水坝检测

贵州北盘江董箐水电站枢纽水工建筑物安全监测自动化技术方案



除上表所统计的设备设施外,还有平面控制网、精密水准网,它们为上表中各观测墩的观测提供基准、镜站点、后视点,每年校核测量一次。平面控制网由分布在生活区的TN1、溢洪道出口对面山坡的TN2、左岸坝坪沟左侧山坡的TN3、右坝肩山脊上的TN4、溢洪道左岸山脊上的TN5、生活区对面左岸山坡上的TN6等6个基本不受大坝蓄水影响,非常稳定的观测墩组成。精密水准网由4个金属标、20个岩石标组成,从电站下游公路桥开始沿右岸上坝公路埋设至进水口、左岸上坝公路、结束于左岸1#交通洞出口。 渗流监测频次为4次/月,其它监测项目监测频次为1次/月。变形监测的光纤陀螺、电平器、水平位移计、水管沉降仪等已完全损坏,不能修复,从2012年起已停止测量。 变形监测的观测墩用于监测大坝、闸墩、边墙、边坡等水工建筑物的表面变形,采用徕卡TCA2003全站仪观测(测角精度0.5秒,测距精度1mm+1PPm),每个测点每次至少测量8次距离、角度,用极坐标法和三角高程法计算出测点的大地坐标,计算出大地坐标变化值后再转换为坝轴线方向、河流上下游方向、垂直方向的位移变化,采用专用的软件完成测量、计算。其它监测项目,采用数字仪测读12个量,代入公式计算出实际的变形、应力应变、温度、流量等物理量,数据输入EXCEL表格后使用较简单的EXCEL公式即可完成计算。 董箐水电站枢纽水工建筑物安全监测所用的测量仪器如表所示。:

各观测房内设备现状如以下图所示:

放空洞进口观测房 进水口观测房 中控楼电缆层 溢洪道柴油机房 大坝右岸值班室 大坝下游坡378观测房 厂房主机间观测房 放空出口观测房

自动化总体方案
1、自动化监测规范相关要求

《中华人民共和国电力行业标准大坝安全监测自动化系统实用化要求及验收规程》(DL/T 5272—2012)的实用化项目要求有关条文摘录如下。 3.1.6 根据监测系统综合评价成果,结合大坝的重点或薄弱部位、实际安全情况和管理需要,对自动化系统进行专项设计。下列坝型的大坝实现监测数据自动采集的监测项目应包括(但不限于): 1 混凝土坝:水平位移、渗流、环境量 2 土石坝:渗流 、环境量 3 面板堆石坝:面板接缝变形、渗流、环境量。 其它未实现监测自动采集的监测项目或测点,其人工监测数据应能通过人工录入的方式输入“监测信息管理系统”,实现,实现监测信息的及时处理、分析、报送。

2、目前成熟的自动技术路线 目前,水电站枢纽水工建筑物的安全监测分为表面变形监测和内观监测两大类。 内观监测自动化方式都是将已埋设好传感器的电缆头接入数据采集器(简称MCU),MCU将采集到的数据采集后存储,通过RS485总线与计算机网络进行通信,将数据传送到服务器,服务器再进行计算、处理、分析、显示。1个MCU一般可采集32支传感器的数据。国内已有近100个水电站实现了内观监测自动化,生产土木工程内观监测设备的厂家和勘测设计院都能完成内观监测自动化工程的设计、施工,只在设备的可靠性、软件的分析显示功能上有些许差别。典型的内观自动化设备及组网方式如下。 土石坝枢纽水工建筑物表面变形监测是指水工建筑物表面观测墩、水准点的位移监测,自动化的技术路线有4种:测量机器人组网自动监测、GNSS组网自动监测、测量机器人与GPS混合组网监测、三维激光扫描仪监测。 测量机器人是可通过机载软件和自动控制的全站仪,测量精度和速度比董箐现有TCA2003全站仪高。典型的测量机器人有徕卡TM30全站仪、徕卡TM50全站仪、索佳SRX全站仪。典型设备及组网如图所示。:

