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丹江口初期工程混凝土坝监测自动化
作者:齐伟    文章来源:监测分场    点击数:3508    更新时间:2008-12-25

 丹江口初期工程混凝土坝监测自动化

  

 

(丹江口水力发电厂监测分场,湖北 丹江口 442700)

 

摘 要:简要介绍了丹江口水利枢纽工程,分析了丹江口实现监测自动化工作的必要性和可行性,详细叙述了丹江口大坝的自动化发展过程,对丹江口大坝引进的自动监测系统进行了介绍和运行分析,并对丹江口大坝今后监测自动化的发展趋势作出了展望。

关键词:丹江口大坝  监测自动化  监测系统  传感器

 

  一、引言

 

汉江丹江口水利枢纽工程是我国自行设计和自行建造的一座具有防洪、发电、灌溉、航运、养殖效率的大型水利工程。已建成的枢纽初期工程,设计蓄水位157米,校核洪水位161.4米,混凝土坝坝顶高程162米,最大坝高97米,混凝土坝为宽缝重力坝。工程从1958年开始施工,1968年第一台机组发电,1973年以后枢纽开始进入运行维护期。

丹江口水库属特大型水库,库容大,经济效益及社会效益显著。水库一旦失事,将危及汉江中下游及武汉市千百万人民的生命财产安全,后果不堪设想。因此,大坝的安全监测工作显得尤为重要。为保证大坝安全,便于正常运行管理,并为设计、科研工作提供实际资料,在混凝土坝和土石坝内外布置安装了各种观测设备,用于量测大坝安全运行情况。观测项目包括大坝变形观测、坝基扬压力及渗流量监测、坝体应力应变及温度监测、地震监测。在大坝运行前期,观测方法都是人工观测。当初期工程运行了20多年以后,不少监测设施开始陈旧老化和损坏。由于当时条件的限制,有些(如变形系统)观测方式和手段也显得落后,使得部分项目的测值精度不能满足部颁《混凝土坝安全监测技术规范》的要求。同时,人工观测还存在工作周期长,劳动强度大,观测数据难以及时整理分析,特别是在大洪水高库水位等紧急情况下,难以及时提供资料等问题,因而不适应现代管理的需要。为此,需对照《规范》要求对丹江口大坝监测设施和监测手段结合后期工程进行改进。

随着科学技术的不断进步,各种新科技、新技术也不断地进入大坝监测领域,自上世纪70年代以来,各国均致力于大坝安全监测技术的研究,各类先进的监测技术和新型的监测仪器设备大量涌现,大坝安全监控的理论和方法得到不断的完善和提高。

我国的混凝土大坝安全监测自动化工作始于70年代末,至今经过“六五”、 “七五”、“八五”、科技攻关,成功地研制了大坝安全监测自动化所需的传感器和自动化系统,在数十个工程应用中取得了巨大的社会效益和经济效益。广泛采用的传感器和仪器(如差动电阻式仪器、差动电容式仪器等)精度高、长期稳定性好并能适应恶劣环境。

近年来,国内外又开展了集散式及分布式数据采集系统的开发和应用,并且取得了很大的成功。并且随着微电子技术和计算机技术的飞速发展,国际测控界出现了模块化技术和虚拟仪器技术,其主要思想是硬件上实现低功耗、高速度、高集成度,整个测量单元安装在一个模块内,取消了所有的开关、旋钮、显示等环节而其功能由计算机来实现,通过操作计算机鼠标和键盘完成一切功能。这样,使系统配置更加灵活、可靠,功能更加强大。以国家电力公司电力自动化研究院大坝监测技术研究所为代表的研究生产单位利用测控技术的最新成果,研制成功了各类新型数据采集智能模块,具有可编程功能、可接入多种传感器、支持多种通信方式、强大的自诊断功能、功耗低并能适应恶劣环境,可方便地应用于分布式大坝安全监测系统。

