满拉水利枢纽工程安全监测自动化系统改造设计

杨 军，阿旺次仁

（西藏满拉水利枢纽管理局，西藏自治区 江孜857400）

1 工程概况

满拉水利枢纽工程位于西藏自治区日喀则地区江孜县龙马乡境内的年楚河支流龙马河上，下游距江孜县城28 km，距日喀则市118 km。

满拉水利枢纽工程是年楚河流域农业综合开发的骨干工程，具有以灌溉、发电为主，兼有防洪、旅游等综合效益的水利工程。其永久建筑物主要由大坝、泄洪洞、引水隧洞及地面式发电厂房等四部分组成。工程规模为大（2）型、等别为二等，大坝及泄洪洞为Ⅱ级建筑物，引水隧洞及厂房为Ⅳ级建筑物。大坝为粘土心墙堆石坝，坝顶高程为4261.3 m，坝顶宽10 m，长287 m，最大坝高76.3 m。

2 工程安全监测现状

为了保证枢纽的安全运行，设计并安装一定数量的监测仪器设备，对枢纽的运行情况和工作性态进行监测。满拉水利枢纽工程安全监测自动化系统于2001年5月投入试运行，按其所属工程建筑物及功能划分主要为：1）大坝安全监测；2）引水系统安全监测；3）枢纽外部变形安全监测；4）工程安全监测自动化。

满拉水利枢纽工程大坝的地震设防烈度为8度，属地震高烈度区。强震监测系统主要由4套强震测点、1台强震采集仪及1台强震采集工作站组成。通过现场调查，结合管理人员描述及有关资料确认，两套系统自2004年以来就已经出现一定的故障率，到2013年4月22日现场测试，基本处于瘫痪状态。通过于2013年4月22至24日现场实地检测发现，DAU均已不同程度损坏，有电源系统及主模块受雷击损坏，也有部分设备电路老化严重，主板受潮湿及电解液的浸泡已锈烂。负责数据采集及强震采集的2台工作站也无法使用，强震采集仪也无法工作。

3 改造的必要性及设计原则

3.1 必要性

由于满拉大坝建造在地质构造复杂、岩土特性不均匀的地基上，在各种力的作用和自然因素的影响下，其工作性态和安全状况随时都在变化。加上受大坝开工时的设计水平、施工质量、建筑材料及配套安全监测系统技术水平与使用寿命的影响，如果大坝的工作性态出现异常，而现场技术人员却不能及时掌握而任险情发展，其后果不堪设想。

西藏所在的喜马拉雅山脉形成历史较晚，构造较年轻，加上正处于欧亚大陆板块与印度板块碰撞的前沿地带，这些因素导致西藏成为中国大陆地震频度最高、强度最大的省份。2011年9月18日邻近的亚东就发生了6.8级地震。为此，对现有系统进行升级改造，建立一套可靠先进的工程安全监控系统，对于实时监控枢纽的安全运行，具有重大意义。

3.2 设计原则

1）系统的可靠性，可靠性指标要求满足下列要求：系统的数据采集装置的平均无故障时间（MTBF）不小于6 300 h；监测系统自动采集数据的缺失率应不大于3%；自动采集的数据其准确度应满足SL551，SL268等规程规范要求。

2）系统的先进性，充分利用当前监测仪器设备、计算机、自动化和通讯控制的先进软、硬件技术。

3）充分了解枢纽工程实际，确定需要改造的监测项目，同时充分考虑利用现有的仪器及设备，达到节省投资、经济实用的目标。

3.3 改造项目的确定

根据现场实地调研安全监测设施现状及存在的问题，确定此次安全监测改造的重点为大坝安全监测及工程安全监测自动化，具体改造的监测项目有：1）大坝坝体内部位移；2）大坝渗流；3）大坝强震；4）库区环境量；5）工程安全监测自动化系统。库区环境量监测项目为新增项目，其余监测项目均为升级改造项目。

4 系统改造设计

4.1 大坝坝体内部变形监测

为监测大坝坝体的内部位移，选择桩号0+150.00 m，在坝轴线下游侧，距坝轴线7 m处，布设1条测斜管，监测粘土心墙内部分层水平位移分布的大小与分布规律。人工监测采用活动测斜仪，自动监测采用在测斜管内安装固定测斜仪的方式实现，固定测斜仪间距6 m，共安装13台。

4.2 大坝渗流监测

1）坝体浸润线监测

为了解坝体内浸润线的位置变化，掌握坝体在运行期的渗流情况，在坝体内设测压管进行浸润线监测。沿坝轴线选择2个监测断面，桩号为：0+088.00 m，0+146.00 m，每个监测断面布设2个测压管，分别布设在坝轴线上游侧距坝轴线1 m和坝轴线下游侧、距坝轴线7 m处。人工监测采用平尺水位计，自动监测采用测压管内放置渗压计，共布设4个测压管和6支渗压计。

