分析水电站大坝绕坝渗流自动化监测系统恢复工程 6页

西北水电·2011年·增刊163文章编号：1006m2610(2011)S1—0163—06水电站大坝绕坝渗流自动化监测系统恢复工程丁文昌，韩孛阳(国电电力发展股份有限公司和禹水电开发公司，辽宁省桓仁县117201)摘要：主要针对桓仁大坝、回龙大坝绕坝渗流观测系统的恢复工程中的设计、安装与检验以及振弦式渗压计的安装调试进行了阐述，希望对绕坝渗流自动化观测系统的应用与推广有一定的参考价值。关键词：绕坝渗流；振弦式渗压计；自动观测系统中图分类号：TV698．12文献标识码：ARestorationoftheautomaticmonitoringsystemforseepagearoundhydropowerstationdamDINGWen-chang，HANBo-yang(HeyuHydropowerDevelopmentCompany，Hengren，Liaoning117201，China)Abstract：Thispaperdescribesdesign，installationandinspectionintherestorationofthemonitoringsystemforseepagearoundHengrenandHuilongdamsaswellasinstallationandtestofthevibratingwirepiezometer．Itexpectsthatthispaperwillcontributetotheapplica—tionanddevelopmentoftheautomaticmonitoringsystemforseepagearounddam．Keywords：seepagearounddam，vibratingwirepiezometer，automaticmonitoringsystem厂房及开关站组成。拦河坝长593．31TI，最大坝高1工程简介78．5m，坝顶溢流。设置有12m一12m×10m平板1．1桓仁水电站钢闸门，堰顶高程293m；另设置中孔2in一4In×6桓仁水电站位于辽宁省桓仁县境内浑江干流中1TI，孔口高程275in及底孔4in一2．2m~2．2in。游，是一座以发电为主，兼有防洪、灌溉、养殖等综合坝址区岩石为中生代侏罗一白垩纪火山碎屑利用的水利枢纽工程。坝址控制流域面积10364岩，由安山凝灰岩和安山凝灰集块岩成互层组成，岩km，占浑江流域面积的70．4％，多年平均流量142层自上而下共分16层，倾向下游，倾角15。～20。。m／s。桓仁水电站工程为一等工程，主要建筑物按与坝体接触的岩层为第9，10和11层。第9层为灰P：0．1％洪水标准设计，P=0．O1％洪水校核。设计绿色安山凝灰块岩，岩石致密坚硬，块状构造；第10洪水位为308．7in，校核洪水位为310．8in。校核洪层为紫红色安山凝灰岩，厚度0．6～6In，比较软弱；水位310．8m时，水库总库容34．6亿in。正常蓄第11层为安山凝灰集块岩，块状构造，岩石致密坚水位300m，死水位290m时，水库死库容13．8硬；第12层岩石为浅灰色安山凝灰集块岩，在22～亿m。，有效库容8．2亿m，调洪库容12．6亿m。。25号坝段埋藏较浅，在大坝上游面处埋深仅3～6水库为不完全年调节。In，渗透系数较大，为相对含水层，设计时帷幕灌浆枢纽工程由混凝土单支墩大头坝、坝后式地面在12层并未封闭。坝址地区地震基本烈度为6度。