同时,大坝安全监控管理系统软件平台已从DOS升级到WINDOWS98、WINDOWS NT、WINDOWS XP,具有在线监控、离线分析、大坝安全管理、网络系统管理、数据库管理、远程辅助服务等部分,包括数据的人工/自动采集、在线快速安全评估、大坝性态的离线性态分析、监控模型/分析模型/预报模型管理、预测预报、工程文档资料、测值及图形图象管理、报表制作、图形制作、辅助工具、帮助系统、远程辅助服务、演示学习系统等功能。这些情况表明,国内研制的混凝土大坝安全监测自动化技术已经成熟。并且自动化监测以其精度高、速度快、省工省力,并能任意加密测次,资料的连续性、实时性好等优点,使其越来越受到人们的欢迎。自动化监测技术在漫湾、新安江、龙羊峡等工程均有成功应用的经验。所以,丹江口工程作为国内大型水利水电工程之一,其大坝安全监测实现自动化是必要的,在技术上也是可行的。从85年至今二十多年的时间里,丹江口大坝的管理者也循序渐进地把一些新型的监测技术引入到丹江口大坝的监测工作中来,在混凝土坝监测中引进了多套自动化监测系统,为丹江口大坝的技术引进、设备改造积累了经验,同时也提高了管理手段。现将丹江口大坝监测工作向自动化方向的发展经历作一概述,为以后向自动化方向的发展提供一些经验和启示。

 

二、丹江口大坝引进的自动监测系统

 

㈠、青岛扬压力自动监测系统

1985年原水工厂首次将青岛海洋仪器研究所研制的震弦式渗压传感器引入到丹江口大坝的测压管观测中,共引进了138支,安装在丹江口大坝基础廊道内的测压管中,由于当时技术和工艺上的局限性,传感器在安装后一段时间出现了传感器密封不严,内部渗水、弦丝锈蚀等质量问题,后又专门改进了十二支传感器,但是也没有从根本上改变传感器耐久性的问题。并且当时的数据采集系统为单板机结构,在计算机技术高速发展的年代,该监测系统很快处于技术落后状态,运行一段时间后,系统即被淘汰。该套系统的引进为当时的监测自动化改造工作吸取了教训,但也积累了经验,为以后的自动化改造工作也奠定了一定的经验基础。

㈡、引进Sens-Log自动监测系统

⑴系统安装情况

丹江口于1989年率先在全国水电系统中引进法国Telemac公司的全套大坝安全监控系统的设备和技术,对27、31二个重点坝段实施在线监控。该系统为我国首次引进。水利部水管司、南京自动化研究所、丹江口水利枢纽管理局三家共同考察国外的设备情况后,认为法国监测仪器具有当时较先进水平,监控模型软件亦有国内研究参考的作用,结合有限的外汇额,决定引进法国大坝监测系统。1995年又引进了加拿大Roctest公司的Sens-log监测设备,将该公司的分布式测控装置取代Telemac公司的落后的摸拟传输测控装置,保留Telemac公司的全部传感器。Sens-log系统于1995年12月投入运行,1996年6月该系统通过汉江集团验收。该系统共6种类型的仪器,53套传感器,计69个测点,传感器分为感应式和振弦式两大类型。其中感应式传感器包括:垂线坐标仪10台、基岩多点变位计6套、水管式倾斜仪2套、量水堰1台。振弦式传感器包括:水位计2支、扬压力计11支、气压计1支、温度计8支。引进传感器一览表见表一。

 

表一 引进传感器一览表

仪器类型

仪器型式

仪器数量

传感器数量

量程

最小读数

精度

长期稳定性

扬压力仪

振弦式

11支

11

0~2bar

0~5bar

1cm

0.2%F.S

0.1%F.S

0.1%F.S/年

上下游水位仪

振弦式

1支

2

5bar

1cm

0.1%F.S

0.1%F.S/年

气压仪

振弦式

1支

1

0.8~1.3bar

 

