麒麟寺大坝监测自动化系统改造

浅谈麒麟寺大坝监测自动化系统改造

陈容

（甘肃大唐碧口水力发电厂，甘肃 文县746412）

Dam Safety Monitoring Data Analysis for Bikou

CHEN Rong

The Restoring and Reforming of Bikou Dam Safety Monitoring Automation System

After the Great Wenchuan Earthquake on May 12

摘要

关键字 大坝 自动化 改造 安全监测

Dam; Automation; Reforming; Safety monitoring

1 工程概况

麒麟寺水电站位于甘肃省文县中庙乡，系白龙江干流上的一座梯级电站，上距碧口水电站13.5km,下距宝珠寺水电站76km，其水库末端与碧口水电站尾水相接。坝址以上流域面积26347km2，多年平均流量269m3/s。水库总库容2970万m3，水库为日调节性能。河床式厂房安装3台轴流式机组，总装机容量111MW。

本工程以发电为主，按Ⅲ等中型工程设计，主要建筑物按3级建筑物设计。 枢纽建筑物坝型采用混凝土重力坝，由左岸泄洪闸、河床挡水坝段、河床式厂房（轴流机组）、右岸挡水副坝、GIS开关站等建筑物组成，枢纽前沿总长度252.5m，坝顶宽14.9m，坝顶高程615.0m，最大坝高52m。枢纽对外永久交通布臵在右岸。

麒麟寺大坝安全监测自动化系统采用分布式网络系统，共接入自动化系统155支传感器，共20台数据采集单元，20个测量模块，包括引张线、倒垂装臵、静力水准仪、双金属管标、绕坝渗流、扬压力、量水堰及内观仪器。变形监测自动化系统：坝顶引张线12个引张线仪及左右岸坝顶灌浆洞内校核引张线端点的倒垂系统共2条倒垂线，引张线长度为245.05m；坝基廊道内安装静力水准仪测量系统2条链，567m高程1条链包含4个测点及校核静力水准的双金属管标1套，579m高程1条链包含7个测点及校核静力水准的双金属管标1套。渗流监测自动化系统：绕坝渗流9孔；坝基廊道内567m、579m高程有11套扬压力测压管（压阻式）；在廊道坝基内布设13处渗漏量监测点；坝基与混凝土接触面处共埋设了11支渗压计（压阻式）；用于监测大坝及其它混凝土建筑物（泄洪闸）应力应变的五向应变计组10套（50支）（差动电阻式）、无应力计10支（差动电阻式），钢筋计24支（差动电阻式），锚索测力计10套（差动电阻式）。

2 大坝自动化系统改造前现状

变形监测自动化系统：坝顶引张线12个引张线仪及左右岸坝顶灌浆洞内校核引张线端点的倒垂系统共2条倒垂线，引张线长度为245.05m；坝基廊道内安装静力水准仪测量系统2条链，567m高程1条链包含4个测点及校核静力水准的双金属管标1套，579m高程1条链包含7个测点及校核静力水准的双金属管标1套；引张线仪、双向遥测垂线坐标仪、静力水准仪和双金属管标仪未接入数据采集单元，直接是RS-485接口输出，通过RS-485通信总线与数据采集单元串联，接入中控室工控机。

渗流监测自动化系统：绕坝渗流9孔，目前左岸绕渗孔HZ-04未纳入自动化系统，其余8孔已接传感器（压阻式）实现自动化监测；右岸有5支传感器经检测测值均为标准量18.90mA，测值不正常；另外右岸绕坝渗流测压管（HY-05）传感器无法拔出，测压孔内有杂物堵塞。坝基廊道内567m、579m高程的11套扬压力测压管（压阻式），其中567m高程的数据采集单元已损坏，处于瘫痪状态。在廊道坝基内布设13处渗漏量监测点，4处安装了量水堰仪实现自动化监测，其中受潮的自动化量水堰仪2台（WE-02、WE-06），量水堰外壳已完全锈蚀，无法打开，用万用表对采集模块进行测量发现采集模块电源部分短路，对量水堰计进行测试，量水堰仪已短路，无法上电使用。坝基与混凝土接触面处共埋设了11支渗压计（压阻式），实现自动化，其中567高程的数据采集单元已损坏，处于瘫痪状态。

