新丰江水电站大坝安全在线监控系统设计——融合在线监测、智能巡检、结构安全度计算与综合评判

沈 静，郭洁惠

（1.国家能源局大坝安全监察中心，浙江 杭州，311122；2.广东省能源集团有限公司水电分公司，广东 河源，517021）

2015年，国家能源局颁布了《水电站大坝运行安全监督管理规定》（发改委23号令），其中第八条规定：“对坝高一百米以上的大坝、库容一亿立方米以上的大坝和病险坝，电力企业应当建立大坝安全在线监控系统……”。

为落实国家法规要求，提高水电站大坝安全管理的信息化水平，开发了水电站大坝安全在线监控系统。该监控系统运用了大坝安全在线监控、协同计算分析与评判的新理念，创建了在线监测管理、在线快速结构计算、在线结构安全评判的在线监控技术与方法体系，融合了仪器监测信息、巡检信息、结构安全计算等对大坝安全进行综合评判，目前在国内大坝安全在线监控技术研发与应用方面处于领先水平。

1 开发意义

目前仅有小部分大坝具有测值评判功能，且多为单测点评判，仅着眼于监测数据，没有进行大坝安全综合性评判。因此，建立融合仪器监测信息、巡检信息、结构安全度计算的大坝安全在线监控系统具有重大意义。

大坝安全在线监控系统能针对大坝工程特点，以大坝安全信息化建设为基础，立足于工程运行过程中获得的大量监测、巡检数据和结构计算结果等多源信息，形成可视化、图形化、实时化的分析、预警系统，实现大坝安全评判从“单一信息”向“多源信息融合[1-5]”、“静态”向“动态”、“人工”到“智能”、“碎片化”到“共享化”的重要升级，实现大坝运行性态智能化实时监控，确保更及时、高效地发现问题。

2 方案概述

在线监控系统对大坝安全进行综合评判时，需要的信息包括：仪器监测信息、巡查信息、水情信息、荷载信息、结构安全度信息等，属多源信息，需将多源信息进行融合，构建一个以多源信息为基础、具有多指标和多层次结构的融合分析诊断模型[6-7]。

大坝安全评判信息的融合，包括：（1）仪器监测信息层内从单测点→多测点→不同类测点的融合；（2）不同层如仪器监测信息层、巡视检查层及结构安全度层的融合；（3）从单一结构项目评判至结构整体评判的融合。

通过模拟工程师思维，采用规则进行多源信息融合。设置组合规则，即以已有评判规则为基础，选取多个已有评判规则组合成一个新的组合规则。

每层级评判正常与否的结论与DL/T 5313-2014《水电站大坝运行安全评价导则》一致，分为正常（a）、轻微异常（a-）、一般异常（b）和严重异常（c）四种结论。结构评判模型逐层融合，上层测点组无“a-”、“b”、“c”任何一种结论，则为“a”；有n（n可调，或采用百分比，下同）条以下“a-”，则为“a-”；超过n条“a-”，或有1条及以上“b”，则为“b”；有1条及以上“c”，则为“c”。

3 方案设计

3.1 工程概况

新丰江水电站位于广东省河源市境内东江支流新丰江的亚婆山峡谷处，水库总库容138.96亿m3，枢纽主要由大坝、坝后式厂房及放水隧洞等建筑物组成。大坝为混凝土单支墩大头坝，最大坝高105 m。工程于1958年动工，1959年下闸蓄水，主体工程于1962年完工，1969年竣工验收。

1960年7 月，发生M4.3级、震中烈度为6度的浅源地震后，按地震设防烈度8度、照顾9度对大坝进行了抗震加固。1962年3月，库坝区附近又发生了M6.1级、震中烈度为8度的浅源地震，震后右岸13～17号坝段在高程108 m左右发生长达82 m裂缝和局部裂缝，同年5月在下游坝面跨缝设置钢筋混凝土贴板，上游设置止水塞。同年7月、8月分别发生5度、6度地震，下游坝面原裂缝再次裂开并有渗水现象，于是对大坝进行了二期抗震加固。1966年又对支墩大头进行了加固。

