李家峡水电站垂线自动化系统改造

张京利

（青海黄河水电公司大坝管理中心，青海西宁 810008）

1 李家峡水电站工程概况

李家峡水电站位于青海省尖扎县和化隆县交界处，是以发电为主，兼顾灌溉、供水等综合利用的大型水电工程。电站至龙羊峡水电站河道里程108.6 km，距青海省会西宁市直线距离55km，公路里程112km。电站设计装机5台，总装机容量为2000MW（5×400 MW）。工程分二期，一期工程装机1 600 MW（4×400MW），二期工程装机400 MW（未安装），土建工程一次建成。电站在系统中担任调峰、调频、汛期担负基荷。

2 李家峡水电站大坝自动化垂线监测介绍及系统改造前问题

李家峡水电站垂线监测系统主要用于李家峡大坝及坝基岩体的水平位移及坝体挠度监测，共布置了7条垂线，分别在拱坝的两岸坝肩（左重力墩1段和右1号坝段）、拱冠（11号坝段）和1/4拱处（6号坝段和16号坝段），以及F7′断层和左重力墩3段。11号坝段共设基础倒垂3组，孔深分别为25 m、45 m和65 m，相应锚固点高程分别为2 010 m、1 990 m和1 970 m；其余垂线各设一组倒垂，除16号坝段倒垂线锚固高程为2 037 m外，其余垂线锚固点高程均为2 029 m。为了监测左岸坝肩岩体的变位，在左岸重力墩3段外侧布置有0号垂线，挂点高程为2 185 m，锚固点高程为2 029 m，共计32个测点。如图1所示。

自李家峡大坝垂线自动化系统投运以来，为大坝动态分析累计了宝贵的原始数据，从历年系统运行、维护情况来看，CCD垂线坐标仪故障率频繁，数据采集率低，造成数据中断不连续，主要的故障现象见表1。

3 垂线自动化系统改造

3.1 设备改造方式及设备选型

从李家峡大坝垂线自动化运行情况来看，原CCD垂线仪的主要问题是发光筒故障率高，主板烧毁。经过电源改造和垂线室环境整治后，设备运行环境得到改善，基本可以达到“环境适应设备”的目的，在数据采集模块不变的情况下，则不考虑更换其它类型的坐标仪，采用联能公司升级后CCD垂线遥测坐标仪——LN2002A-I型CCD垂线遥测坐标仪，其技术参数见表2。人工观测CG-2A垂线坐标仪轴系存有系统间隙差，观测精度随着时间的增长而降低，观测时携带不方便，更换为MZ-1垂线瞄准仪，技术参数见表3。

表1 李家峡大坝自动化垂线系统出现故障Table 1:Faults arose within the plumb line system

表2 LN2002A-I型CCD垂线遥测坐标仪技术参数Table 2:Technical parameters of the LN2002A-I type CCD telemetric coordinator

表3 MZ-1型垂线瞄准仪主要技术指标Table 3:Technical parameters of the MZ-1 type plumb line col-limator

3.2 改造内容

改造内容主要包括垂线支架制作、倒垂线浮筒临时支护、MZ-1垂线瞄准仪安装、CCD坐标仪安装和垂线室环境整治等内容。

3.3 改造难点

本次垂线自动化改造的难点在于：（1）自动化垂线坐标仪、人工观测垂线仪与坝体径、切向调整一致，同一垂线上的测点方向调整一致。（2）电缆绝缘处理。

3.3.1 MZ-1人工垂线瞄准仪安装（以拱冠3号垂线举例）

（1）拱冠垂线位于主坝11号坝段，分别共布在2 150 m、2 114 m、2 087 m、2 059 m和2 035 m高程，其中正垂测点5个，倒垂测点3个。拱冠3号垂线测点坐标盘实际径向方位角、理论径向方位角如表4所示。

表4 3号垂线各测点实际、理论径向方位角统计表Table 4:Practical and theoretical radial azimuth angles of the monitoring points on the No.3 plumb line

