李家峡水电站大坝安全监测自动化系统的设计与运行
李 季 陆声鸿 刘爱梅 乔吉庆 李 媛
（1. 黄河上游水电开发有限责任公司，青海 西宁 810008；；2.西安联能自动化工程有限责任公司，陕西 西安 710119 3.北京木联能工程科技有限公司，北京 100011）
关键词：大坝安全监测；LN1018系统；垂线
摘 要：李家峡水电站是黄河上游的大型水电工程，地质条件和结构布置比较复杂，为此设置大坝安全监测项目较为齐全。监测系统采用了LN1018-Ⅱ开放型分布式智能数据采集网络系统，该系统技术先进，稳定性好，可扩充性强，适于恶劣环境应用。因大坝总是在高水位下运行，对垂线等位移观测项目要求较高。垂线系统自1996年开始投入运行就采用了CCD坐标仪，监测数据表明测值规律性好。
1. 工程概述
李家峡水电站是黄河上游龙羊峡至青铜峡河段开发的第三个大型梯级电站,位于青海省尖扎县和化隆县交界处，是以发电为主，兼顾灌溉等综合利用的大型水电工程。电站枢纽由三圆心双曲混凝土拱坝、左岸重力墩、左岸付坝、坝后双排机厂房等永久性建筑物组成，坝高155m，装机容量2000MW。
李家峡峡谷全长5km，坝址位于峡谷中段，河谷断面呈“V”型，左岸岸坡约45。，右岸岸坡约50。，坝顶河谷宽高比约2:1。坝址右岸山势较高，山体雄厚，左岸为三面临空的单薄山梁。坝址区岩体为前震旦系黑云更长质条带状混合岩及黑云绿泥石角闪斜长片岩组成，其间穿插有华力西期花岗伟晶岩脉。
坝基岩体呈单斜构造，走向与河流斜交，倾向上游偏右岸，倾角38。～55。。左岸坝肩岩体受到F34缓倾角断层、F32横河断层、F26顺河断层、f18、f20、f24、f35、f33等为代表的层间断层以及随这些断层伴生的裂隙结构面的切割。坝基开挖后f18、f20、f24层间断层从河床坝基到左岸坝肩约160m高差范围内分布，都与坝基岩面近平行。河床岩体受到F20 、F20—1 、F50树枝状断层及F1断层与层间断层的交汇切割，形成近500 m2的岩体与断层相间的软弱岩区；右坝肩岩体受F27、F43、f12—1、f20、f35等断层及伴生裂隙结构面和F7‘缓倾角硬性结构面的切割。由于这些断层裂隙结构面的切割，施工期两岸存在十分严峻的高边坡稳定问题，运行期对左右岸坝肩抗滑稳定、变形稳定、渗漏稳定均有重大影响。
李家峡水电站地质条件和结构布置比较复杂，所设大坝安全监测项目较为齐全。大坝安全监测系统包含垂线监测、垂直位移监测、坝体应力应变与温度监测、坝体施工横缝和坝体与周边基岩接触面监测、坝基岩体变位监测、坝肩断层处理带监测、坝基11号至13号坝段深层渗流监测、坝基扬压力监测、绕坝渗流监测、漏水量监测等项目。
李家峡水库为日周调节水库，正常运行后库水位变动一般不超过2m，对大坝安全监测自动化系统数据采集时间、观测精度等要求较高。
2. 大坝安全监测自动化系统
2.1 系统组成
李家峡大坝安全监测自动化系统集中了国内外先进的仪器设备，数据采集网络系统采用了西安联能自动化工程有限责任公司的LN1018-Ⅱ开放型分布式智能数据采集网络系统，垂线系统仪器采用了西安联能自动化工程有限责任公司生产的LN2002A型遥测坐标仪，渗漏系统仪器采用了美国基康公司生产的GK4500型渗压计和GK4675型量水堰，静力水准系统仪器采用了南瑞公司的RJ型电容式静力水准仪，但要求输出数字信号。
系统由传感器、数据采集单元(MCU)、中央控制单元、测量控制与信息管理软件及通讯网络构成，实现全系统数据采集自动化以及数据存储、处理、分析自动化等功能。该系统网络技术先进、成熟、稳定性好、抗干扰能力强、可扩充性强、适于恶劣环境应用。
