李俊富，姜盛吉，于秀蓮，王曉麗，劉 洋，韓洪濤

（1.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130021；2.遼寧蒲石河抽水蓄能有限公司，遼寧 丹東 118216）

1 工程概述

蒲石河抽水蓄能電站為一等工程，工程規(guī)模為大 （1）型。樞紐主要建筑物的級(jí)別均為1級(jí)，其中包括上、下水庫(kù)的大壩、下水庫(kù)泄洪排沙閘、廠房輸水系統(tǒng)，次要建筑物為3級(jí)建筑物。

上庫(kù)壩為鋼筋混凝土面板堆石壩，最大壩長(zhǎng)714.0 m，最大壩高78.5 m，總庫(kù)容為1 238萬(wàn)m3。下庫(kù)為混凝土重力壩，壩長(zhǎng)336.0 m，最大壩高34.1 m。地下廠房主廠房開(kāi)挖尺寸為165.8 m×22.7 m×55.60 m （長(zhǎng)×寬×高）， 主變洞為 132.6 m×22.4 m×24.4 m （長(zhǎng)×寬×高）。

2 安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目設(shè)置

根據(jù)工程的特點(diǎn)、建筑物的結(jié)構(gòu)，安全監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目主要包括3大部分。

（1）上庫(kù)安全監(jiān)測(cè)。上庫(kù)安全監(jiān)測(cè)包括①面板堆石壩表面變形監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)內(nèi)容為壩頂及下游壩坡的水平位移與垂直位移監(jiān)測(cè)；②堆石壩內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)內(nèi)容為施工期和運(yùn)行期堆石體內(nèi)部的水平和垂直位移監(jiān)測(cè)； ③混凝土面板變形監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)內(nèi)容為面板撓度、面板與墊層間脫空、面板接縫 （周邊縫、板間垂直縫）開(kāi)合度及剪切變形監(jiān)測(cè)； ④混凝土面板應(yīng)力監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括混凝土應(yīng)力、鋼筋應(yīng)力；⑤滲流監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括壩體和壩基滲透壓力、滲流量、繞壩滲流；⑥上庫(kù)庫(kù)周地下水位監(jiān)測(cè)。

（2）下庫(kù)安全監(jiān)測(cè)。下庫(kù)安全監(jiān)測(cè)包括：①混凝土壩壩頂外部變形監(jiān)測(cè)，包括壩頂水平位移與垂直位移監(jiān)測(cè)；②滲流監(jiān)測(cè)，包括壩基揚(yáng)壓力、滲流量、繞壩滲流；③預(yù)應(yīng)力閘墩錨索監(jiān)測(cè)。

（3）地下廠房及輸水系統(tǒng)安全監(jiān)測(cè)。地下廠房及輸水系統(tǒng)安全監(jiān)測(cè)包括：①結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)；②結(jié)合縫開(kāi)度監(jiān)測(cè)；③巖體變形監(jiān)測(cè)；④巖體滲透壓力監(jiān)測(cè)；⑤滲漏量監(jiān)測(cè)；⑥巖體錨固效果監(jiān)測(cè)。

3 設(shè)計(jì)目標(biāo)

根據(jù) 《大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)規(guī)范》、 《大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)用化驗(yàn)收細(xì)則》等文件并結(jié)合國(guó)內(nèi)、國(guó)際工程安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)蒲石河抽水蓄能電站工程安全監(jiān)測(cè)提出的目標(biāo)要求如下：

（1）實(shí)現(xiàn)成熟可靠的自動(dòng)化觀測(cè)系統(tǒng)。

（2）開(kāi)發(fā)完善的自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

（3）開(kāi)發(fā)完善的遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)，通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)辦公區(qū)設(shè)立遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)管理中心站及在長(zhǎng)春設(shè)立遠(yuǎn)程維護(hù)中心站，實(shí)現(xiàn)樞紐工程安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程管理及遠(yuǎn)程維護(hù)功能。