0.1%F.S

0.1%F.S/年

温度仪

振弦式

18支

18

-20~50℃

0.1℃

0.3℃

 

垂线座标仪

感应式

10台

20

±15mm

0.01mm

0.1mm

0.05%F.S/年

基岩多点变位仪

感应式

6套

12

±80mm

0.01mm

0.1mm

0.1%F.S/年

水管式倾斜仪

感应式

2套

4

±10mm

0.01mm

0.05mm

0.05%F.S/年

量水堰仪

感应式

1套

1

0~100mm

0.01mm

0.1mm

0.1mm/年

合计

 

51

69

 

 

 

 

 

系统分为两个子站,1号子站安装在31坝段宽缝内,负责采集安装在31坝段的传感器的测量数据,传感器布置示意图见图1。

 

2号子站安装在27坝段宽缝内,负责采集安装在27坝段的传感器的测量数据,传感器安装示意图见图2。 

 

两个子站通过通讯电缆和位于办公楼机房内的总站相联,由测量人员在机房内对总站操作来完成测量数据的采集。

该套系统具有采集现场数据、制作报表、绘制过程曲线图形,还能完成设置巡检时钟、巡测等功能。在当时是一套具有国内领先水平的大坝自动监测系统,在国内大坝监测领域有着较高的知名度,一度引来了很多的国内同行来丹考察、 学习。
  该套系统运行到寿命期后,二次系统开始出现一些故障,部分传感器出现较大的“零点漂移”等现象,但还是有一部分传感器可以正常工作,如部分扬压力计、量水堰计现在仍在使用中。该套系统可以说是完成了它的历史使命。

  ⑵存在的不足及改进措施

TeleMac自动监测系统自1989年安装完成后,系统的二次部分总是存在着一些问题,使系统不能持久的运行。为使系统充分发挥其作用,于1996年将其二次系统改造成加拿大Sens-Log系统,传感器仍然使用原TeleMac传感器。改造后的监测系统在其寿命期内能够正常工作,在寿命期过后,其二次部分的核心模块CR10开始出现故障,部分传感器也出现老化现象。仍使用国外公司的监测系统成本很高,同时国内的监测自动化技术也有了很大的提高,能够满足工程运行的需要,在比较国内和国外监测系统的性价比后,决定采用南京水文研究所研制的达捷自动化监测系统来取代原系统,具体内容见本节㈥。

㈢、建立静力水准网观测坝基垂直位移

⑴仪器安装情况

由武汉地震研究所和长江勘测技术研究所共同研制的JSY-1型液体静力水准遥测仪是依据液体的连通管原理设计的。于1995年安装在丹江口大坝基础廊道的31~25坝段和防渗板廊道的31~19坝段。其中基础廊道每个坝段安装一台,防渗板廊道每两个坝段安装一台,标定装置安装在防渗板廊道25坝段。仪器布置图见图3。

 

⑵仪器工作原理

在需要量测垂直位移的坝块上设置钵体,钵体之间用管道相连,里面充满蒸馏水,由于连通管原理,各钵体内液面高程是一致的,钵体的盖板上装置固定的检测头,在钵体内的液面上设置浮子。当钵体随所在坝块发生垂直位移时,浮子与检测头之间的相对位置发生变化,于是便可以测出钵体相对液面的高程变化,即可测出相对垂直位移量。

电测法是将浮子与检测头之间的相对位置变化成为一个电讯号输出,经A/D模块转换后趋势输入微型计算机,完成自动采集监测资料的任务。系统还设置了目测装置。这样,不仅在检修电子元器件时可以用目测法采集监测资料,以确保监测资料的连续性,而且在使用电测法时还可以定期使用目测法,以检测电测法所采集的资料有没有因电子元件的原因而产生“漂移”现象。这对于确保监测资料的可靠性有很大的意义。这种设置思想,在当时的国内外自动化仪表中是不多的。