收稿日期：2011-06-15桓仁水电站大坝运行至今，已经省40多a，大作者简介：丁文昌(1974一)，男，工程师，现于困电电力发展股份坝在此期间经受了多次大洪水的考验。经大坝中心有限公司和禹水电开发公司工作．3次定期检查，3次定检评价桓仁大坝为正常坝。ni64丁文昌，韩孛阳．水电站大坝绕坝渗流自动化监测系统恢复工程1．2回龙山水电站复桓仁与回龙大坝绕坝渗流监测系统。回龙山水电站位于桓仁满族自治县向阳乡回龙2工程施工内容村，桓仁水电站下游44km处，是浑江干流梯级开发中的第2级，坝址控制流域面积12506km，多年平恢复工程内容包括桓仁水电站及回龙山水电站均流量为177．6m／s。绕坝渗流监测，其中桓仁水电站4支渗压计(左右回龙山水电站工程原来按P=2％洪水标准设岸各2支)，回龙山水电站6支渗压计(左岸2支，右计，P=0．5％洪水标准校核。相应设计洪水位为岸4支)，共10支渗压计的安装埋设、配套监测电缆221．71TI，校核洪水位为223．8m。1997年原国家电敷设及实现自动化监测系统的安装调试工作。其中力公司安运技【1997】17号文批复，“同意回龙山大安全监测自动化系统由监测仪器、数据采集装置坝按二级建筑物，即设计洪水为100年一遇，校核洪(MCU)、通信装置、监测计算机及外部设备、数据采水为500年一遇，并据此进行大坝安全复核及进行集软件、信号及控制线路、通信、光电信号转换装置必要的补强加固”。虽然回龙山大坝的设计、校核及电源线路等组成。防洪标准较原设计提高了，但由于桓仁～回龙山两3系统设计水库联合调度运行，桓仁水库控制泄流量，回龙山大坝仍保持原设计的相应上游水位不变：设计洪水位3．1绕坝渗流监测目的与意义为221．70Ill，校核洪水位为223．80m。水库正常蓄大坝建成蓄水后，渗流绕过两岸坝肩从下游岸水位为221m，死水位为219m，水库死库容0．72亿坡流出，为绕坝渗流。一般情况下，绕流为正常现ITI，调节库容0．18亿113，为日调节水库。校核洪水象，如果大坝与岸坡连接不好，岸坡过陡产生裂缝或位223．8ITI时，总库容为1．23亿Ill。岸坡中有强透水层，就可能造成集中渗流，引起变形工程于1969年5月开工，1972年9月下闸蓄和漏水，威胁大坝的安全和蓄水。绕坝渗流监测孑L水，同年10月首台机组投产发电，1974年8月大坝中的水位变化如不符合往年变化规律，有较大跳动开始在正常蓄水位运行，1977年1O月工程竣工验时，则应结合上下游水位的变化，分析其变化原因，收。以便及时清除威胁大坝稳定的安全隐患。该工程枢纽为混合式开发，由混凝土重力坝、岸3．2桓仁大坝与回龙山大坝绕坝渗流状况坡式引水道、引水隧洞、全地下式调压井、埋藏式压桓仁大坝绕坝渗流监测系统，在大坝建成初期力管道、地下式发电厂房、地下式开关站组成。拦河投人使用，但由于人为破坏，致使两岸水位观测孔报坝长569．3m，最大坝高35m，坝顶溢流。设置l3废。此次工程为恢复原监测系统。回龙山大坝绕坝ITI一12mx8．4m弧形钢闸门，堰顶高程213m。厂房渗流监测系统首次投入使用。内安装2台机组，装机容量72MW，设计多年平均4监测仪器设备安装与调试发电量2．7亿kwh。坝址区地质条件较复杂，大坝基础地层为寒武4．1监测仪器设备的组装率定纪张夏组厚层状纯结晶火山岩和侏罗纪火山碎屑岩仪器安装埋设前进行率定检验，按照合格标准层。基础岩石断层较多，节理裂隙发育。基岩风化选用。现场检验率定方法如下所述。