2）绕坝渗流和渗流量自动化监测

满拉水利枢纽工程绕坝渗流和渗流量监测布设12个测压孔，为实现自动监测，在孔内安装渗压计，共12支。

4.3 大坝强震监测

满拉水利枢纽工程大坝在原址重新布设强震监测台阵，即在大坝上选择一个最高（桩号0＋142.30 m）和一个自由场测点（大坝下游距坝趾约100 m处）为主要监测目标。在监测断面的下游坝坡上，在坝顶、1/2坝高和坝趾布设3个测点；在溢洪道、右岸坝肩及自由场各布设1个测点，共6个。每个测点安装1台3向一体式加速度传感器，每台加速度传感器配1台强震仪。强震采集仪安装在左岸监测房内，通过强震仪之间的组网进行自动监测地震动力加速度变化的瞬间过程。

4.4 库区环境量监测

在满拉水利枢纽坝上1号监测站屋顶（左坝头）设置1套一体式小型自动气象站，测量要素有降水、风速、风向、温度、湿度。数据采集软件安装在监测管理站内的数据采集工作站上，通过采集网络的通讯光缆实现环境量监测数据的实时采集与存储。

5 工程安全监测自动化系统

5.1 监测站设置

满拉水利枢纽工程共设3座监测站，分别位于大坝左岸、进水口闸室及施工支洞出口，1号监测站同时为强震监测站。监测管理站设置于厂区办公楼内，监测管理中心站设置于江孜县满拉水利枢纽管理局办公楼内的会商中心。

1号监测站接入传感器34支，2号监测站接入传感器35支，3号监测站接入传感器81支。共计需要7台DAU。

5.2 自动化采集网络构建

满拉水利枢纽工程安全监测自动化系统的采集网络设计采用基于RS-485通讯协议的控制网络，网络覆盖其3个监测站及1个监测管理站。由于监测站分布范围较广，设计采用光缆作为通讯介质布设安全监测自动化系统的采集网络。为保证通讯的可靠性，采集网络设计为双环自愈型，光缆类型要求为铠装聚乙烯护层通信用室外8芯光缆。

5.3 强震监测网络构建

满拉水利枢纽工程强震监测网络设计采用基于TCP/IP通讯协议的以太网络，网络覆盖1号监测站、2号监测站及现场办公楼内的监测管理站。设计采用光缆做为通讯介质布设强震监测网络。

坝顶中间、1/2坝高、坝趾及自由场的强震传感器通过强震专用电缆接入安装在1号监测站内的强震监测仪内，坝顶右岸及溢洪道的强震传感器通过强震专用电缆接入安装在2号监测站内的强震监测仪内。2个监测站内的强震监测仪通过光缆与监测管理站内的强震采集服务器相连，完成强震的数据的采集及存储。

5.4 自动化监测系统集成

现场监测管理站设置厂区办公楼内，并安装1台数据采集工作站。在江孜县满拉水利枢纽管理局办公楼设立监测管理中心站（与水情会商中心共用），安装1台服务器及1台远程数据采集与分析工作站。监测管理站内的数据采集工作站通过电厂控制光缆将自动化采集网络接入江孜县满拉水利枢纽管理局办公楼内监测管理中心站的管理网络中。由安装在现场监测管理站的数据采集工作站完成现场实时自动化数据采集工作，由安装在监测管理中心站的远程数据采集及分析工作站完成远程控制数据采集与数据管理分析工作。

5.5 安全监测自动化系统软件

“满拉水利枢纽工程安全监测自动化软件系统”是一个基于自动化数据采集网络、计算机管理网络系统、分布式关系数据库、数学物理模型方法为基础的，为满拉水利枢纽工程安全运行服务的工程安全监测系统。系统应具有先进性、可靠性、实用性、易用性、可扩充性及兼容性等先进特征。

系统主要由以下子系统组成：数据库子系统——主要由原始数据库、整编数据库、分析数据库、系统配置库、模型库、方法库、工程资料库等组成；数据采集子系统——人工监测数据输入模块、自动化数据采集模块、远程控制数据采集模块；数据管理分析子系统——综合信息管理及分析程序。数据库子系统是整个软件系统的核心，它为其它子系统提供底层数据服务支持。

6 结 语

此次改造设计结合国内工程安全监测技术、自动化技术的发展，并充分考虑利用原有仪器设备并节约工程投资等要求，改造方案全面系统，改造后满拉水利枢纽工程安全监测自动化水平可达到国内先进水平，对于其它类似工程的安全监测自动化项目升级改造也具有一定的借鉴意义。

［1］中水东北勘测设计研究有限责任公司.西藏满拉水利枢纽工程安全监测系统改造设计报告（审定稿）［R］.2013，6.