期測值穩定性的實際最大頻率為0.396 Hz，最高溫度為0.096 ℃，均滿足相應精度指標要求，說明各傳感器的短期測值穩定性均合格。

4 結語

自動化改造工程實施后，桓仁大壩的接縫開度和揚壓力監測實現了自動化觀測，觀測數據能自動采集分析和上傳，解決了原人工觀測手段效率低下問題。經過半年多時間的檢驗，改造后的自動化安全監測系統運行平穩，完全能夠滿足工程需要。