GNSS的全称是全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System),它是泛指所有的卫星导航系统,包括全球的、区域的和增强的,如美国的GPS、俄罗斯的Glonass、欧洲的Galileo、中国的北斗卫星导航系统,以及相关的增强系统。GNSS组网即用在认为稳定不动的地点布置1到3个GNSS接收机组成基准站点,测点上安装GNSS接收机,基准点GNSS接收机和测点GNSS接收机通过电台或网络通信同步接收相同的卫星信号,进行差分解算,3小时解算最高理论水平坐标精度可达到1mm、高程精度可达到1.5mm。典型的设备及组网如图所示。。

三维激光扫描仪是综合了结构光非接触照相测量和激光测距技术的扫描仪。目前应用高陡边坡、隧洞的地形测量,原始测距精度可达到7mm@100米;4mm@100米。最大的特点是一台仪器不用其它设施配合,即可旋转测量多个坡面,可以得出面、何的表面变形,从而得出边坡的变形情况。设备及技术参数下图。 国内实现表面变形监测自动化的水电站小浪底、小湾、瀑布沟、景洪等20余家,多由勘测设计院联全站仪生产厂家共同完成工程的设计、施工。 3、 董箐水电站枢纽安全监测自动化目标 董箐水电站大坝为混凝土面板堆石坝,按规程的要求,至少应实现面板接缝变形、渗流、环境量的采集自动化。根据华电集团公司水电站 “无人值班、少人值守”的要求,本次枢纽水工建筑物安全监测自动化工程,不但要实现内观监测项目,还要实现表面变形监测自动化。内观测点中能正常监测的传感器要实现数据采集自动化,重要部位能修复的传感器要修复。表面变形监测不仅要实现现有观测墩的变形观测自动化,还要实现对监测部位实时照相巡视、重点边坡无棱镜激光扫描。 董箐水电站枢纽建设期间,溢洪道左岸边坡、厂房后边坡、右坝肩边坡、放空洞出口边坡是重点处理的边坡,进行了卸载和预应力锚索加固处理,布设了多个观测墩,是变形监测的重点。大坝作为枢纽的主要建筑物,堆石体由软岩填筑而成,共布设了40个观测墩监测大坝面板和堆石体的表面变形,是终身必须监测的重点区域。各边坡均较陡,GPS天线上空45度范围内不能有遮挡的要求不能满足,只有使用测量机器人和3D扫描仪监测。大坝坡度大于45度,可使用GPS、测量机器人和3D扫描仪监测。因此,董箐水电站枢纽表面变形监测可选技术方案有测量机器人与GPS混合组网监测、三维激光扫描仪监测。 综上所述,董箐水电站枢纽安全监测自动化应分为两部分(内观、表面变形),内观部分只有1种技术方案,表面变形自动化则有机器人与GPS混合组网监测、3D扫描仪监测2个技术方案。

三、董箐水电站内观自动化监测方案 1、 内观监测部位及项目 董箐水电站水利枢纽监测部位包括大坝、边坡、溢洪道、引水发电洞、导流洞堵头、各部位监测内容如下:

(1) 大坝内观监测项目有:大坝堆石体内部变形、混凝土面板变形、坝体及坝基渗流渗压、坝体堆石体压力、面板应力应变、两坝肩边坡变形监测、两岸坝肩边坡渗流监测。 (2) 边坡安全监测内观项目有:左坝肩边坡、右坝肩边坡、厂房后边坡、进水口边坡、2#导流洞出口边坡、放空洞进口边坡、放空洞出口边坡等边坡的深部变形、渗流渗压、锚索预张力等项目。 (3) 泄洪道安全监测项目有溢洪道左岸边坡的深部变形、溢洪道底板的渗压及抬动、溢洪道闸墩的钢筋应力及锚索预张力等。 (4) 引水发电隧洞安全监测项目有:1#引水隧洞、2#引水隧洞的围岩深部变形、渗压、脱空、围岩锚杆拉力、衬砌混凝土钢筋应力、衬砌混凝土应变、压力钢管应力、出口温度,3#引水隧洞进口库水温。 (5) 厂房安全监测项目有:发电厂房1#、3#机组中心线的基础抬动、锚杆应力、渗压,2#、4#机组尾水管和蜗壳中心线的钢筋应力、混凝土应变、钢管应力。 (6) 导流洞安全监测项目有:左岸1#导流洞堵头的脱空、渗压、温度,右岸2#导流洞堵头的脱空、渗压。 (7) 放空洞安全监测项目有:放空隧洞的围岩深部变形、渗压、脱空、围岩锚杆拉力、衬砌混凝土钢筋应力、衬砌混凝土应变。 2、自动化监测方案