新丰江水电站大坝安全监测系统主要有大坝变形、大坝渗流、边坡变形、环境量监测等项目。

3.2 监控内容

对照DL/T 2096-2020《水电站大坝运行安全在线监控系统技术规范》要求，监控内容应包括监控对象、监控部位、监控项目和监控测点。

3.2.1 监控对象

根据新丰江大坝的结构特点，新丰江大坝的监控对象包括环境量、大坝、溢洪道、放水洞、厂房、空腔及廊道、近坝库岸。其中溢洪道、放水洞、厂房未设置监测设施，以巡检信息进行监控。

3.2.2 监控部位

纳入在线监控的监控部位：（1）大坝坝顶、各廊道和坝腔；（2）放水洞进水口、放水洞洞身、放水洞出口等；（3）溢洪道闸墩、溢洪道泄槽、溢洪道挑流鼻坎等；（4）厂房顶、第一副厂房顶、GIS平台、电缆廊道、开关廊道、伸缩节及集水井廊道、水轮机层、发电机层、主变平台、厂房左岸等；（5）右岸坝肩、左岸坝肩、下游河道及护坡、库区等；（6）监控对象中存在安全隐患或需要重点关注的部位及问题，主要有高程108 m裂缝、9～10号坝腔在高程43 m廊道头部伸缩缝渗水、7号支墩的扬压力偏大问题和支墩侧向稳定问题；（7）典型坝段为8号支墩、14号支墩。

3.2.3 监控项目

监控项目主要包括：（1）环境量，包括上游水位、降雨量、入库流量；（2）坝顶水平位移（引张线）、坝顶垂直位移、坝基水平位移、坝体水平位移；（3）坝基扬压力、坝体渗流量、坝基渗流量、绕坝渗流；（4）近坝库岸边坡表面变形；（5）8号支墩的所有监测项目；（6）14号支墩的所有监测项目；（7）各部位的巡视检查结果。

3.2.4 监控测点

新丰江大坝的仪器监测点总数并不多，为全面掌握大坝的整体变形和渗流性态，并兼顾重点关注部位的运行性态和重点关注问题变化情况，将新丰江大坝绝大部分仪器监测点纳入监控。

3.3 监测评判

监测评判前需要对仪器监测数据进行在线筛选和管理，在线监测管理功能模块界面见图1，主要功能包括信息及时性检查和数据有效性检查。

图1 在线监测管理模块展示Fig.1 Display of online monitoring management module

3.3.1 信息及时性检查

新丰江大坝各监测项目现有的监测频次已满足相关规范和在线监控的要求，因此按照现有的频次，进行及时性指标设置。

3.3.2 测值有效性检查

监测数据报送入库后，测值有效性检查主要依次通过测值物理意义检查、量程限值检查、包络域限值检查、统计模型限值检查等步骤进行控制。测值有效性检查流程见图2。

图2 测值有效性检查流程Fig.2 Checking the validity of measured values

3.3.3 监测融合及单测点指标

监测数据筛选完成之后，进行监测数据的评判，由单测点监控→监控项目→监控部位→监控对象，逐层融合。在线监控评判设置模块界面详见图3。

图3 在线监控评判设置模块展示Fig.3 Display of evaluation setting module of online monitoring and controlling system

单测点监控指标主要采用时效性、变化速率、绝对值限值法三种方法进行设置，时效性、变化速率监控均以建立统计模型为基础。新丰江大坝为混凝土坝，对所有监控项目建立统计模型，目前变形、渗流项目均较稳定或无时效，因此监控中模型表现为不存在时效则为正常；统计模型出现时效，且时效趋于收敛的为测点轻微异常，时效表现为直线或发散的为测点一般异常；无严重异常。

变化速率监控，即判断模型的时效年变化速率是否超过设定值（一般为近几年的年平均变化速率），适用于尚未稳定的边坡变形等，速率超限即为测点异常。新丰江大坝不存在不稳定的变形，因此不采用变化速率监控。

绝对值限值法可采用三种方法，即固定上下限法、历史极值法和统计模型法，每种的上、下限值均可最多分3级，分别对应轻微异常、一般异常和严重异常。

固定上下限法、历史极值法无需建模，主要适用于：（1）统计模型精度较低（复相关系数小于0.8）；（2）曾经有报告中提过极限监控指标；（3）变形、渗流的一些控制性数据，如坝体最大变形、坝基渗压系数设计值、渗漏量等；（4）分析具体情况，认为需要设定的其他情况。

