抽水蓄能电站大坝强震监测系统改造

王 乾

（内蒙古呼和浩特抽水蓄能发电有限责任公司，呼和浩特 010051）

0 引言

地震具有突发性及难以预测性，对抽水蓄能电站大坝等水工建筑物的影响巨大[1-10]，如果无法实时捕捉地震后的监测数据，可能造成大坝坝体及坝基变形，因此在地震后对大坝反应特性及受地震荷载时是否存在安全隐患进行研究具有十分重要的意义。邱炳坤等[11]研究发现，地震对地下厂房结构加速度和位移响应有重要影响；陶永霞等[12]研究了地震时四种不同边界条件下厂房主要结构的反应特性，结果表明，顺河向地震荷载作用对厂房影响很小，但考虑到黏弹性边界条件对顺河向地震波有一定放大作用，因此不可忽略。胡良明等[13]研究表明，大坝在最大可信地震作用下，坝体处于基本完好状态，但随着地震波加速度峰值的增加，坝体由基本完好状态过渡到严重破坏状态，进而影响大坝的安全稳定运行。张宇等[14]模拟大坝在地震激励时的应力、位移和破坏情况，结果表明，强震作用下坝体损伤最明显的部位为下游折坡处和坝踵，尤其是对混凝土重力坝坝踵部位的影响可能会对大坝整体造成损伤；石磊等[15]以贵州省境内的水库地震台网及大坝强震系统记录的典型事件为例，通过对库区地震事件定位、地震性质分析、滑坡事件监测、大坝对库区小震的放大效应进行分析，探讨了水库地震台网及大坝强震监测系统在水电站工程安全监测中的重要作用。本文针对内蒙古呼和浩特抽水蓄能发电有限责任公司（以下简称呼蓄电站）强震监测系统进行改进，对强震监测系统现状及改造后的效果进行分析，以为震后大坝安全评估提供借鉴。

1 呼蓄电站及其强震监测系统概况

呼蓄电站位于呼和浩特市东北部的大青山区域（距离市区约20 km），由上水库、水道系统、地下厂房系统及下水库四部分组成，工程等别为一等，工程规模为大Ⅰ型。主要建筑物按1 级建筑物设计，次要建筑物按3 级建筑物设计。总装机容量为1200 MW，设计年发电量20.075 亿kWh，年抽水电量26.767 亿kWh。工程区50 年超越概率10%的基岩水平地震动峰值加速为161 gal，相应的地震基本烈度为Ⅶ度。

呼蓄电站大坝强震监测系统始建于2014年，采用北京瑞区斯特科技有限公司的PA-4型加速度传感器和HR24-27 水工结构强震与振动监测分析仪。上水库布设10 个强震动测点（7 个三分向加速度测点和3个单向加速度测点），下水库布设6个强震动测点（5 个三分向加速度测点布置在拦河大坝上，1 个自由场测点），如图1、图2 所示。大坝安全监测系统采用南端DSIMS5.0系统。

图2 下水库坝上强震动测点布置图Fig.2 Layout of strong vibration measurement points on the dam of lower reservoir

2 存在的问题

现场检查和测试表明，呼蓄电站大坝强震监测系统上水库10个强震动测点、下水库6个强震动测点均无有效信号输入，判断记录仪通道损坏；在传感器附近敲击，加速度幅值未发生改变，判定传感器已损坏。上、下水库的强震记录仪多个通道没有信号输出，可能为内部关键部件AD 芯片已损坏。信号电缆多处裸露在外且已老化，保护软管已腐烂。强震监测系统只能保存原始数据，计算简单的加速度值，无法据此评判地震对大坝的影响，不能自动出具分析报告，也不能与南瑞DSIMS5.0大坝安全监测系统联动。

综合以上分析，现有强震监测系统完全瘫痪，已无法满足大坝安全监测要求。

3 改造方案

根据DL/T 5416—2009《水工建筑物强震动安全监测技术规范》，设计烈度Ⅶ度及以上的1级水工建筑物应设置结构反应台阵。呼蓄电站大坝强震监测系统改造方案如下。

3.1 系统配置

将传感器、采集仪、供电线路、通信线路改造升级，并增加自动采集系统，以此实现数据的自动采集和分析，减少人工承担的系统维护和数据分析工作。新建强震监测系统将上下库的监测数据通过光缆汇集到厂房通信室，由1 套强震监测软件实时处理监测数据。