(1)自动采集方案 溢洪道左岸边坡有INYI-1、INYI-2、INYJ-1、INYJ-2、INYK-1、INYK-2、INYC-1、INYD-1、INYD-2、INYE-2、INYG-1等11个测斜孔,厂房后边坡有INC1-1、INC1-2、INC2-2等3个测斜孔、进水口边坡有INYSA-1、INYSA-2等2个测斜孔,左坝肩边坡有INBL5-1测斜孔,右坝肩有INBR2-1测斜孔,放空洞有出口边坡有INFKB-1、INFKC-1等2个测斜孔,总计20 个测斜孔,目前采用人到现场用活动式测斜仪观测。自动化监测技术方案为每个测斜孔安装固定式测斜仪,每10m高设1个传感器,传感器的电缆穿在镀锌钢管埋地接入附近的观测房,工程量统计如表所示。。 序号 设计编号 安装部位 孔深(m) 传感器支数 电缆接入的观测房 电缆长(m)

大坝下游坡的8 个观测房除378观测房还有4 个渗流渗压传感器可正常观测外,其它传感器已不能正常测量且不可能修复,因此只在378观测房设1MCU自动采集大坝总渗流和坝基渗压。 坝顶右岸值班室有163支传感器可正常观测,加上测斜孔新增的5支,共168支传感器,设6个MCU自动采集大坝及右坝肩边坡内观数据。 坝顶柴油机房有276支传感器可正常观测,加上测斜孔新增的65支,共341支传感器,设11个MCU自动采集大坝及左坝肩边坡、溢洪道的内观数据。 进水口观测房有47支传感器可正常观测,加上测斜孔新增的9支,共56支传感器,设2个MCU自动采集进水口边坡及引水洞的内观数据。 厂房中控楼电缆层观测房有286支传感器可正常观测,加上测斜孔新增的15支,共301支传感器,设9个MCU自动采集厂房后边坡、引水发电隧洞、厂房基础的内观数据。 放空洞进口观测房有22支传感器可正常观测,设1个MCU自动采集放空洞进口边坡、隧洞的内观数据。 放空洞出口观测房有96支传感器可正常观测,加上测斜孔新增的10支,共106支传感器,设4个MCU个集线箱自动采集放空洞出口、隧洞的内观数据。 各观测房内接入的传感器数量,应使用的数据MCU的数量统计如表所示。:

(2)供电方式

各观测房供电方式如下: 观测房 供电方式 大坝下游坡378观测房 100AH蓄电池加80W太阳能电池板 坝顶右岸值班室 室内220V交流电源 坝顶柴油机房 室内220V交流电源 厂房中控楼电缆层 室内220V交流电源 进水口观测房 室内220V交流电源 放空洞进口观测房 室内220V交流电源 放空洞出口观测房 00AH蓄电池加80W太阳能电池板

(3)通信组网 各观测房通信组网方式如表所示。 观测房 组网方式 大坝下游坡378观测房 MCU接入RS485服务器,转换为以太网,通过无线网桥到生活营地。 坝顶右岸值班室 6个MCU串联后接入RS485服务器,转换为以太网,通过无线网桥到生活营地。 坝顶柴油机房 11个MCU串联后接入RS485服务器,转换为以太网,通过无线网桥到生活营地。 厂房中控楼电缆层 9个MCU串联后接入RS485服务器,转换为以太网,接入厂房的办公网络到生活营地。 进水口观测房 2个MCU串联后接入RS485服务器,转换为以太网,通过无线网桥到生活营地。 放空洞进口观测房 MCU接入RS485服务器,转换为以太网,通过无线网桥到生活营地。 放空洞出口观测房 4个MCU串联后接入RS485服务器,转换为以太网,通过无线网桥到生活营地。 通信组网示意图如下。

(4)费用预算 内观部分费用预算如下(费用单位万元) 项目 数量 单价 总价 数据采集器数 34 3.5 119 无线网桥 10 0.6 6 RS485服务器 7 0.6 4.2 直流供电装置 2 1 2 固定式测斜仪 20 3 60 交换机 1 1 1 服务器 2 3 6 采集软件 1 10 10 电缆敷设 10000 0.005 50 工程安装 1 15 15 合计 273.2

