桓仁大坝自动化监测改造工程施工

刘长东，朱 南

（1.国电电力发展股份有限公司和禹水电开发公司，辽宁本溪 117201；2.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春 130061）

1 工程概述

桓仁水电站位于辽宁省桓仁县城东北4 km处，是浑江流域第一期开发工程。电站以发电为主，兼有防洪、供水、灌溉、养鱼等综合效益。桓仁水库总库容34.6×108m3，属于大（1）型I等水利工程，大坝为1级建筑物。大坝为混凝土单支墩大头坝，坝顶全长593.3 m，最大坝高78.5 m，坝顶高程312.5 m。电站目前共装机5 台，总容量246.5 MW，设计年均发电量4.77×108kW·h，保证出力33.0 MW。

改造项目实施前，桓仁大坝主要布置了大坝表面及内部位移、裂缝开度、坝基扬压力和绕坝渗流、上下游水位等监测项目。大坝表面及内部位移、绕坝渗流、上下游水位等已开展自动监测，但大坝裂缝开度、坝基扬压力监测仍然采用人工观测手段，工作量较大且效率低，不满足安全监测现代化要求，需增加自动化观测设施。

2 主要工作内容及要求

2.1 大坝扬压力自动化监测改造

桓仁大坝扬压力监测早期采用人工方式，当扬压力水位未超出地面时采用水尺监测，高于地面时则采用压力表读数，人工观测工作效率低下。为实现自动化监测，在每个测压管内安装1 支钢弦式渗压计，仪器由水工电缆连接并引出管口。为此，需要对原测压管口进行改造，即加装不锈钢四通，其中的两个侧通分别引出电缆（带密封堵）和连接压力表，顶端连接直立的水位管（无压孔）或封堵盖（有压孔），见图1。

图1 扬压力孔口改造示意图

渗压计安装在测压管内，其安装高程不能低于多年最低扬压力水位测值以下1.0～2.0 m。当渗压计安装深度大于5.0 m 时，采用不锈钢钢丝绳悬吊固定。传感器量程根据各扬压力孔实测最大扬压力测值进行选择。桓仁大坝扬压力测值大多在0～350 kPa，个别孔可达500 kPa，总体属于小压力范畴。由于渗压计本身具有1.2 倍满量程特性，个孔的仪器量程选择不低于其最大测值即可。该工程选取渗压计的量程分别为170 kPa 的61 支、350 kPa的12支、700 kPa的6支，总共79支渗压计。

2.2 大坝裂缝开度自动化监测改造

桓仁大坝裂缝开度监测主要分布在250.0 m高程廊道两侧坝段接缝或坝体裂缝，共计15 个测点。每个测点安装机械式测缝计（3 向），由人工采用千分尺观测。受位置局限和环境光线不足影响，人工观测操作不便，效率低，甚至带来人为误差。为实现自动化监测，在每个测点处安装3 支钢弦式测缝计，分别测量原裂缝（接缝）的X，Y，Z方向变化量，其中，X代表平行坝轴线的水平向，Y代表垂直坝轴线的水平向，Z代表竖直向。

仪器安装过程中，3 支传感器应与原机械式测缝计的X，Y，Z方向保持平行，保证传感器测值变化与原人工测值一致。由于大多数裂缝位于廊道或护栏旁边，通道比较狭窄，如果仪器保护罩过多侵占通道，将影响人员通行。因此，垂直于墙面的水平向测缝计（水平纵向测缝计）需采用钻孔方式安装，即仪器的固定端尽量锚固到混凝土内，仅将伸缩端置于孔口，见图2，从而降低保护罩的厚度，减少其占用通道空间。水平纵向测缝计和竖直向测缝计的伸缩端均固定在裂缝对侧的悬臂支撑角钢上。结合桓仁大坝裂缝（接缝）特点，监测仪器选择量程为50 mm 的表面式测缝计，传感器类型为钢弦式。

图2 三向测缝计安装示意图

2.3 自动化采集设备布置

此次自动化改造工程的中心站仍为原有中心站（设在水工楼内），新增1 台数据服务器，完善原中心站内数据采集备份工作。现地站则就近布置在大坝廊道内，采集设备选择32 通道的数据采集单元（DAU），在235.0 m 高程基廊安装3 台（11 号、19 号、26 号坝段），250.0 m 高程廊道安装2 台（19号、4 号坝段）。现地传感器就近接入邻近的DAU，DAU 通过485 信号线接入中心站。软件部分则是对原系统进行升级及新装仪器设备数据库信息维护等。

3 项目实施

3.1 监测仪器设备的选择及检验

测缝计和渗压计等监测仪器采用北京基康的产品，数据采集设备选择中水东北勘测设计研究有限责任公司制造的DB4000A 型多功能数据采集单元。上述产品质量可靠、稳定，技术参数完全满足工程要求，仪器安装前均经率定检验合格[1]。