严重，岩面以下10ITI仍可见节理面风化水锈痕迹。4．1．1灵敏系数K值的率定坝址处曾出现多处规模不同的溶洞，岩溶最发育的(1)率定设备及工具为7—11号坝段地基。坝址区有大小不等的断层0．5MPa压力容器1个，高精度压力表1块，扳118条，通过坝基的有70多条，主要断层34条。手2只，起子1只，钢弦仪器数据采集仪1台。坝址区地震基本烈度为6度。(2)率定步骤回龙山大坝从蓄水运行至今，已将近40a，大坝1)在率定表上填写好率定日期、试验者、仪器在此期间经受了多次大洪水的考验。经大坝中tk,3编号、自由状态下频率。次定期检查、3次定检评价回龙山大坝为正常坝。2)将渗压计放人高压容器内，将压力容器内注2007年，根据第3次定期检查提出的要求，恢满水，并将各仪器的电缆引出。n西北水电·2011年·增刊1653)在压力容器上安装标准压力表，将压力容器级加压至最高压力后又分级退压，直到回零。各级顶盖用螺栓扭紧，然后试加压，检查各密封部位是否测读1次频率，并记录到正规的记录表中。漏水。用摇表检测仪器的绝缘电阻，1O支渗压计绝缘4)对仪器试压3次，分6级加压和减压，每级电阻在100～200MQ之间，均大于设计要求的50测读1次频率，每级稳压10～30min，作一个循环后M，满足要求。结束。取出仪器，测其自由状态下频率并记录。4．2监测仪器的安装与埋设5)计算灵敏系数K4．2．1仪器与电缆连接仪器的电缆在使用前作浸水检查，浸泡12h，线∑P。与水之间的绝缘电阻要大于200MO，同时还检查芯K=——一(1)线有无折断，外皮有无破损等，满足要求后再使用。∑(一)观测电缆接线示意图见图1。式中：P为各级压力时标准压力表读数，MPa；fo为电缆的连接采用热缩材料代替传统的硫化。初始测读的频率，Hz为各级测读的频率，Hz。观测电缆线的连接要保证接头的高压防水，绝6)判定率定资料合格的计算P=(一)(2)缘等要求。接头连接后进行了测试，未见异常，满足接线要△：≤1％(3)求。p。：i×100％≤1％(L4)式中：P为计算的各级压力值，MPa；△为相对误差；K为厂家检验的K值；K为用户检验的K值。当l△I≤1％及n≤1％为合格。本工程共10支渗压计，率定结果各项指标均满足要求。图1观测电缆接线示意图4．1．2防水性能试验目前热缩管广泛应用于观测电缆的连接，具有(1)试验设备及工具工艺简单、省时、效果理想的特点。操作过程如下：压力容器、压力表、进水管、排水管、排水阀、手(1)在要连接的电缆一端预先套上直径18～动压水试验泵、钢弦频率计、兆欧表、扳手等。20mm、里层带有热熔胶的热缩套管，再在电缆的每(2)试验步骤根芯线的一端分别套上1根细的热缩套管，芯线一1)用兆欧表测仪器绝缘度。将绝缘度值大于般采用直径5～7mm的热缩套管。50MQ的仪器放入水中浸泡24h之后，测浸泡后的(2)把铜丝的氧化层用砂纸擦去，按同种颜色绝缘值。若浸泡后绝缘值下降，视为不能防水。互相搭接，铜丝相互插入、拧紧，用焊锡焊接，焊接后2)将初检合格仪器放入压力容器，把电缆从出上锡处表面光滑无毛刺，如有应锉平。线孔中引出，将封盖关好。用高压皮管将泵与压力(3)检查各芯线电阻，测值正常后加热每根芯容器连接，启动压力泵，使高压容器充水，待水从压线的热缩套管，用热风枪从中部向两端均匀加热，排力表安装孔溢出，排除压力容器内所有空气后，再安尽管内空气，使热缩管均匀收缩，并紧密地与芯线结装上0．4级的标准压力表。拧紧电缆出线孔螺丝。合。3)试压水。