（4）建立完善的數(shù)據(jù)管理體系。

（5）完成樞紐結(jié)構(gòu)性態(tài)及安全監(jiān)控指標(biāo)的研究、確立及在線分析檢驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)資料分析的自動(dòng)化。

（6）與電廠MIS系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)并實(shí)現(xiàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)整編結(jié)果的Web發(fā)布。

4 自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

蒲石河抽水蓄能電站目前埋設(shè)的所有電測(cè)式一次傳感器均可通過(guò)加裝相應(yīng)的DAU以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化觀測(cè)。設(shè)計(jì)中的部分安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目其本身就已實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化觀測(cè) （如：下庫(kù)壩的真空激光準(zhǔn)直變形系統(tǒng)），因此設(shè)計(jì)必需結(jié)合現(xiàn)有的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，統(tǒng)一實(shí)施，做到經(jīng)濟(jì)實(shí)用、技術(shù)可靠。

4.1 自動(dòng)化采集網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

4.1.1 監(jiān)測(cè)站布置

上庫(kù)壩共建設(shè)6座監(jiān)測(cè)站，其中1座位于壩體右岸 （編號(hào)為GCZS1），5座位于壩體下游側(cè)馬道上（按其高程及由右至左順序分別編號(hào)為GCZS2～GCZS6）。

下庫(kù)壩共建設(shè)2座監(jiān)測(cè)站，也是真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)的發(fā)射端控制室與接收端控制室。按其由右至左順序分別編號(hào)為GCZX1～GCZX2。

下庫(kù)壩外部變形觀測(cè)項(xiàng)目采用真空激光準(zhǔn)直變形系統(tǒng)觀測(cè)壩頂?shù)耐獠克轿灰婆c垂直位移，共有測(cè)點(diǎn)25個(gè) （21個(gè)真空激光測(cè)點(diǎn)，2個(gè)倒垂線測(cè)點(diǎn)，2個(gè)雙金屬標(biāo)測(cè)點(diǎn)）。由于真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)是一套比較完善及成熟的變形觀測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)安裝完成后即具備自動(dòng)化觀測(cè)功能。

地下廠房及輸水系統(tǒng)共建設(shè)1座監(jiān)測(cè)站，編號(hào)為GCZD1。

4.1.2 監(jiān)測(cè)站儀器引入統(tǒng)計(jì)

上庫(kù)壩、下庫(kù)壩及地下廠房的可自動(dòng)化觀測(cè)項(xiàng)目及測(cè)點(diǎn)數(shù)量見(jiàn)表1，根據(jù)各儀器引入相應(yīng)監(jiān)測(cè)站內(nèi)的數(shù)量及類(lèi)型確定實(shí)施自動(dòng)化所需的DAU類(lèi)型及數(shù)量。

表1 GCZS1監(jiān)測(cè)站儀器設(shè)置

上述儀器均為振弦式傳感器，根據(jù)表1中數(shù)據(jù)，確定采用MCD-432型DAU實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集。

4.1.3 上庫(kù)壩自動(dòng)化采集網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

上庫(kù)壩的6個(gè)監(jiān)測(cè)站均安裝1臺(tái)RS485光電轉(zhuǎn)換器，并于GCZS1監(jiān)測(cè)站架設(shè)RS485光纖集線器，其余監(jiān)測(cè)站通過(guò)光纜集中到GCZS1監(jiān)測(cè)站，完成上庫(kù)壩自動(dòng)化采集網(wǎng)絡(luò)的通訊線路構(gòu)建。

上庫(kù)壩為面板堆石壩，自動(dòng)化系統(tǒng)的防雷問(wèn)題非常嚴(yán)重，通過(guò)加裝通訊防雷器及電源防雷器及良好的防雷接地系統(tǒng)可有效的降低系統(tǒng)的雷電破壞機(jī)率。設(shè)計(jì)在每一個(gè)監(jiān)測(cè)站均建設(shè)可靠的防雷接地（接地電阻小于10 Ω），并安裝通訊防雷器1套、B級(jí)電源防雷器1套。