3.2 渗压计安装埋设

搜集各扬压力以往测试数据，逐孔确认仪器量程。检查原有管路是否能够打开，是否存在漏水现象，确保仪器安装后整体管路正常，对不合格的管路及接头、阀门进行更换。

渗压计安装前用水浸泡时间不低于2 h。在安装前取出进行测试，并以此作为初始值。打开测压管口，将仪器缓慢投入到测压管内，保证仪器处于最小扬压力水位以下1.0～2.0 m。将仪器电缆从四通一侧出线孔引出并旋紧密封盖，读取渗压计读数，其计算结果（压力）应与仪器入水深度一致，否则需拔出渗压计，重新测量初始值和入水深度，直至结果吻合。安装完成后，及时记录孔口编号、仪器编号、安装日期、高程、初始值及仪器灵敏度系数等特征参量。

3.3 测缝计安装埋设

在不影响原测缝计工作的情况下，选择合适位置开孔，钻孔方向与原测缝计的X（Y）向平行，钻孔设备为水电钻，孔径76 mm，孔深不小于仪器长度（40 cm）。钻孔清洗干净后，孔内回填搅拌均匀的粘稠砂浆，再将测缝计一端插入砂浆内，仪器伸缩缝置于砂浆外，保证砂浆外的一端自由伸缩。待砂浆达到强度后，测缝计的自由伸缩端固定在裂缝对侧延伸过来的支架上。另一支平行于Y（X）向的水平测缝计为跨缝安装，利用仪器两端万向节连接的锚头固定。选定仪器安装位置后，利用电锤在仪器两端位置打孔，孔内填入少量水泥浆后插入仪器锚头。竖直向（平行于Z向）的测缝计则是一端安装在支架上，另一端采用万向节上的锚头打孔固定在墙壁上。每个测点的3 支测缝计在固定前均拉伸2～3 cm。全部仪器安装完成后，根据测缝计及支架突出墙壁的规模，加工相应尺寸的保护罩（不锈钢材质）对测点进行保护。最后记录各测点的编号、安装日期、测缝计编号及安装方向、初始读数等，同时测量安装当日原机械式测缝计的3 个开度值。

3.4 DAU 测控装置安装调试

3.4.1 DAU 安装

DAU 采用DB4000A 多功能数据采集单元，设备外观为不锈钢壳体，具有防潮功能，运行可靠。DAU 设备采用4 个膨胀螺栓将四角固定在廊道混凝土墙壁上，接入临近的渗压计和测缝计电缆，实现自动化观测；各仪器电缆及485 信号电缆等均粘贴醒目标签，并由桥架或保护管进行保护，确保走线整齐、有序。设备附件（如支座和支架等）也是不锈钢材质，采用不锈钢胀栓固定在混凝土表面上，并将壳体连接接地线。各DAU 的具体编号、位置及仪器接入情况见表1。

表1 桓仁大坝自动化改造工程DAU 安装情况

3.4.2 观测数据比对测试

接入DAU 的监测仪器，在接入前后均进行了人工和自动化的比对测试工作，比测采用方差分析法[2]，取每个监测点试运行期自动化监测和人工监测相同时间、相同测次的测值分别组成自动化测值序列Xzi和人工测值序列Xri，两者差值δi：

比测偏差序列的均方差δ：

控制限值θ：

式中：i为第i次比测；n为总比测次数；σz，σr分别为自动化和人工的测量精度；ez，er分别为自动化和人工读数的标准差算数平均值。

经过逐一对比测试，桓仁电站安装的79 支渗压计和47 支测缝计（包括溢流坝挡墙上的2 支测缝计）的比测偏差序列的均方差(δ)均控制在限值(2θ)以内，即δ≤2θ，检测结果全部合格，说明自动化监测结果满足准确性要求。

3.4.3 自动化观测短期稳定性测试

自动化系统短期测值稳定性主要通过短时间内重复测量结果的中误差来评价。假定在短时间内水位、温度、压强等环境量基本不变，则相关监测值也应基本不变。通过自动化监测系统在短时间内连续测读n次，读数分别为x1，x2，…，xn，计算中误差，根据中误差评价读数精度及测值稳定性。n次实测数据算术平均值xˉ的计算公式：

短期重复测试数据的中误差σ采用贝塞尔公式：

根据DAU 技术指标，钢弦的测试精度为0.500 Hz，温度的测试精度为0.100 ℃；此次短期测值稳定性的实际最大频率为0.396 Hz，最高温度为0.096 ℃，均满足相应精度指标要求，说明各传感器的短期测值稳定性均合格。

4 结语

自动化改造工程实施后，桓仁大坝的接缝开度和扬压力监测实现了自动化观测，观测数据能自动采集分析和上传，解决了原人工观测手段效率低下问题。经过半年多时间的检验，改造后的自动化安全监测系统运行平稳，完全能够满足工程需要。