内部监测自动化系统：用于监测大坝及其它混凝土建筑物（泄洪闸）应力应变的五向应变计组10套（50支）（差动电阻式）、无应力计10支（差动电阻式），钢筋计24支（差动电阻式），锚索测力计10套（差动电阻式）均纳入自动化，实现自动化监测。

图1数据采集装臵布臵图

麒麟寺大坝安全监测采集软件采用HT-DBS数据采集系统，该系统采用智能模块化分布式节点驱动的数据采集系统，是一个开放式的系统，具体走线如图1所示。通信线路方面由于设备分布不均有些地方线路有分叉节点，从RS-485远程传输的理论与实际情况来看，原引张线仪、 双向遥测垂线坐标仪、 静力水准仪和双金属管标仪未接入数据采集单元，直接以

RS-485 接口输出， 通过 RS-485 通信总线与数据采集单元串联， 接入中控室工控机进行统一采集。此种通讯传输方式线路分叉节点众多， 致使自动化系统运行中干扰较多，会造成系统运行过程中通讯不畅，致使中控室上位机下达操作命令及下位机上传信息受阻，数据丢失， 这样对通信的可靠性、稳定性造成影响。目前采集软件不能正常运行，仅对坝顶引张线、倒垂装臵、绕坝渗流渗压计能断断续续采集到一些观测数据，几乎不能自动采集到闸室内传感器的观测数据。总之，由于采集软件不稳定及设备的损坏使得自动化监测数据不准确、不完整、不连续，不能保证数据的准确性、完整性。

3 改造及实现功能

为了更快捷、全面的了解掌握大坝的运行情况，按照《大坝安全监测自动化技术规范》（DL/T 5211—2005）要求并结合本工程的特点，本着节约实用的原则， 在最大限度利用原设备基础上对原系统的供电、 通讯、 监测仪器及设备进行改造，使系统达到长期稳定状态。

同时实现碧口中心站对麒麟寺安全监测自动化系统进行采集、遥测、数据管理等功能，便于流域电站实现无人值守的管理。

3.1坝体变形监测方案及实现功能

（1）水平位移观测改造

坝顶布设了 12 套引张线仪及左、 右岸坝顶灌浆洞内校核引张线端点的 2 套倒垂系统，此次改造主要是测量布局上的改造， 将以上作为测点就近接入 MCU， 以减少对总线的干扰。将坝左的 6 个引张线测点及左平洞的 2 个垂线测点总计 8 个测点， 通过 485 线接入左平洞MCU， 同样， 右侧 6 个引张线测点及右平洞的 2 个垂线测点总计 8 个测点就近接入右平洞 MCU。

（2） 垂直位移改造

坝基廊道内安装静力水准仪装臵 2 条链， 567m 高程 1 条链包含 4 套静力水准装臵及校核静力水准的双金属管标 1 套， 579m 高程 1 条链包含 7 套静力水准装臵及校核静力水准的双金属管标 1 套。

567 高程 4 个静力水准仪及双金属标已经损坏， 为比较在坝基廊道内CCD仪器的稳定性，此次将4台CCD静力水准仪仪器及1台CCD双金属标仪器更换为差动变压器式传感器， 同时更换相关的管路。 579m 高程保留原 CCD 仪器， 对管路进行更换，但对其测量方式进行改造， 将其通过 485 通讯线接入 MCU 进行测量， 以减少对廊道总线的干扰。