（2）依据李家峡水电站大坝观测自动化系统改造方案审查意见“将拱冠、左右1/4拱2 150 m层测点垂线仪安装方位调整为大坝径、切向，同一垂线上的测点方向调整一致”，本次改造中以2150层PL3-1测点理论径向方向67°48′为准，将其它测点MZ-1瞄准仪径向测量方向调整为67°48′，MZ-1垂线瞄准仪径向方向与三角标盘径向方向夹角见表5，夹角即MZ-1垂线瞄准仪在现场安装时的修正角度。

（3）考虑MZ-1瞄准仪安装时空间因素，安装时将MZ-1瞄准仪圆弧面背对上游或下游，具体见表6。

表5 3号垂线各测点MZ-1瞄准仪径向安装方向及修正角度Table 5:Radial installation direction and correction angles of the MZ-1 type plumb line collimator

表6 3号垂线各测点MZ-1瞄准仪圆弧面背对方向Table 6:Installation position of the monitoring points of MZ-1 type plumb line collimator

（4）现场放样及旋转角度测量

现场放样：在安装MZ-1垂线瞄准仪前，在目前已知垂线三角观测标盘径向方向的基础上，将三角观测标盘径向方向延长，在垂线室上下游前面画点，作点标记，精确定位三角观测标盘径向方位。

安装MZ-1垂线瞄准仪时，MZ-1垂线瞄准仪径向方向在已知垂线室上下游墙面点标记方位的基础上，顺时针旋转夹角。旋转后，MZ-1垂线瞄准仪径向方向统一调整为67°48′。其旋转夹角用量角器测量，精度控制在1°之内（因现场空间狭小，精密测角仪器存在盲角）。

其它各条垂线测点安装方法与上相同。

3.3.2 LN2002A-I型CCD垂线坐标仪安装

（1）在准备好的支架上，先安装仪器底板，仪器底板四个螺栓孔与支架孔连接好，固定螺丝拧紧时要适量。见图2。

图2 LN2002A-I型垂线遥测坐标仪安装示意图Fig.2 Instruction of installation of LN2002A-I type telemetric coordinator

（2）安装时，将垂线线体置于坐标系中间，使测量基值x=25.0±1 mm，y=25.0±1 mm，累积位移量=±（实测值-基值），正、负号按DL/T5178-2003规范选取。调整核实坐标仪径向与切向方向。安装时要考虑该垂线观测点今后变化范围及方向，安装起始点选择与MZ-1垂线瞄准仪安装时起始点选择相同。

（3）精确现场放样CCD垂线遥测坐标仪经切向方向，放样方法与MZ-1垂线瞄准仪放样方法相同。放样后CCD垂线遥测坐标仪经切向方向与MZ-1垂线瞄准仪经切向方向精确调整一致。

（4）将仪器支架与垂线钢支架点焊固定。

（5）再次核实CCD垂线遥测坐标仪经切向方向与MZ-1垂线瞄准仪经切向方向是否一致，一致后满焊焊接，焊接牢固。焊接前将仪器支架用水准尺调平。

3.3.3 网线连接及绝缘处理

电缆绝缘处理工艺与方法：首先将电缆头护层剥开50～60 mm，然后按照绝缘层颜色错落依次剥开绝缘层，将绝缘颜色相同的导体分别叉接并焊接好，用电工绝缘布包扎，外套ϕ5 mm热缩管，接好屏蔽和地线，最后将接好电缆用电工绝缘胶布整体缠绕起来，外套两层ϕ12 mm、ϕ16 mm热缩管，在热缩管两端缠绕热熔胶带，进行烘烤，对接头做密封处理。电缆连接工艺如图3所示。相同颜色芯线焊接要求密实无虚焊、外形平顺；焊接处芯线套管长度应能全部覆盖并留有5～10 mm的余量；绝缘胶带的缠绕应紧密无松动，粘接可靠；内层套管应紧密热缩，内无存留气泡。