上庫(kù)壩自動(dòng)化采集網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 上庫(kù)壩自動(dòng)化采集網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

4.1.4 下庫(kù)壩自動(dòng)化采集網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

下庫(kù)壩2個(gè)監(jiān)測(cè)站均安裝1臺(tái)RS485光電轉(zhuǎn)換器，通過(guò)光纜集中到設(shè)置于辦公區(qū)的監(jiān)測(cè)管理站，完成上庫(kù)壩自動(dòng)化采集網(wǎng)絡(luò)的通訊線路構(gòu)建。

下庫(kù)壩設(shè)備均安裝在壩面監(jiān)測(cè)站內(nèi)，自動(dòng)化系統(tǒng)的防雷問(wèn)題也很?chē)?yán)重，通過(guò)加裝通訊防雷器及電源防雷器及良好的防雷接地系統(tǒng)可有效的降低系統(tǒng)的雷電破壞機(jī)率。設(shè)計(jì)在每一個(gè)監(jiān)測(cè)站均建設(shè)可靠的防雷接地 （接地電阻小于10 Ω），并安裝通訊防雷器1套、B級(jí)電源防雷器1套。

下庫(kù)壩的真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)采用工控機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集，為防止系統(tǒng)因斷電原因無(wú)法進(jìn)行正常觀測(cè)，設(shè)計(jì)在GCZX2監(jiān)測(cè)站內(nèi)安裝大容量UPS（6 K+12 V×20電池組）為站內(nèi)計(jì)算機(jī)、真空激光測(cè)點(diǎn)及其它DAU設(shè)備供電。

4.1.5 地下廠房自動(dòng)化采集網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

地下廠房1個(gè)監(jiān)測(cè)站安裝1臺(tái)RS485光電轉(zhuǎn)換器，通過(guò)光纜集中到設(shè)置于辦公區(qū)的監(jiān)測(cè)管理站，完成地下廠房自動(dòng)化采集網(wǎng)絡(luò)的通訊線路構(gòu)建。

由于地下廠房位于山體內(nèi)，其自動(dòng)化系統(tǒng)的防雷問(wèn)題較輕，只需通過(guò)加裝通訊防雷器及電源防雷器即可有效的降低系統(tǒng)的雷電破壞機(jī)率。設(shè)計(jì)在監(jiān)測(cè)站安裝通訊防雷器1套、B級(jí)電源防雷器1套。

4.2 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)項(xiàng)目集成與統(tǒng)一

蒲石河抽水蓄能電站自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用分布式體系結(jié)構(gòu)，一次傳感器就近接入DAU，以縮短數(shù)字量與模擬量的轉(zhuǎn)輸距離，同時(shí)減少儀器電纜使用量。采用分布式體系結(jié)構(gòu)能夠保障整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，即使一個(gè)測(cè)控單元出現(xiàn)問(wèn)題也不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。

4.2.1 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成

辦公區(qū)設(shè)立現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)管理站，安裝RS485光纖集線器，通過(guò)光纜將上庫(kù)壩自動(dòng)化采集網(wǎng)絡(luò)、下庫(kù)壩自動(dòng)化采集網(wǎng)絡(luò)及地下廠房自動(dòng)化采集網(wǎng)絡(luò)集中至現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)管理站。由安裝在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)管理站的數(shù)據(jù)采集工作站完成現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集工作及遠(yuǎn)程控制數(shù)據(jù)采集工作。

4.2.2 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通訊控制

測(cè)控單元與采集工作站之間采用RS485通訊總線進(jìn)行通訊連接， RS485通訊采用數(shù)字量傳輸方式，用電纜連接傳輸距離可超過(guò)1 km，通過(guò)埋設(shè)光纜，傳輸距離可超過(guò)20 km，同時(shí)也防止通訊總線過(guò)長(zhǎng)及鋪設(shè)范圍過(guò)廣產(chǎn)生的防雷問(wèn)題。

