关键词：自动化改造；考核要求；标准；渗流监测；测压管；渗压计；十三陵蓄能电厂
摘 要：由于十三陵蓄能电厂引水系统所在山体地质条件复杂，要求闸后段引水隧洞进行钢筋混凝土衬砌和固结灌浆，为此在闸后段1、2号隧洞之间、引水调压井前增设了两个上百米的测压管CY１、CY2，以便观测该段隧洞内水外渗及地下水位情况。CY1、CY2自动化改造中选择振弦式渗压计监测水位，测压管渗压计就近引入上池周边的MCU测控装置，电缆采用钢管保护，长距离的信号传输采用光缆。百米测压管自动化改造后运行正常。大孔深测压管自动化改造中人工对比观测及定期校测较为困难，有待进一步积累经验。
随着科技发展和现代化管理水平的不断提高，水工监测自动化已成为大坝安全监测发展的必然趋势和创一流企业的必要条件。2002年4～5月，十三陵蓄能电厂对上池所有的观测仪器、观测点进行了自动化改造，克服了原来人工观测精确度差、效率低、资料分析不同时性等缺点，为争创国际一流水力发电厂奠定了基础。
由于电厂的整个系统大部分结构在山体中和山顶间的峡谷中，因而在施工期就已埋设了大量的监测仪器和监测点，其中渗流监测包括：通过孔隙水压力计观测孔隙水压力，通过量水堰观测渗漏量，通过测压管水位来观测地下水位的变化情况。在十三陵蓄能电厂工程中，增设了CY1、CY2两个百米测压管，其自动化改造存在着一定的特殊性。
1测压管设计
1.1增设CY1、CY2测压管的原因
十三陵蓄能电厂开挖过程中，发现引水系统所经山体的地质条件比原探测的复杂得多，某些洞段的围岩条件较差，根据开挖后重新调整的围岩类别和实际的开挖状况，要求闸后段（指从池盆进出水口起沿隧洞轴线145.96 m处的引水事故闸门井的后部）的引水隧洞进行钢筋混凝土衬砌，同时进行固结灌浆。为了便于随时了解该段引水隧洞内水外渗及地下水位实际情况，设计要求在闸后段1、2号隧洞之间、引水调压井（沿隧洞轴线距池盆进出水口437.00 m处）前，增设两个上百米的测压管CY1、CY2。
1.2CY1、CY2的具体设计
CY1、CY2两个测压管的管底焊死，测压管进水口易受泥沙和化学沉淀物淤堵，因而在CY1、CY2的管底与进水管段之间设计了500 mm长的沉沙段。进水管段的长度为4 000 mm，此段又称花管段，花管开孔孔径为10 mm，孔距均为20 mm，呈梅花形布置。进水管段外侧进行了反滤保护，外包双层无纺布，并缠蛇形细铁丝加以固定。管口高出地面100 mm，管口设固定铁箱加以保护，铁箱有门、锁，便于随时开锁测量。
两个测压管采用无缝钢管，内径为50 mm，管壁厚度为4 mm。由于此段的山体埋深上百米，因此CY1、CY2两个测压管的孔深较大，CY1的实际孔深为117.3 m，CY2的实际孔深为114.8 m。
近几年来的观测数据表明，CY1、CY2的水位相对比较稳定，变化不大，主要受大雨、大雪天气影响。而其他孔深小的测压管受外界雨水的影响比较明显。
2CY1、CY2的自动化改造
2.1自动化改造的涵义
所谓自动化改造是指：由于已建成工程原监测设计中没有考虑水工建筑物安全监测自动化，因而对其监测系统的全部或部分仪器、测点进行技术改造，用自动化监测取代人工监测。与在监测设计中就已经考虑到建筑物安全监测自动化的新工程相比较，有以下不同之处。
2.1.1有利方面
(1)环境较好，施工干扰小，所以自动化系统安装调试时施工安排要相对简单些。另外，运行人员相对有经验。
(2)已安装的人工观测测点或埋设仪器（CY1、CY2两个测压管属于测点）已经受了一定时间的考验并积累了资料，可保证在实现自动化时仪器测值的连续性和自动化系统试运行阶段的人工对比观测。同时，确定测点新装仪器的精确度、量程等参数可参考历史测值。
2.1.2不利方面
(1)自动化改造工程中进行大量的土建工作是不可能的，电缆敷设时要尽量利用已有通道，为了将同类型仪器接入到测控装置中相对应的模块上，可能需要更长的光缆或电缆。
(2)受整个系统原埋设仪器的影响，必须考虑新装仪器（如：CY1、CY2两个测压管内的渗压计）与原埋设仪器之间的兼容性。
2.2CY1、CY2的设计要求
2.2.1仪器类型的选择及其简单原理
就自动化系统的抗干扰性而言，振弦式仪器输出的是频率量，其抗干扰性能较一般输出信号为电流、电压的仪器要好。同时，原埋设仪器中绝大部分是差阻式和振弦式仪器，考虑到与原埋设仪器之间的兼容性，CY1、CY2的自动化改造中选择振弦式渗压计来监测测压管的水位，渗压计的类型为GK4500S。
渗压计的结构主要由透水石、钢弦式压力传感器、信息传输电缆组成。钢弦式压力传感器由不锈钢承压膜、钢弦、支架、壳体和信息传输电缆构成。工作原理为：在一定的应力（具体指水压力加大气压力产生的应力）条件下，钢弦的自振频率是固定的，当应力变化时，其自振频率也随之发生变化。通过测定自振频率，用出厂修正系数消除温度和大气的影响，即可计算承压膜的水压力，便可推算出测压管内水柱的水头。