可加压到最高试验压力，检查密封(4)将芯线并在一起，用专用的自黏胶带紧紧情况；打开回水阀降压至零。如没有封堵好，处理好地把芯线裹在一起，裹时一圈一圈地依次进行，并用后再试压，直至完全密封不漏水为止。力拉长胶带，边拉边缠，使粗细一致，包扎体内不能4)把仪器的电缆按芯线颜色接到钢弦频率计留空气。上。(5)接好电缆的屏蔽层，重复上述(4)步的作5)按最高水压分为6级(等分)。从零开始，分法，包裹之后的电缆外径略小于外层热缩管的内径n166丁文昌，韩孛阳．水电站大坝绕坝渗流自动化监测系统恢复工程为宜。在测压管内距孔底2～4m的位置。(6)将预先套在电缆外层的热缩套管移至缠胶4)安装前安装人员进一步确认测压管的测值带处加温热缩，如果外层热缩套管的内层不自带热变化情况，并对测压管水位进行实际测量，确保仪器熔胶，热缩前应在热缩管与电缆外皮搭接段缠上热的安装位置与设计位置相符。熔胶，用热风枪从中部向两端均匀的加热，排尽管内5)按照设计安装测压管管口附件，须保证管口空气，使热缩管均匀的收缩，并紧密的与电缆结合。附件与测压管的结合处不得漏水；接头热缩前后应测量接线前后的仪器读数，保6)安装前用数据采集单元对仪器进行测量，并证仪器在接线过程中完好记录测量值；4．2．2仪器编号7)将仪器安装到指定高程，准确记录仪器的安仪器与电缆连接好后，严格按设计规定和设计装位置，对仪器进行测读，同时测量测压管内水位读图纸的要求进行仪器编号，同时做好准确详细的记数等初始安装参数；录。编号标注在传感器上、电缆端头与二次仪表连8)进行一段时间的自动化与人工对比观测，保接附近。为了防止损坏和丢失，同时标上2套以上证自动化观测结果与人工观测结果相符。标签备用。编号保证准确可靠，长期保留。4．2．3监测仪器设备的安装与埋设该工程只涉及到渗压计一种监测仪器。(1)渗压计安装埋设前的准备工作1)仪器检验合格后，取下透水石，用开水煮3～5rain，除去透水石上的油污等。2)按需要长度接好电缆。将渗压计透水石与膜片之间的空腔充满水，并放入水中浸泡24h以上，使其充分饱和，排除透水石中的气泡。图3孔口观测电缆线及仪器吊绳固定装置图3)用无纺布将测头包好，确保渗压计进水口通4．3安全监测自动化系统安装调试畅，并继续浸人水中。4．3．1自动化检测系统组成(2)渗压计埋设方法自动化监测系统由监测仪器、数据采集装置绕坝渗流孔渗压计安装方式如图2所示。(MCU)、通信装置、监测计算机及外部设备、数据采1)依照设计及现场放样，准确确定渗压计的接集软件、信号控制线路、通信及电源线路等组成，通长电缆。电缆接长应牢固，接头处作好绝缘处理。过相应配套的软件可完成监测仪器的自动测量、数2)电缆头部的标记做到醒目、牢固、耐久、不易据采集及图表绘制等工作。损坏。为便于安全管理，将自动化监测管理中心站设3)根据设计情况确定渗压计的安装位置。加置在水电站原有监测系统的控制楼内，同时考虑雨工好观测电缆线的固定装置(孔口固定装置见图季系统受雷击的可能性较大，将绕坝渗流自动化监3)，保证仪器在孔内位置不发生变化，渗压计安装测形成独立的运行系统，以防止因雷击破坏原有监测系统。数据采集装置(MCU)安装在业主指定的观测房内，接地极连接在指定位置，MCU采集到的监测仪器信号(RS485)通过串口服务器转换成以太网信号(1L145)，连接在原有的服务器上，再通过光纤将数据传输到自动化监测管理中心站内的数据采集计算机中予以存储，再利用专用的采集及分析软件对监测数据进行实时整理、分析等。