⑶存在的不足及改进措施

因没有形成规模化生产,系统的备品、备件较少,当出现故障时,维修时间过长,影响监测数据的连续性。发现问题后,和研制单位取得联系,一次备够备品备件,保证了系统的连续运行。

㈣、应用EMD-S型遥测垂线坐标仪观测大坝变形

⑴仪器安装情况

由国家地震局地震研究所和长委会勘测局联合研制的EMD-S型遥测垂线坐标仪,是一种新型的电磁感应式仪器。分别安装于丹江口大坝36坝段倒垂线和21坝段正垂线。36坝段倒垂线安装了四台,分别安装于▽110、▽125、▽140、▽159高程。21坝段的正垂线上安装了3台遥测仪,分别安装在▽119、▽104、▽90高程。EMD-S型垂线坐标仪结构图见图4。

 

 

设备在运行期内,曾对该型垂线坐标仪进行了人工、电测测值对比,从对比

的过程曲线上看,两条曲线基本重合,可以说明EMD-S垂线坐标仪是完全符合丹江口大坝监测需要的一种自动监测仪器。

⑵存在的不足和改进措施

该系统因其工作原理的原因,仪器要有一根很细的铜弦丝和垂线线体相连,在长期运行过程中,弦丝会慢慢变硬,会对垂线线体的自由运动有一定的影响,

且在人工监测过程中对垂线线体的误碰更容易引起弦丝的断裂,从而影响监测数据的连续性。在发现系统的不足之处后,在管理上给予了加强,定期对引线弦丝进行更换,比而使该问题得以解决。

㈤、引进DAMS-4型分布式子系统,用于观测丹江口大坝101引张线

⑴仪器安装情况

1997年底引进了南瑞大坝公司的DAMS-4型分布式系统,对Ñ101m廊道25~31坝段引张线(乙线全长150m)实施在线监测。1998年1月现场安装,3月投入运行,1999年3月该线通过汉江集团验收。1999年10~12月在乙线自动测量系统成功的基础上,又对Ñ101m廊道7~24坝段引张线(甲线全长408m)实施在线监测建设,1999年底甲线投入运行。该系统2条引张线共计安装电容式单

向引张线仪24台,电容式垂线仪2台,量距仪2台。仪器布置图见图5。 

 

该套系统是南瑞公司(原南京自动化研究院)利用电容原理研制的电容式传感器,利用电容比将坝体的位移量转换成电量来达到自动监测的目的,系统运行至今,中间虽然也有一些小的故障,但在运行管理人员和研制单位的共同努力下,故障都得以排出,该系统仍为大坝监测发挥其应有的作用。

存在的不足和改进措施

系统安装初期,由研究所配制的水箱混合液在运行过程中出现细菌衍生的情况,液面出现长毛、结壳现象,影响浮船的自由运行,进而影响引张线线体的灵敏度。在发现该现象后,将研究所配制的水箱混合液进行了更换,用粘稠度较小的变压油去替代原混合液,即保证了线体的灵敏度,又能保证水箱液面不会降低而导致线体的搁浅,取得了较好的效果,保证了系统的正常运行。

㈥、引进达捷自动监测系统进行大坝垂线监测

⑴仪器安装情况

2005年底,随着以前安装的系统寿命期的到期及传感器的老化,原水利枢纽管理处对部分老化的系统及传感器进行了更新换代,多方案比较后决定引进了南京水文所研制的达捷自动监测系统,将原法国系统部分尚能工作的传感器引入该套系统,并对法国系统、静力水准系统不能工作的垂线坐标仪进行了更新,安装上了由水文所研制的步进电机式垂线坐标仪。现阶段在丹江口大坝的31、27、21坝段共安装了十三台二维垂线坐标仪。在大坝加高完成后还将在加高部分补装四台垂线坐标仪。三个坝段的仪器布置图大同小异,其中21坝段步进电机式垂线坐标仪布置图见图6。 