本次改造中上水库10 个强震动监测点和下水库6个强震动监测点位置不变（见表1、表2）。仪器采用QZ2013 型三向力平衡加速度传感器和G01NEI-3 型强震仪，并配套DZJC2022S2 工程地震动与振动监测软件，从而组成一套自动采集数据、保存数据、分析数据的大坝强震监测系统。改造后的大坝强震监测系统结构示意图见图3。

表1 上水库10个测点加速度传感器安装位置及配件配置Tab.1 Installation position and accessory configuration of acceleration sensors at ten measuring points in upper reservoir

表2 下水库6个测点加速度传感器安装位置及配件配置Tab.2 Installation position and accessory configuration of acceleration sensors at six measuring points in lower reservoir

图3 改造后的大坝强震监测系统结构示意图Fig.3 Structure diagram of dam strong earthquake monitoring system after reconstruction

上水库10 个监测点、下水库6 个监测点的数据通过现有网络汇集到地下厂房监测室，厂房通信室汇集上下库强震数据（见图3）。数据汇集处理中心（厂房）布置1台强震数据实时处理服务器、1套不间断电源、1台交换机、1个盘柜及地震信息发送模块，并将服务器、交换机、不间断电源等配件安装在盘柜内。将所有数据汇集到厂房监测中心后，即可远程控制记录仪，服务器安装地震信息发布模块（短信模块）可及时将信息发送给相关管理人员，并每天报告系统运行情况。

3.2 系统功能

改造后的强震监测系统主要可实现以下功能：

（1）具有监测数据自动采集、分析、显示、存储功能，发生强震事件后可自动生成分析报告。

（2）以邮件、短信形式向管理员报告系统运行状态，也可以将强震分析结果发送给管理员。

（3）具有地震事件基本信息查询功能。

（4）具有历史数据查询导出功能。

（5）可与南瑞集团有限公司、基康仪器股份有限公司等厂家的大坝安全监测系统软件进行联动。

此次改造实现了强震监测系统与南瑞DSIMS5.0 大坝安全监测系统触发、联动操作：强震监测系统触发后，会给大坝安全监测系统发送地震烈度值，大坝安全监测系统收到地震烈度值符合设定的采集条件后（南瑞DSIMS5.0安全监测系统在对接配置时会设定采集需要达到的烈度值），开始执行预设任务中的采集任务。

强震软件发送配置信息方法如下：在“结构强震动监测数据接收参数文件夹”中“地震触发通知传输IP 地址和端口号”下进行配置，通信协议为UDP协议；只需要配置发送端和接收端的IP地址和端口即可。在大坝安全监测系统内选择操作界面中的选测功能并取选测值；点击添加并选取需要采集数据的模块。然后选择“系统设置”中的“强震联动配置”进行下限和上限设置，并选取需要执行的新建任务并保存。配置完成后，人为触发强震系统与大坝安全监测系统联动，当地震事件的烈度值在配置的条件范围内，就会触动联动机制进行数据采集。

4 改造后效果

呼蓄电站改造后的大坝强震监测系统集数据采集、数据分析、智能报警于一体，具有地震数据分析、结构振动安全分析等30多种数据分析功能。当发生地震时，系统软件会自动分析并生成Word 报告。在网络畅通情况下，系统还可以通过邮件发送系统运行状态，在地震发生后，可将分析结果与报告发送到邮箱。

强震发生后，强震监测系统会向大坝安全监测系统发送烈度值。若烈度值在大坝安全监测系统预设的联动范围内，则会触发联动机制，大坝安全监测系统会下发数据采集指令。

强震监测系统与大坝安全监测系统联动后能够在震后第一时间完成数据采集，无需工作人员手动启动各监测系统，既保证了安全监测数据的时效性，又保证了工作人员的人身安全，同时还在一定程度上缩短了安全监测时间，满足大坝安全监测快速反馈和远程管理的要求，大大提升了管理效率，为实现水电站“远程集控，少人值守”现代化管理奠定了基础。

5 结束语

呼蓄电站改造后的强震监测系统可实现与大坝安全监测系统联动，地震时触发大坝安全监测系统采集重点部位的监测数据。数据采集分析服务器软件可自动处理传回的数据，在线显示加速度的过程曲线及频谱分析曲线，并在线分析最大加速度峰值、有效值及主频值。强震软件可以定时对数据进行分析，如加速度峰值、有效值、频率值等；并支持将分析结果写入数据库。此次改造可为震后大坝安全评估提供更准确、全面的数据支撑。