图2绕坝渗流管渗压计安装示意图n西北水电·2011年·增刊1674．3．2自动化检测系统功能实现选点测量、定时测量和即时测量等多种测量功安全监测自动化系统功能要求实现监测数据实能。行自动采集和存储，对监测对象进行实时监控，计算(12)分布式组网测量功能。每个模块均设置机远程通信，监测数据计算分析、处理与系统整编，有独立的地址，通过RS485组网方式将多台测控单按合同文件要求，对所有接入系统中的各类监测仪元进行组网控制及测量。器进行一定方式的自动化测量，存储所测数据，并传测量单元实时温度测量，测量电路自动温度补送到现场采集工作站集中储存或处理。测量控制单偿。元(MCU)的功能如下：4．3．3自动化安全监测系统安装布置(1)远程控制和数据采集功能。用户无需亲临在安装前对全部(套)设备、器具、附件，逐一进现场即可实现对测量模块的控制并获取相关数据，行了试验，按照规定的程序及有关技术条款进行施降低了对操作者测试专业知识的要求，同时也极大工，系统安装工艺，调试、试运行均符合国家有关规地降低了现场测试难度。程、规范的要求。(2)现场操作功能。测量模块预留有与便携式(1)监测传感器分布微机接口，通讯方式RS232与RS485可选，可实现1)回龙山水电站监测传感器分布情况现场标定、调试以及数据采集等功能。坝体左岸2支渗压计，右岸4支渗压计，共6支(3)自检功能。通过自检，将模块配置情况和渗压计，观测电缆分别集中引至左岸206m高程廊工况信息及时准确地反馈给上位机。道端头，在该处重新设置观测仪器存放室(数据采(4)实时时钟管理。模块设置有实时时钟，为集装置及数据信号转换装置均安装在此处)；为减定时测量、自动存储等功能提供时间基准，时钟可方少仪器遭雷击的可能，走线时，山上观测电缆线用镀便地通过安装于上位机的配套软件设置。锌钢管保护，埋人开挖好的电缆沟内，并用混凝土覆(5)数据存储与掉电保护。所有参数和测量数盖保护。据存储于专用非易失性存储器中，当系统停电或电回龙山水电站坝体左右岸绕坝渗流自动化监测池耗尽时确保掉电后参数和数据的安全，该采集模走线分布见图4。块数据存储空间为1MB，若每天对所有40个通道2)桓仁水电站监测传感器分布情况采集1次，则可保存不少于20个月的测量数据。坝体左右岸各2支渗压计，共4支渗压计，观测(6)抗雷击、瞬变干扰功能。在MCU数据采集电缆分别集中引至坝体2501TI高程廊道607垂线观箱有效接地的前提下，又在电源系统、通信线路接测室内；为减少仪器遭雷击的可能，走线时，山上观口、传感器输人接口等环节设置了有效的抗雷击电测电缆线用镀锌钢管保护，埋人开挖好的电缆沟内，路，确保模块的安全。并用混凝土覆盖保护。(7)抗电磁干扰。模块采用金属盒封装、在电桓仁水电站坝体左右岸绕坝渗流自动化监测走路设计上对通信接1：3采用测点隔离技术，使系统具线分布见图4。备很强的抗电磁干扰能力。(2)自动化监测设备分布(8)扩展功能。每个测量单元最多可容纳5个回龙山与桓仁水电站各设置1套数据采集单元模块，测量单元的最大通道容量为40路，测量单元(MCU)，各配套安装1台串口服务器，将MCU的设有通信接口，可方便地组建网络测量系统，测量规RS485信号转换成以太网(RJ45)信号，与电厂原有模随网络规模任意增大。的数据传输装置连接，实现远程通讯。(9)混合式测量功能。任意一个通道均可连接回龙山水电站的MCU接人6支仪器，布置在左1支带有温度传感器的振弦式传感器或差阻式仪岸坝体206m高程监测廊道端头处；桓仁水电站的器，通过端口扩展模块。