 

DG型分布式大坝安全监测自动化系统设备包括监测仪器、测量控制装置(MCU)、中央控制装置(CCU)、电源通讯总线、检测仪表等组成,系统投入运行后,需要进行必要的日常运行、维修和维护管理。目前该系统运行正常。

⑵存在的不足和改进措施

该类型传感器有部分精密机械部件,在大坝廊道内长期运行过程中,特别是加高施工过程中,会有少量异物进入传感器内部,从而影响机械部件的正常运行。

为减少这种情况的发生,运行管理人员对每台传感器加装了保护设施,并加强管理,定期对传感器进行清冼,从而保证了系统的正常运行。

 

三、自动监测系统运行情况分析评价

 

  我厂于1985~2007年先后引进了国、内外的大坝自动化监测的设备和技术,现已完建了多套自动化监测子系统并投入正常运行。建立的监测自动化系统大多运行情况良好,且均已通过验收,满足工程运用的要求。多套自动化监测子系统在寿命期内都能正常运行,从资料上显示,其测值稳定,符合变化规律。为了检验电测值的可靠性,还作了相应人工对比测测量及分析。对自开始运行的所有电测成果进行整理,每个项目的仪器绘制出过程曲线,同时也将人工测值绘上进行比较,对各仪器测值的变形规律进行分析。对符合规范要求的仪器,其相应的人工测点可停测,逐渐地用自动化监测手段取代人工测量手段。

多套自动监测系统通过若干年的运行,并经过廊道长期高湿复杂的环境考验,监控设备运行良好,较少出现故障。仪器测值稳定,监测精度达到规范要求,测值符合坝体变形规律,取得了较好的监测成果,满足工程运用要求。而且各仪器有较高的合格率,特别是Telemac公司的振弦式和感应式仪器已在现场安装运行20多年,有部分传感器仍在使用当中,其测值一直稳定可靠,这在全国水电行业是较为少见。电容式引张线仪、静力水准仪、步进式垂线坐标仪目前运行3~10年不等,其仪器工作均正常。对多套自动监测系统可总结如下:

⑴丹江口引进的多套自动化监测子系统的仪器、设备能在廊道高湿恶劣环境下运行,特别是Sens-log系统的传感器、引线线自动监测系统都已在廊道运行十多年,其电测测值稳定、连续,并同人工有相一致的变化规律,满足工程运用的要求。

⑵自动化监测有测量速度快、精度高、资料连续等优点,并在高库水位紧急情下能及时提供坝的性态资料,还可减少了观测人员,减轻了劳动强度,提高工作效率,是我们监测工作今后的发展方向。

⑶从引进的多套自动监测仪器运行情况来看,各种类型的传感器各有长短。国内的传感器性价比较好,从国外引进的传感器质量较好,但运行期内的正常维护却要比国内生产的仪器要麻烦很多,备品备件的获取不如国产的仪器。

 

四、结束语

 

丹江口在监测自动化的发展之路上历经二十多年,但引进的这几套自动监测系统仅控制了全坝观测点的较少部位,还不能构成对整个大坝的控制,未形成完整的自动监控系统。2000年,原水利枢纽管理处曾请国电南京自动化研究院结合二期工程对丹江口大坝监测系统进行改造设计,并将在用的几套自动化监测系统纳入丹江口大坝总的监测系统中去,最终构成一套丹江口大坝完整的自动监控系统。由于某些原因这步工作暂时未纳入设计当中去。但相信随着丹江口大坝二期工程施工的完成和科技的不断进步,丹江口大坝自动监测工作必将进入新的发展时期,形成覆盖整个丹江口大坝的自动监测网络,为丹江口大坝的安全运行发挥其最大的作用。

 

 

 

  参考文献: 《丹江口水利枢纽大坝安全监测系统及资料分析》

  作者简介齐伟,高级工程师,主要从事大坝自动化监测工作

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