图3 电缆连接工艺示意图Fig.3 Linkage of the cable

4 设备调试

CCD垂线坐标仪安装完毕后，在采集软件参数库中对仪器连接模块通道号（地址）、仪器灵敏度系数等进行设置。CCD垂线坐标仪与推线装置对比测试过程中，垂线径、切向两个方向的率定分档按5 mm进行往返推线工作。现场进行数据比对，仅列举PL5_2进行说明。见表7。

5 公式编辑及资料衔接

5.1 公式编辑

可参照MZ-1垂线瞄准仪使用说明书和DL/T5178-2003《混凝土大坝安全监测技术规范》中有关变形仪器公式编辑要求进行编辑，编辑包括人工测值部分和自动化测值部分。

表7 PL5_2数据对比表Table 7:Data comparison

5.2 资料衔接

（1）在本次MZ-1垂线瞄准仪安装过程中，采取整条垂线安装方法。安装前先用CG-2A对整条线进行连续3次观测，即在两天内对整条垂线观测3次。同时记录当天的自动化测值。在一条垂线中，每安装完一个测点MZ-1后，次日对该测点进行观测。观测时段和测次与CG-2A的观测时段和测次相同。整条垂线的MZ-1全部安装完毕，并对最后安装MZ-1的测点进行观测后，记录自动化测值。

（2）数据衔接时，对某一测点安装前的CG-2A观测数据和安装后的首次MZ-1观测数据进行计算，得到该垂线安装前、后的相对位移值，并进行差值计算，得到“C1”值。提取该点在MZ-1安装前、后的自动化相对位移值，并进行差值计算，得到“C2”值。垂线各测点的取值时间及所取得的“C1”、“C2”值如表8所示。

（3）由于李家峡水电站在前期大坝垂线观测中将上下游方向设定为“Y”，左右岸方向设定为“X”。因此，考虑到数据衔接问题，在公式编辑中，进行了角度转换，使后期的观测数据能够与前期数据衔接起来。

（4）在MZ-1瞄准仪计算公式编辑时，将“C1”值和“C2”值加入到测点相对位移的计算公式内。

（5）根据编辑好的各垂线计算公式，对计算机Damsafety2005程序中的“系统管理和数据管理”中垂线人工观测的计算公式进行修改。

垂线自动化系统完工验收并投入试运行后，及时展开了人工与自动化比测工作。垂线坐标仪设备运行良好，自动化与人工比测成果偏差保持基本稳定，无趋势性漂移。见图4、图5。

表8 4号垂线测点取值及“C1”、“C2”修正值Table 8:Measured data by the monitoring points on the plumb line 4 and correction of C1 and C2

图4 PL3-1X方向人工与自动化对比过程线Fig.4 Comparison between monitoring data by automatic sys-tem and by man measurement in the PL3-1X direction

图5 PL3-1Y方向人工与自动化对比过程线Fig.5 Comparison between monitoring data by automatic sys-tem and by man measurement in the PL3-1Y direction

5 结语

本次垂线自动化是在原有垂线自动化观测系统的基础上进行设备更新、维修、网络系统更换、软件更新升级等，因包含旧设备及电缆的拆除、旧设备维修、历史数据衔接等内容，改造项目的施工比新建项目难度更大。由于之前未进行过自动化观测系统工程的施工，经验较为缺乏，本次改造中主要加大培训力度，重点放在人员的培养上，在施工的同时加强学习，以理论与实际相结合的方式，提升个人能力及整体技术水平。

从李家峡大坝垂线自动化系统应用来看，系统自改造投入运行以来，测值与改造前相比较，连续性、可靠性得到提高。由于改造后运行时间较短，存在的个别问题还没有凸显出来，只有在今后的运行中不断总结、探索，才能使自动化系统得到不断完善，使大坝自动化安全监测水平得到提高。