固定上下限法指采用固定的限值进行评判，如：y≤[y设计值]，[y设计值]为设计直接给出的值，或通过换算得到的设计值；y≤[y经验值]，[y经验值]为通过以往工程经验得到的值。历史极值法即[ymin]-kS≤y≤[ymax]+kS，其中[ymax]、[ymin]为统计时间序列内的极大值和极小值；k为放大倍数，S表示模型标准差，倍率可人工调整，或根据精度、量程等直接采用固定值。统计模型法即通过建模后取模型标准差的若干倍数设置限值。

3.4 巡检评判

巡检模块界面如图4所示。

图4 巡检模块展示Fig.4 Display of the patrol inspection module

3.4.1 巡检信息获取

新丰江智能巡检采用基于移动设备的巡检方式，即通过手机（或平板）等移动设备扫描设置在巡检对象的芯片，系统引导开展巡视检查工作，并将巡视检查时间、路径自动记录，对检查到的现象进行专业化描述，同时拍摄必要的照片、视频，巡检结果自动上传至服务器，实现对检查结果的查询、对比及分析。对空腔、洞室等日常无法近距离巡检部位，通过监控视频进行巡检。

用户根据大坝实际结构或工作习惯定义多级巡检部位，将对象与相应的部位关联。按部位将对象进行分类组合，用户可以直观地按部位查询关联对象的检查结果。

3.4.2 巡检结果评判

巡视检查结果异常评判规则的设置方法为：选定巡视检查对象的检查项，并指定异常类型（无异常a、轻微异常a-、一般异常b和严重异常c）。巡检对象的异常结论不代表整个大坝的巡检结论，如监测系统、柴油发电机等的异常不影响大坝整体巡检正常的结论。应由各巡检对象的巡检规则及结论，通过逻辑表达式逐级融合为巡检的总结论，也分为正常a、轻微异常a-、一般异常b和严重异常c。

3.5 结构安全度评判

结构安全度评判模块界面如图5所示。

图5 结构安全度评判模块展示Fig.5 Display of structure safety evaluation module

根据大坝原有的设计计算结果和复核结果，对比实际计算条件与原计算条件的差异，当两者差别不大时，可根据原设计成果定性评判稳定、应力满足规定，给出结构安全度“正常”的结论。

若实际的荷载及其组合、计算参数、计算模型与原计算条件发生较大差别时，按实际情况进行抗滑稳定及应力计算，与规范值进行比较，得出结构安全度正常与否的结论，分为正常a、轻微异常a-、一般异常b、严重异常c四种结论。

当上游水位不超过116.00 m，地震不超过9.5度，扬压力测值不超过设置的一级限值时，评判新丰江大坝结构安全度为正常；若大坝出现荷载及其组合、计算参数改变，即库水位超过116.00 m、地震烈度超过9.5度或扬压力超三级限值时，需进行坝基抗滑稳定及应力计算。

3.6 综合评判

根据最后一层各水工建筑物（环境量、大坝、溢洪道、放水洞、厂房、近坝库岸）层的评判，融合成综合评判，即最终推出水电站枢纽区整体安全的评判等级：A、A-、B、C四个不同的水平等级，分别对应为：正常、轻微异常、一般异常和严重异常。融合监测数据、巡检信息和结构安全度评判的新丰江大坝安全综合评判结果见图6。

图6 新丰江大坝安全综合评判结果Fig.6 Result of comprehensive safety evaluation of Xinfengjiang dam

4 结语

新丰江水电站大坝安全在线监控系统解决了对大坝安全“控”的及时性问题，实现了大坝监测监控手段的巨大转变，并且在国内率先实现了监测、巡检、结构计算的融合，实现了对大坝安全的综合评判。系统达到了专业化、信息化、数字化的要求，实用性强，迈出了信息化在大坝安全领域成功运用的一大步，满足了监管机构和电力企业对大坝安全管理信息化升级的迫切需要，促进了水利水电科学技术的发展。