白鹤滩水电站施工期安全监测自动化技术的应用

胡旭阳，陈昌华，段 杭，上官瑾

（中国三峡建设管理有限公司白鹤滩工程建设部，615421，宁南）

一、工程概况

白鹤滩水电站安全监测对象主要包括混凝土双曲拱坝、左右岸地下厂房、引水隧洞、水垫塘、二道坝、上下游围堰、导流洞、大寨沟、料场、渣场、左右岸高边坡、滑坡体、库区等，涉及外部变形、内部变形、渗流渗压、应力应变及温度等监测内容。

白鹤滩水电站共布置安全监测仪器1.5万余支，已经完成安装的安全监测仪器1万余支，监测仪器数量多、分布广。目前地下电站开挖阶段监测仪器已基本埋设安装完成，大坝安全监测仪器随混凝土浇筑逐步安装，施工期间监测仪器数据采集观测和资料整编工作量巨大。

为有效监控施工期工程安全，及时反映施工过程中建筑物的安全状况，白鹤滩水电站针对施工期安全监测自动化技术展开了研究，并决定优先在大坝基础廊道和右岸厂房南侧小桩号段实施施工期安全监测自动化系统安装。

二、实施难点及对策研究

安全监测自动化系统由监测仪器、数据采集单元、数据传输模块和数据采集及管理软件组成。系统工作时，由数据采集单元发送信号，通过监测电缆，从监测仪器采集原始数据并存储于数据采集单元内，需要时经数据传输模块通过通信网络传输至数据采集及管理软件进行处理。

水电工程施工期相较于运行期，现场环境较差，各工程部位条件千差万别，且工程形象随时变化，这一系列问题为施工期安全监测自动化技术的实施带来了巨大的困难。为解决这些难题，白鹤滩水电站需要建立一套稳定可靠、可复制、可迁移和扩展的施工期安全监测自动化系统。

1.系统稳定性及可靠性研究

施工期现场环境较差，通信网络未完全固化成型，且随时存在交叉作业可能带来的干扰和设备损坏等情况。为了适应施工期特殊的现场环境，需要建立一套兼具稳定性及可靠性的系统。系统稳定性、可靠性研究及解决方案见表1。

2.系统可复制性研究

施工期各部位进度不一，现场实际条件千差万别。为了能够第一时间满足现场观测需求，需要建立一套普适性、固化的施工期安全监测自动化系统，其他部位可快速复制应用。

根据白鹤滩水电站安全监测现状和特点，将施工期安全监测自动化系统结构划分为三级：①现场监测站主要作用是数据采集单元对监测仪器进行数据采集、存储、电源管理及监测数据上传，同时接收管理站上位机的控制指令；②监测单位管理分站接收现场监测站采集的数据，对监测数据进行初步整编和管理，根据需求向现场监测站发布指令；③监测中心管理站接收管理分站发送的监测数据，并通过白鹤滩安全监测管理系统对监测数据进行整编分析及信息发布。

表1 系统稳定性、可靠性研究及解决方案

3.系统迁移性和扩展性研究

施工期各部位受开挖支护及混凝土浇筑等作业影响，工程形象经常发生变化，施工期安全监测自动化系统现场监测站位置需要随之进行迁移，此外现场监测站还需具备接入新监测仪器的能力，这就需要建立一个具备迁移性和扩展性系统。为满足该要求，白鹤滩水电站施工期安全监测自动化系统采用模块化结构（见图1）。

图1 自动化数据采集单元模块化结构示意图

三、实施方案

按照兼顾系统稳定性、可靠性、可复制性、迁移性及扩展性的原则，对需要优先实施的大坝基础廊道和右岸厂房南侧小桩号段进行施工期安全监测自动化方案优化设计。

1.仪器选择和测站布置

大坝施工期安全监测自动化系统接入仪器包括多点变位计、测缝计、压应力和无应力计，设置1个现场监测站，现场监测站布置在坝后，位置选在施工干扰少、网络信号通畅、具备迁移和扩展的空间。基础廊道坝后临时测站及走线布置见图2。

右岸厂房南侧小桩号段施工期安全监测自动化系统接入仪器包括多点变位计和锚索测力计，布置5个现场监测站，现场监测站布置在厂房顶锚固洞、排水廊道、下游岩台梁等部位，位置选在施工干扰少、网络信号通畅、具备迁移和扩展的空间。右岸厂房顶部锚固洞测站布置见图3，右岸厂房下游边墙五层排水廊道测站布置见图4，右岸厂房南侧下游边墙测站布置见图5。

图2 基础廊道坝后临时测站及走线布置图

2.自动化监测设备通信方式

白鹤滩水电站施工期安全监测自动化系统结构划分为三级，即现场监测站、监测单位管理分站和监测中心管理站，各层级之间均需要稳定可靠的通信连接，目前白鹤滩水电站现场已实现了移动网络信号全覆盖，现场监测站通过数据传输模块，利用移动网络与监测单位管理分站实现无线数据传输，监测单位管理分站利用通信光缆与监测中心管理站实现数据传输。