四、表面变表形监测自动化方案一(测量机器人、GNSS混合方案) 1、测量机器人组网 人工用全站仪进行表面变监测时,镜站点为TN1、TN6、TNT2,相应后视点为TN6、TN1、TN3。TNT2、TN3、TN6均电厂均在电厂安全保护范围外的山坡上,周围没有交流电源可取,解决安全保卫、大功率供电需要很高的费用,且无法切实保障。在大坝、溢洪道控制段、溢洪道挑流出口段边坡、厂房尾水、进水口等地方寻找镜站点替代方案,镜站点替代点必须满足4个条件:岩石基础或混凝土结构上,较稳定,没有振动。据此监测点的垂直角小30度,保证测精度。与现有控制网校核基准点TN1TN6中的3个及以上点通视,可以用后方会法确定镜站点自动的坐标。在电安全保护范围内。经过现场测试,生活营地TN1观测墩、左坝肩与溢洪道右边墙结合部、溢洪道挑流出口段右边坡平台适合建镜站点。组网方案为:采用3台测量机器人对大坝、边坡进行自动化监测,第一台测量机器人(简称机器人1),在TN1点上,负责对大坝面板、溢洪道边坡、进水口边坡进行监测;第二台测量机器人(简称机器人2),在左坝肩上,负责对大坝、厂房后边坡、溢洪道边坡进行监测;第三台测量机器人(简称机器人3)在溢洪道挑流段右岸边坡平台,负责对大坝、右岸厂房边坡进行监测。具体组网如图所示。:

各镜站点观测的测点、后视点等统计如表所示。。 镜站点名 测点部位及测点编号 观测点数 后视点 后方交会工作点 机器人1 大坝面板顶部:LD6-01~10计10个观测墩, 溢洪道引渠段左岸边坡:ISYI-1、ISYI-2、ISYJ-1、ISYJ-2、ISYJ-3、ISYC-1、ISYC-2计7个观测墩 进水口边坡:IS计1个观测墩。 18 TN6 原校核工作基点, 不需进行坐标定位 机器人2 大坝下游坡:LD5-01~11、LD4-01~06、LD3-01~05计22个观测墩。 溢洪道左岸边坡:ISYI-1、ISYI-2、ISYJ-1、ISYJ-2、ISYJ-3、ISYC-1、ISYC-2、ISYE-1、ISYF-1、ISYG-1计10个观测墩。 厂房后边坡:ISC1-1、ISC1-2、ISC2-1、ISC2-2、ISC3-1、ISC3-2、ISC3-3、ISC4-2计8个观测墩。 左坝肩:ISBL5-1计1个观测墩。 闸墩:ISYD-1、ISYD-2、ISYD-3计3个观测墩 44 TN1或TN6 TN1、TN2、TN3、 TN4、TN6 机器人3 大坝下游坡:LD5-01~10、LD4-01~06、LD3-01~05、LD2-01~04、LD1-01~03计28个观测墩, 厂房后边坡:ISC1-1、ISC1-2、ISC2-1、ISC3-1、ISC3-2计5个观测墩。 放空洞出口边坡:ISFKB-1、ISFKB-2计2个观测墩 35 TN2或TN3 TN2、TN3 TN4 3台测量机器人监测的测点有重复,主要目的是对溢洪道边坡I、J段面,厂房后边坡,大坝下游坡上半部等重点部位进行冗余监测,确保数据准确。 2、GNSS组网 测量机器人组网监测是目前最经济的自动监测方式,但测量机器人正常观测的气象条件较为苛刻,雨、雾、风、高温天气都不能观测,在遇大洪水时多数点测点无法正常观测。GNSS组网监测则具有可全天候观测的优点,为保证在遇大洪水时,能监测大坝重要部位的运行状态,建一个小规模的GNSS网。 在生活营地办公楼楼顶安装一台GNSS接收机及天线,作为基准点,在大坝的最大断面下游坡的LD5-5、LD4-3、LD3-3和坝顶的LD4-1、LD4-4等5个观测墩上安装GNSS接收机及天线作GNSS测点。 3、数据观测及采集示意图 机器人1观测方向示意图