自动化系统的整体布置见图1所示：
图1 自动化系统的整体布置
系统共安装LN1018-Ⅱ分布式智能数据采集单元（MCU）82台，接入各类仪器测点1349个，具体监测项目和仪器如下：
⑴垂线系统：包括0号～5号正、倒垂线系统和右岸针对F7′结构面设置的倒垂线，全部垂线坐标仪共32台；
⑵静力水准系统：包括2059层（21点）、2114层（30点）及2150层（9点）测线，全部静力水准坐标仪共60台；
⑶扬压力系统：包括2035层、2059层、2087层、2114层、2150层的所有测点，共计43孔；
⑷量水堰系统：包括2035层、2059层、2087层、2114层、2150层的所有测点，共计27个；
⑸内观项目系统主要分布于：主坝及基础、引水发电建筑物以及泄水建筑物，埋设的仪器主要是差动电阻式仪器，包括温度计、应力、应变计、无应力计、测缝计、渗压计、钢筋计、钢板计等，共计测点1187个。
2.2 系统运行方式
系统运行方式采用以中央控制室（单元）为中心，实时在线集中控制，即测量、判断、报警同时进行；同时各数据采集单元对所辖的仪器还可按照设定的时间进行自动测量，并保存于MCU中；系统还具有人工观测接口。
系统的中央控制室，承担着整个系统的无人值守、数据采集控制、系统配电、观测数据处理分析等任务，是系统的中枢所在；无人值守工控机与数据处理机之间采用网络通讯。
系统中各设备的电源，均通过位于中央控制室的配电柜进行，柜中配有电压表、电流表，用户可以根据电压表和电流表中的数值，初步掌握现场的运行情况。
2.3 系统实现功能
（1）在线“无人值守”监测及数据采集功能
在工控机上配置系统测控软件，按设置要求对系统中所有设备自动控制，数据自动采集、存贮；实时在线巡测的目的是及时发现系统或结构的故障或异常，数据不是全部都存贮，一般情况每天定时存贮一次观测数据，在水位骤变或结构异常等特殊情况下，则增加数据存贮的次数。
（2）原始数据超限和系统自检及故障报警。
原始数据超限是指同一次观测的读数之间、测回之间超过限差，是明显的设备或系统本身的问题。另外，通讯方面故障、电源系统故障也均属系统本身的问题。出现这类故障，系统在线巡测时可及时发现并进行远程、近地声光屏幕报警，给出故障类型或可能的原因，同时系统运行日志自动记录这些状态信息，运行人员宜立即进行检查、处理，以保证系统正常运行。
（3）物理过程结构化推理功能
在线实时监测中，如果测出的某一物理量超过了设计值或超过了多年数据序列的极值或数学模型中得出的预报值，则系统进行判断和推理，给出是否为监测系统本身的原因。如果是观测系统本身的原因，则要求运行人员对系统进行仔细全面的检查。以上这些信息也是在近地和远程进行声光屏幕报警，这样可及时发现和处理自动化系统或结构物的异常情况，保证结构物的安全运行。
（4）数据管理和处理分析功能
其主要包括：
a 原始数据的检查、计算；
b数据和运行日志的存贮、备份、查询、检索、修改、打印、绘图、制表、各种数学模型分析；
c 日报、年报自动生成、工程资料管理。
（5）远程转输和控制功能
可在远方监测中心进行远程控制，现场的监控机、远方监控机均可控制整个系统，实现系统的全部功能。经授权的远程客户亦可对系统进行访问或控制。现场和远程的工作站是一对“镜象”，都可以完成同样的功能，操作人员感觉不到差别，运行人员可在任一机上对系统进行操作。