3.电缆牵引及保护

监测仪器电缆牵引按照避开主要施工作业区域、强弱电牵引路线，确保监测成果连续性的原则，就近牵引至相应的现场监测站并接入施工期安全监测自动化系统。

（1）大坝监测仪器电缆牵引及保护

除廊道内常规电缆牵引外，为确保大坝监测成果的连续性，大坝在从廊道浇筑开始预埋电缆线，并随混凝土浇筑向上牵引，在仓面进行临时自动化数据观测。待廊道拆模后将预埋电缆线与坝后临时测站电缆连接，实现无间断观测。典型部位电缆走线示意见图6。

图3 右岸厂房顶部锚固洞测站布置图

图4 右岸厂房下游边墙五层排水廊道测站布置图

图5 右岸厂房南侧下游边墙测站布置图

（2）右岸厂房监测自动化仪器电缆牵引及保护

右岸厂房南侧小桩号段监测电缆穿管或用消防水带保护后沿岩壁牵引，岩壁上采用插筋固定电缆，监测电缆处设置醒目的警示标志，避免监测电缆被人为破坏，电缆接头采用热熔胶、热缩管、烫锡进行保护，电缆牵引路线选择施工干扰较少和无强弱电线路干扰的地方。

4.测站安装调试

将电缆牵引至保护箱后，可对测站内自动化采集单元及相关设备进行调试。

（1）测站内各设备功能

自动化数据采集单元：连接监测仪器，读取原始数据，具有通信接口可与数据传输模块相连，与自动化监测数据管理平台的配套软件运行可定制按时巡测、实时召测等，且可根据需要，以模块化形式方便地扩展数据采集通道。

数据传输模块：与数据采集单元连接，将仪器数据通过移动网络信号发送到数据管理软件。

电源管理设备：将交流电转换成可供自动化数据采集单元使用的直流电，具有变压稳压功能。

不间断电源及蓄电池：当没有交流电时，可给设备供电。

（2）自动化数据采集单元的安装

①安装位置考虑移动网络信号传输质量。在测站处安装测站保护箱，将仪器电缆牵引至保护箱。

②将各模块安装在机箱固定背板上，顺序连接。

③保护箱采用全密封防水不锈钢机箱，所有电缆进出口全部采用防水密封紧固接口以防止水气的侵入。

④根据设计编号及仪器类型，将现场监测站内的仪器电缆理顺，从机箱进线口接入自动化数据采集单元。仪器电缆、通信电缆和电源电缆布设整洁、美观。

⑤现场监测站的不间断电源串接于电源电缆及自动化采集单元电源模块之间，通过AC/DC转换器转换成直流电对采集单元进行统一供电。

⑥机箱接地线柱应与接地网连通。

（3）数据采集单元的调试

自动化数据采集单元安装完毕后，进行设备的现场调试。

①自动化监测数据管理软件对每个自动化监测点进行循坏连续召测，确保测值的稳定性。

②对有条件的监测项目及监测点，人工干预给予一定物理量变化，检查自动化测值是否出现相应变化。

③逐项检查系统功能，以满足要求。

④定期进行人工比测，确保监测成果准确无误。

图6 大坝坝体内电缆走线示意图

5.防水、防潮

施工期大坝廊道内喷水养护，湿度较大，地下洞室存在渗水、漏水情况，恶劣环境容易造成自动化数据采集单元损坏，因此需要提前做好观测单元防水、防潮工作。

6.测站供电

现场监测站的供电方式主要有两种方案。方案一：就近引设交流电供电方式。在现场选取一个电源供应点，电源引至测站后经稳压电源再供给各设备使用。方案二：交流电停供情况下，采用不间断电源及蓄电池进行供电。

7.系统防雷、接地

（1）系统防雷

鉴于白鹤滩工区已建立防雷系统，大坝自动化现场监测站位于坝后位置较低部位和廊道内，右岸厂房南侧小桩号段自动化现场监测站位于地下洞室，工区自有的防雷系统可以对自动化系统起到保护作用，本系统除自动化采集单元内防浪涌配件外，不再另外考虑增加防雷措施。

（2）接地

鉴于白鹤滩工区已有接地网，自动化测站与其连接即可。若安装部位附近无接地扁铁，可用36 mm的钢筋打入地下2 m并与导线焊接。

四、应 用

白鹤滩水电站施工期安全监测自动化系统目前已在大坝及右岸厂房南侧小桩号段成功投入使用，并已运行超过一年，成功解决了施工期重点关键部位高频次观测、长期加密观测的难题，实现了针对重点部位安全状况的实时监测和施工过程中的连续监控，并实现了施工期监测成果自动实时预警预报，为施工期工程建设提供了重要参考依据。