MCU接人4支仪器，布置在坝体250m高程廊道(10)智能式仪器测量功能。通过第三方开放607垂线观测室内。的协议可接入智能式仪器，并形成独立节点。(3)数据采集系统的硬件组成(11)智能化测量功能。可根据用户要求分别数据采集设备包括测控单元(MCU)、电源防雷n168丁文昌，韩孛阳．水电站大坝绕坝渗流自动化监测系统恢复工程器、通讯防雷器、光电转换器、光纤终端盒，其中电源位面以上约2m，此时由2名观测人员用平尺水位防雷器与通讯防雷器安装在MCU箱内，自动化监测计依次测得各孔实际地下水位与孔口距离的实际值拓扑图见图4。，同时用对讲机通知测控中心操作人员进行数据采集，测得读数R，观测时尽量达到人工测量与远程自动测量同步，减少因时间而产生的测量误差。根据测得的L与日，确定地下水位与传感器之问距离的实际值h。h=L—H(5)式中：为地下水位与传感器距离的实测值，m；L为传感器与孔口固定端距离的实测值，in；H为地下水位与孔口固定端距离的实测值，m。(4)因此时传感器温度与水下温度基本相一致，温度对观测结果的影响可以忽略不计，所以对观回龙山水电站桓仁水电站测结果无需进行温度修正。图4坝体左右岸绕坝渗流自动化监测走线分布图根据公式h=19×K(6)5观测频次及监测仪器初始参数的P=(R。一R)×K(7)臼用疋式中：为地下水位与传感器之间距离的计算值，m；P为计算压力值，kPa；K为工程转换系数，仪器5．1监测仪器观测频次厂家给定K=0．10197；R。为模数，仪器初始读数；(1)监测仪器布设后即接人自动化监测系统，为模数，仪器当前读数；K为仪器率定系数。由于监测系统刚安装上，为检查自动化监测系统的(5)将计算值h与实际值h对比，计算观测系性能，初始将系统调整为每2h自动观测1次。现统测量误差：观测频度为每日0时定时观测。(2)特殊情况下，如地震、洪水期、温度剧烈变测量误差=h磊'甄-h×1。。％(8)化前后等其它情况，再酌情增加测次。当测量误差在仪器允许误差范围内，则说明自5．2检测仪器初始参数的确定动化监测系统运行正常。弦式渗压计不同于其他形式的压力传感器，即所指的读数并不是由于压力作用其上。每一支渗压6结语计都必不可少的要得到一个精确的零读数，而这个实际运行情况表明，桓仁与回龙山水电站大坝零读数将用于随后的数据处理(除非监测相对压绕坝渗流监测系统的恢复工程达到了预期的效果，力)，所以弦式渗压计零读数创建的精确与否，对观系统运行可靠、监控方便。测精度的影响至关重要。针对本工程创建传感器零读数及测量结果验证步骤如下：参考文献：(1)选好传感器观测电缆在孔口的固定位置[1]华锡生，田林亚．安全监测原理与方法[M]．南京：河海大学出(此时传感器已安装入孔内)，用平尺水位计精确测版社，2007，11．得传感器膜片处与观测电缆固定端间距离的实际值[2]吴中如．水工建筑物安全监控理论及其应用[M]．南京：河海。大学出版社，1990．(2)将传感器(渗压计)放入孑L中一段时间，让[3]赵朝云．水工建筑物的运行与维护[M]．北京：中国水利水电出版社，2005．其在水中充分浸泡、饱和，排除透水石与膜片间腔体[4]赵志仁，叶泽荣．混凝土坝外部观测技术[J]．北京：水利水电内可能存留的空气，并使传感器温度与孔内温度相出版社，1988．一致，此时的读数即为弦式渗压计的零读数。[5]蔡洪亮．回龙山、桓仁电站绕坝渗流监测竣工报告[R]．桓仁：(3)依次将各传感器提离孑L内液面，距地下水和禹公司．2011．