（6）主要安全信息共享功能
定时向MIS系统发布反映大坝性态的主要信息，根据工程需要，可主要包括水平位移和垂直位移分布图、重点坝段挠度曲线、坝基扬压力分布图，且在每幅图上同时给出由设计值和历史最大、最小值或数学模型预报值组成的分布曲线。
3. 观测仪器特点简介
3.1 数据采集单元（MCU）
采用西安联能自动化工程有限责任公司生产的LN1018－Ⅱ型开放型分布式网络测量单元， 针对系统仪器的多样性，根据需要分别使用MCU-R、MCU-VB、MCU-D型，其可接入差动电阻式仪器、钢弦式仪器和数字量传感器。
主要技术特点如下：
⑴具有高通用性、兼容性，可接入电压型、电流型、电阻型、卡尔逊型、热电偶、脉冲型、弦式、数字信号等类型仪器；
⑵具有先进的内防技术，防尘、防腐蚀、防水，有防雷电感应和过载保护装置、watchdog功能；
⑶各测控前端之间均电气隔离；
⑷各类型测控前端均可以进行高精度16位（32位）A／D转换，输出标准数字信号；
⑸除受控于中央控制单元外，各MCU均可设定为自动采集工作方式，时间间隔可调，超限值设定，具有一定的存贮容量；
⑹能连续工作，监测到异常数据时，能自动报警（在无人值班情况时，亦能自动报警至手机或呼机中）；
⑺差动电阻式仪器测量采用自动可变、间隙恒流源（可根据仪器绝缘变化）激励检测，以便消除长导线与接触电阻对测值的影响，解决差阻式内观仪器因长时间埋设后绝缘下降、不稳定等情况，确保测量数据的精度及稳定性；
⑻全部测控前端程控方式、命令格式、数据格式对用户开放；
⑼全部测控前端提供人工测量接口。
主要技术指标：
⑴差阻式仪器测量范围：电阻比0.8～1.2，电阻0～120Ω；
⑵标准信号仪器测量范围：±5V，±2V，±500mV，4～20mA；
⑶弦式仪器测量范围：频率400 Hz～4500Hz；温度-50℃～＋150℃；
⑷数据存储量：＞60次／每通道；
⑸测量速度：＜3s／点；
⑹MTBF：＞28000h；
⑺定时采集间隔：1分钟～1月测量一次，可任意设置；
⑻备用电池工作时间：8小时～3天；
⑼工作环境：温度-25℃～＋75℃ 相对湿度小于99%；
⑽工作电压：AC220±10%。
采用西安联能自动化工程有限责任公司生产的LN2002A型遥测坐标仪。
LN2002A型光电式（CCD）垂线遥测坐标仪是采用国际先进技术开发的用于基础与建筑物水平位移变形观测的新产品，可用于大坝、桥梁等建筑物的水平位移变形观测。该仪器是利用光电耦合器件CCD作为位移的检测单元，由于CCD的输出为直接数字信号，故没有感应式坐标仪的“零飘”问题。仪器结构简单，仅由平行光照明系统、光电耦合器件电路、电源、机架等部分组成，没有任何可动元件，真正的非接触测量。属最新一代的垂线、引张线坐标仪。
LN2002A型光电式（CCD）垂线遥测坐标仪用垂线作为被测线体，由CCD传感器检测出被测点相对于垂线的水平位移，用单片机实现CCD器件的程控驱动、信号识别和处理、数据采集、计算和通讯等功能。
 基本测量布置方式见左图。
由点光源发出的光线经透镜后变为平行光源，照射到CCD线阵图像传感器表面，同时将待测线体的阴影投射到CCD线阵图像传感器表面，通过记录待测线体阴影的投射坐标，可检测出待测线体的位移，同时还检测被测线体宽度及个数，作为测值状态判断。
LN2002A型光电式（CCD）垂线遥测坐标仪利用线阵CCD作为位移的检测单元，输出为数字信号，故没有“零飘”和“温漂”问题。被测线体上无须附着任何感应物，是真正的非接触测量。