测量机器人2观测方向示意图 测量机器人3观测方向示意图 GNSS测点观测示意图 4、通信组网 采用无线网桥进行组网,大坝下游坡5个GNSS监测点、溢洪道挑流段右岸坡观测房、生活营地办公楼顶各配1个无线网桥,左坝肩观测房、生活营地TN1观测房各配置2台无线网桥共11个网桥。网络图如下。 5、供电系统 3台测量机器人全部采用220V供电模式,机器人1从营地公寓楼取电,机器人2 、机器人3从大坝坝顶柴机房取电。供电电缆采用一根线连接到设备,穿镀锌钢管保护,保证安全。 大坝下游坡5台GNSS测点采用太阳能供电,生活营地GNSS基准点采用220V供电,从办公楼取电。 6、观测房 在3个基准点上修建观测房,观测房的开窗主要考虑是否能把所有测点之间通视,同时考虑所有后视点是否通视,1年一次控制网复测的通视;观测房的效果图如下: 观测房主体将采用钢筋混凝土建设,宜建造为3×3×3m的砖混结构,为保证观测精度,观测窗如使用玻璃必须使用符合要求的浮法玻璃,在正对观测区域的玻璃窗上下左右都设计为圆形,并能远程电动控制可以向左右两边打开式,观测窗尺寸尽可能预留大点。 7、主要设备技术指标 (1)测量机器人主要设备技术指标 角度测量 精度 (Hz和V) 绝对编码, 连续, 四重轴系补偿 ★0.5" (0.3mgon) 距离测量 范围 棱镜(GPR1, GPH1P) 1.5m至3500m 无棱镜 / 任何表面 ★1.5m至>1000m 精度 / 测量时 单次(棱镜) ★0.6mm+1ppm / 典型2.4秒 单次(任何表面) ★2mm+2ppm / 典型3秒 图像 广角相机和望远镜相机 传感器 500万像素CMOS传感器 视场(广角相机 / 望远镜相机) 19.4° / 1.5° 帧频率 高达20帧每秒 马达 直驱,压电陶瓷技术 转速 / 换面时间 ★最大180°(200gon)每秒 / 典型2.9秒 自动照准 (ATR)距离 范围 ATR模式 / 跟踪模式 圆棱镜(GPR1, GPH1P) ★★★3000m 360°棱镜(GRZ4, GRZ122) ★★★1500m 精度 / 测量时间 ATR测角精度(Hz, V) ★0.5"(0.15mgon)/ 典型3-4秒 基本参数 接口 RS232, USB, Bluetooth, WLAN 环境参数 工作温度范围 –20℃至+ 50℃ 防尘防水(IEC 60529)/ 防雨 IP65 / MIL-STD-810G,方法 506.5-I 防潮 95%,无冷凝 (2)GNSS主要技术指标 条目 详细描述 精度 静态平面精度:+3mm+0.5ppm 静态高程精度:+5mm+0.5ppm 动态平面精度:+10mm+1ppm 动态垂直精度:+20mm+1ppm 跟踪技术 接通电源后可以获取所有卫星信号:典型时间30秒,卫星失锁后典型1秒内重新捕获高灵敏度:可以捕获99%的高度角在10度以上的卫星低信噪比稳定跟踪,抗粗差和多路径 类型通道 双频,14通道L1+14通道L2 GPS,12通道L1+12通道L2 GLONASS,20Hz L1信号测量 全波载波相位和C/A窄码 L2信号测量: 全波载波相位,随AS政策开启或者关闭,可以接收P2码或P码辅助定位功能 AS开启或者关闭不影响接收机其他性能 载波相位 L1:0.2 mm rms L2:0.2 mm rms 操作温度范围 -40℃ ~ +65℃ 存储温度范围 -40℃ ~ +80℃ 湿度 小于95% 防护等级 IP67-可以抵御风吹的雨水和尘土可以在1米水下短时间浸泡 震动 10Hz ~ 500Hz,±0.7mm,5g 冲击 25g,6ms 8、投资预算 序号 项目名称 数量 单位 单价 总价 一 GNSS部分         1 GNSS天线 6 个 29000 174000 2 GNSS接收机 6 个 89000 534000 3 天线馈线 6 根 1100 6600 4 数据线 6 根 1250 7500 5 电源适配器 6 根 1900 11400 6 连接螺栓 9 个 50 450 小计         733950 二 测量机器人部分测量机器人 1 测量机器人 3 台 352000 1056000 2 Y型数据电源电缆,连接全站仪 3 根 3800 11400 3 Y型数据电源电缆,连接气象传感器 3 根 2700 8100 4 电源适配器 6 个 2400 14400 5 数字温度气压仪 3 台 18400 55200 6 连接气象传感器667726的电缆 3 根 3300 9900 7 电池充电器 1 个 2200 2200 8 远程控制全站仪开关 3 个 9200 27600 9 棱镜 23 个 500 11500 10 棱镜 39 个 1800 70200 11 棱镜GNSS同轴安装支架 5 个 1700 8500 12 360棱镜保护罩 34 个 550 18700 13 棱镜保护罩 23 个 350 8050 14 木质气象百页箱 3 个 500 1500 小计 1303250 三 通讯系统部分 1 测量机器人数据采集箱 3 个 2800 8400 2 GNSS数据采集箱 6 个 3800 22800 3 无线网桥 15 个 1300 19500 4 无线网桥安装支架 15 个 300 4500 5 16口交换机 1 个 1500 1500 6 8口交换机 4 个 600 2400 7 室外超五类通讯线 2 圈 900 1800 小计 60900 四 供电系统部分 1 电源线 1500 米 9 13500 2 电源线保护管 1500 米 28 42000 3 电源避雷器 9 个 500 4500 4 太阳能供电系统 5 套 8000 40000 5 UPS 1 套 9000 9000 小计 109000