此次改造涉及7台CCD静力水准仪器及1台双金属仪器，此部分改造保留原CCD仪器，更换水管管路，将每支仪器单独布设通讯线至MCU，改造后的579廊道静力水准及双金属标作为测点接入1#MCU，通过MCU将测值传输至机房软件解析，这部分的测量仍以原CCD为主，MCU仅仅起到测值通讯的功能。

3.2渗流监测方案及实现功能

（1）绕坝渗流观测改造

新增右岸 OH-Y-04 测点， 进一步完善绕坝渗流监测，全部实现自动化便于管理。检查绕坝渗流测量模块及率定渗压计，更换损坏的测量模块或渗压计，同时将损坏的压阻式渗压计更换为钢弦式渗压计，对线路进行重新布线及保护。对右岸绕坝渗流孔（HY-05）堵塞用高压水枪进行洗孔并进行注水试验。

（2）扬压力监测改造

坝基廊道内 567m、 579m 高程的 11 套扬压力测压管， 本次改造对原有压阻式渗压计更换成美国基康北京公司生产的BGK-4500S-100PSI型钢弦式渗压计，对线路进行重新布线及保护。该渗压计在碧口大坝观测自动化系统中使用稳定性好，且价格不是太贵。

（3）量水堰监测改造

原系统实现自动化后的4台HT-LSY01型量水堰仪（WE-02、WE-06、WE-10、WE-13）不能测量出大坝坝基及坝体总的渗漏量，增加测点WE-07实现自动化，传感器类型采用浮子式传感器，利用WE-06、WE-07及WE-13实现可实时采集坝体及坝基总的渗漏量，为大坝稳定运行提供技术支撑，同时适应于流域电站管理。

3.3 新增环境量

麒麟寺大坝原观测系统中没有建设气温监测点，为满足《混凝土坝安全监测技术规范》（DLT5178-2003）要求，在右岸坝下四十米及距离公路2米的绿化带处新增一个温度监测点，传感器电缆接到右岸坝顶灌浆平洞中的数据自动采集单元（右岸绕坝渗流），新增1个差阻式测量模块，采集单元与右岸绕坝渗流的采集单元共享，实现自动采集。

3.4 系统电源改造

坝顶原部分电源取自坝顶照明电源不稳定。改造后， 统一由1 号闸室通过稳压电源及

UPS 统一分别给坝顶 4 处 MCU 供电。 廊道所有 MCU 及设备用电则由 567 廊道配电箱统一供电。

3.5 系统通讯改造：

（1）坝顶通讯

仍然采用 485 方式作为系统的主要通讯方式， 通过重新布线减少线路的分叉， 坝顶原系统的垂线及引张线仪器通过 485 总线与测控装臵并在一起， 线路交叉较多， 改造后引张线仪与垂线仍然通过 485 线并联， 但分别作为测点就近接入 MCU， 485总线由厂房到达坝面后， 按照先后地址顺序将 4 处 MCU 群串起， 构成无分叉的总线结构。

（2）廊道通讯

通讯总线由厂房通过原预埋电缆将廊道 567 高程、 579 高程处 MCU 串起来。与坝顶一样， 未改造的原部分 CCD 静力水准等测点通过 485 总线以测点形式就近接入 579 高程

MCU。

3.6 系统软件改造

数据自动采集软件采用 Windows XP/NT 环境下一套图视化的窗口软件， 所有监测点均可显示在布臵图上， 每个测点都与数据库相连接， 同时布臵图上的每一个测点又与现场测控装臵的对应仪器相通， 因此操作和选择屏幕布臵图上的测点或采集模块就可以完成对该测点或模块的数据采集、 换算、 处理、 入库等全部过程。 对自动采集的数据自动入库；

对人工测量的数据， 提供了一个人机界面窗口 ， 可键盘输入进库。 数据采集软件可用于单机采集和网络采集， 如果计算机被设计为 Windows NT 局域网的一个节点，则局域网（ 甚至广域网） 上的任意一台计算机均可以控制计算机进行数据采集， 并把采集的数据传送到