其指标和技术特点如下：
⑴智能测量技术，测量值后附测量状态，共五种：“测量正常”、“未见测标”、“有干扰”、“CCD故障”、“传感器复位”，确保有测值即为正确值。
⑵非接触式测量、无零漂，无非线性修正问题、无机械动作；完全防止因测件金属体感应雷电而损坏设备；该类型仪器不但可以自动化遥测，也可以人工现场比测。
⑶双绞线直接入计算机RS232/RS485接口，中间无需任何设备，简单、方便，易于施工期自动化监测。
⑷仪器主要技术指标：
测量范围：50mm×50mm；100mm×100mm；
灵 敏 度：0.02mm；
精 度：±0.1mm；
温 时 漂：无；
工作环境：温度－20℃～＋70℃，湿度95%；
输出信号：RS485标准信号，公开的ASCⅡ码程控命令。
静力水准选用RJ型电容式静力水准仪，其技术指标和特点如下：
量程：50mm～100mm；
分辨率：0.01mm；
精度：±0.1mm；
长期零飘：<0.5％F.S./年；
温度系数：<0.05％F.S./℃；
环境温度：－30℃～＋60℃；
输入：AC220V或DC15～30V；
输出：0～5V或±2.5V。
采用4675LV型量水堰监测系统，其用弦式传感器提供一种高灵敏度可靠的水位监测手段，主要部件是悬挂在力传感器下的圆柱形重力浮子，重力浮子的一部分浸在水里，由于水面的变化，改变了圆柱形浮子的浮力，而直接作用在振弦传感器上，改变了它的张力，从而改变了它的谐振频率。
主要技术参数如下：
标准量程：300 mm；
灵敏度：0.02%F.S(最小)；
精度：±0.1%F.S；
线性：±0.5%F.S；
稳定性：±0.05%F.S/年；
温度范围：－20℃～＋80℃。
扬压力监测采用4500S或4500ALV型渗压计，在已经建成的扬压力测压管中放置该型号渗压计，自动监测测压管的压力或水位，且所有型号压力计皆带热敏电阻测温。
主要技术参数：
标准量程：70～175Kpa；
超量程：2×额定压力；
灵敏度：0.025%F.S
精度：±0.1%F.S；
线性：<0.5%F.S；
输出：2500 Hz～4500Hz。
4. 运行情况
4.1 系统运行概况
李家峡大坝安全监测自动化系统自2003年开始施工，在2006年正式投入运行。自动化系统总体运行情况良好，全系统安装的82台LN1018－Ⅱ型开放型分布式网络测量单元，自安装完投入运行后，没有出现过故障。
4.2 垂线系统运行情况
垂线系统共有32个测点，分别分布于拱冠、左右四分之一拱、坝肩等处。1996年12月蓄水之前，垂线系统就投入了运行。一开始就有部分测点采用了CCD技术的遥测坐标仪，2003年对电站实行观测自动化时将垂线坐标仪全部更换为CCD遥测坐标仪。在自动化系统投运之前，采用人工观测的方法进行数据观测，自动化系统投运后，即有系统实现自动测量。下图是几个典型测点的测值过程线及相应的库水位过程线。
从图中可以看出，CCD遥测坐标仪观测精度高，较好地刻划了李家峡水库分阶段抬升库水位时的水平位移特征，对分析、解释大坝变形性态起到了重要作用。
5. 结语
从自动化系统运行的结果看，李家峡大坝安全监测自动化系统的设计是全面的，满足相关规程、规范的要求，选用的开放型分布式网络及数据采集单元(LN1018－Ⅱ MCU)和各种坐标仪均是国内的先进产品。从监测结果看，自动化系统运行的故障率低，观测精度高。
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