五 防雷系统 1 避雷针 9 根 900 8100 2 避雷针安装支架 9 个 450 4050 3 避雷引下线 1 圈 400 400 4 扁钢 1500 米 25 37500 5 馈线避雷器 6 个 500 3000 小计 53050 六 控制部分 1 服务器 1 台 26000 26000 2 GNSS自动解算软件 1 套 85000 85000 3 测量机器人控制分析软件 1 套 78000 78000 4 交换机 1 个 600 600 小计         189600 七 土建费用 1 强制对中器 3 个 850 2550 2 观测墩 3 个 3200 9600 3 电缆开槽、穿管、埋设 1500 米 15 22500 4 观测房 3 间 43000 129000 5 自动开合玻璃窗 3 套 52000 156000 6 其他零星土建工程 1 项 10000 10000 小计 329650 八 施工管理费   费用名称 设备总价 比例   1 总承包管理费和技术服务安装调试费(工程总造价的6%) 2779400 6% 166764 2 保险费(项目总价的5‰) 2779400 0.50% 13897 3 运杂费(运杂费率取1%) 2779400 1% 27794 小计         208455 总预算         2987855

五、表面变表形监测自动化方案二(三维激光扫描仪监测方案) 1、镜站点 三维激光扫描仪可架设在观测墩的强制对中基座上,因此可直接在平面控制网的TN1TN6的观测墩上,对大坝、边坡进行表面变形监测。在TN1点即可大坝面板、溢洪道引渠段边坡、溢洪道控制段段边坡、进水口边坡、放空口进口边坡进行监测。在TN2点即可大坝下游坡、厂房后边坡、2#导流洞出口边坡、放空洞出口边坡、溢洪道泄槽段边坡进行监测。 2、现场测试成果

2014年7月24日,用Optech ILRIS-LR三维激光扫描仪在TN1点对溢洪道边坡进行了扫描测试,在机器人3点对大坝下游坡、厂房后边坡、2#导流洞出口边坡、放空洞出口边坡作了了扫描测试。测试成果见以下图。 TN1点扫描溢洪道边坡,连续两次扫描的误差分布图 机器人3点扫描大坝下游坡、厂房后边坡、2#导流洞出口边坡、放空洞出口边坡后数据进行拼接。

3、设备技术参数 •扫描距离:80%反射率:3000米;10%反射率:1300米 •原始测距精度:7mm@100米;4mm@100米(平均值) •原始角度精度:8mm@100米 •视场角:40°×40° •最小角步径:0.001146° •最大点间距:2mm@100米 •旋转速度:0.001°-20°/s •激光光斑直径:27mm@100米 •激光光束发散率:0.014324° •激光波长:1064nm •激光等级:3级 •内置相机:310万像素