考慮系統(tǒng)通訊數(shù)據(jù)流量較小，為保證系統(tǒng)通訊的可靠性，基于RS485通訊方式的通訊波特率暫定為2 400 b/s。

4.3 自動(dòng)化系統(tǒng)管理網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

蒲石河抽水蓄能電站工程安全監(jiān)測(cè)管理網(wǎng)絡(luò)基于Client/Server（客戶(hù)端/服務(wù)器）工作方式搭建，樞紐現(xiàn)場(chǎng)設(shè)立現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)管理站?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)管理站擬放置現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集工作站1臺(tái)、數(shù)據(jù)分析管理工作站2臺(tái)及服務(wù)器2臺(tái)，完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集及樞紐的安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理及分析功能，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)涫疽庖?jiàn)圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)管理網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

5 自動(dòng)化軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工作原則

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工作原則為：面向安全監(jiān)測(cè)工程實(shí)際的原則；確保系統(tǒng)的先進(jìn)性；系統(tǒng)的通用性要求；遵循軟件工程開(kāi)發(fā)的原則。

5.2 系統(tǒng)組成及功能

系統(tǒng)主要由4個(gè)子系統(tǒng)組成。

（1）數(shù)據(jù)庫(kù)子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫(kù)子系統(tǒng)是整個(gè)軟件系統(tǒng)的核心，為其他子系統(tǒng)提供底層數(shù)據(jù)服務(wù)支持，主要由原始數(shù)據(jù)庫(kù)、整編數(shù)據(jù)庫(kù)、分析數(shù)據(jù)庫(kù)、系統(tǒng)配置庫(kù)、模型庫(kù)、方法庫(kù)、工程資料庫(kù)等組成。

（2）數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)包括人工觀測(cè)數(shù)據(jù)輸入模塊、自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集模塊、遠(yuǎn)程控制數(shù)據(jù)采集模塊。

（3）數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)主要包括綜合信息管理程序，能夠靈活查詢(xún)數(shù)據(jù)查詢(xún)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，管理工程信息，分析觀測(cè)數(shù)據(jù)圖表、模型，輸出成果的標(biāo)準(zhǔn)圖形及報(bào)表。

（4）Web發(fā)布子系統(tǒng)。WEB子系統(tǒng)主要指觀測(cè)數(shù)據(jù)Web瀏覽與查詢(xún)系統(tǒng)，主要功能為：工程安全監(jiān)測(cè)介紹；工程基本信息的存儲(chǔ)與網(wǎng)頁(yè)發(fā)布；工程相關(guān)資料的存儲(chǔ)與網(wǎng)頁(yè)發(fā)布；工程安全監(jiān)測(cè)成果數(shù)據(jù)的網(wǎng)頁(yè)式瀏覽、查詢(xún)及圖表統(tǒng)計(jì)；工程安全監(jiān)測(cè)成果資料的存儲(chǔ)與發(fā)布。

各子系統(tǒng)之間的關(guān)系見(jiàn)圖3所示。

6 結(jié)語(yǔ)

蒲石河抽水蓄能電站由上庫(kù)壩、下庫(kù)壩、地下廠房及輸水系統(tǒng)組成，具有工程規(guī)模大，地理跨度大，工程安全監(jiān)測(cè)設(shè)置項(xiàng)目齊全，測(cè)點(diǎn)較多等特點(diǎn)。其自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)與實(shí)施難度均較大，因此其安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化的總體設(shè)計(jì)對(duì)于工程的順利實(shí)施非常重要。

圖3 安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化軟件系統(tǒng)組成框圖

蒲石河抽水蓄能電站安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)功能齊全、穩(wěn)定可靠、使用方便，不但可以滿(mǎn)足蒲石河抽水蓄能電站的工程安全監(jiān)測(cè)的需要，同時(shí)也可以提高蒲石河抽水蓄能電站工程安全監(jiān)測(cè)人員的業(yè)務(wù)水平，促進(jìn)蒲石河抽水蓄能電站以至全國(guó)工程安全監(jiān)測(cè)技術(shù)水平的發(fā)展。