CY1、CY2内安装的渗压计接入自动化监测系统时，它将由测量控制装置先用激振电路产生低压激振信号给渗压计激振，然后再对渗压计传感器产生的逐渐递减的频率信号进行滤波、放大、采样，测量仪器的周期，换算成仪器的读数。CY1、CY2内的渗压计还有测温功能，通过测量渗压计的温度电阻，换算成温度值。
另外，用PSM－V型钢弦式检测仪对CY1、CY2内的渗压计进行人工观测，作为自动化监测系统或系统中测控装置发生故障时的备用监测手段，同时对自动化监测系统进行定期校测。
2.2.2通信方式的选择
由于CY1、CY2所在山体与水工观测室之间的高差在百米以上，且山体陡峭，原议标书中CY1、CY2拟采用无线通讯方式实现监测自动化，其他测压管全采用有线通讯方式。后经现场实地测量，若将仪器电缆引至水工观测室，电缆长超过500 m。直接引入水工观测室中的MCU测控装置进行测量技术上是可行的，且可靠性更高，仪器设备保护更加方便。因而修改设计，将两支测压管监测仪器（即渗压计）引入水工观测室中的MCU测控装置，通过有线方式实现监测自动化。后来，根据整个系统的统一设计，将两支测压管渗压计就近引入上池池盆周边的MCU测控装置。
由于CY1、CY2所在系统海拔比较高，电源电缆、信号电缆、通讯电缆暴露在外存在引雷的可能性，要求所有电缆均采用钢管保护，同时长距离的信号传输采用光缆。
2.3安装措施
2.3.1电缆、光缆敷设
(1)电源电缆和通讯光缆一起敷设，采用镀锌钢管加以保护，且放在电缆沟内，尽可能利用原有电缆沟及电缆架，以减少工程量及投资。
(2)渗压计电缆在测压管内的部分全采用光缆，所有电缆或光缆处于相对密封较好的保护钢管内，保护钢管与钢管之间、钢管与所有测压管之间以及岔管处，采取焊接或扁铁搭接，搭接处进行防水、防鼠处理。同时，整个系统内的39个测压管通过钢管形成独立的接地网，与电缆沟内的扁铁相互绝缘。
(3)通讯光缆敷设完后要进行光纤熔接、保护，光缆转换器安装在测控装置内。
2.3.2渗压计在管内放置的特殊性及存在的问题
(1)考虑到将渗压计直接放进测压管内会引起管内淤积，造成对测值的影响，另外，硬质砂石会挤压渗压计传感器上的透水石，因此决定将渗压计的传感器用铟钢丝悬挂在管内，悬挂高度根据管内历史水位决定。并且，以0.5 m为间隔，将光缆与钢丝用线卡固定，以便人工对比观测时测深钟上下活动自如。除CY1、CY2两个百米测压管外，其余37个测压管均采用以上方法。在CY1、CY2的测压管安装施工中，要求钢管与钢管之间以及管段接头处顺直，以确保管身垂直，但是，由于测压管孔深太大，整个管不可能顺直，因此综合各种因素，决定渗压计自然放入管内。
(2)存在的问题及简单分析。目前，CY1、CY2两个测压管的人工对比观测比较困难。不管渗压计以悬挂方式，还是自然放入管内，都不可避免会与测深钟相缠绕。在测压管观测日趋自动化的今天，为便于仪器设备的安装和今后的维护管理，要求管径应取大些，可是从理论上讲，测压管有向细管方向发展的趋势。由于测压管是将测点的压力反映成一定体积的水头，测压管本身测值与真实值存在误差与滞后现象，从时间上来讲，需要管内水位累积到一定的高程或消散到一定的高程，从而受到“水流速”的影响。在渗透系数大，作用水头、变幅及变化速度均较小的地方应用尚可；而在渗透系数小、作用水头大的地方，滞后时间会很长；在外部地下水位变化快时，资料分析更加困难。因此，为减少体积的影响，测压管管径应比较细才有利于测到真实值。显然，从理论上要求管径大些不可行，即使可行，重新安装CY1、CY2也不现实，所以只能在现有的条件下进一步想办法。根据CY1、CY2的历史数据分析，管内水位变化幅度不大，主要受大量降雨的影响。因而，决定把质量较好的测深钟经精密校测，长时间放在测压管内，使测深钟在一小范围内活动。不过，为保证观测的精度，需定期校测测深钟，这仍然有一些困难。
2.3.3渗压计的安装
(1)将渗压计的透水石取下，放在干净的水中浸泡24 h，在仪器安装前再重新装配透水石，在装透水石时应将渗压计的进水段注满水，轻轻压入透水石。
(2)将钢丝一端固定在渗压计上，另一端固定在测压管保护箱内固定钢筋上，仪器电缆与钢丝以0.5 m为间隔固定起来，并做好标记；与其他测压管不一样，渗压计自然放入测压管内，不悬挂。
(3)将渗压计放在测压管中12 h以上，使渗压计内的温度和测压管内的水温一样，减少仪器安装率定时的误差。
(4)用弦式便携式小仪表测量渗压计在水中的读数R1、T1，并记录。
(5)提取钢丝和仪器电缆，将渗压计脱离水面测量并记录渗压计的零点读数R0、T0。
(6)将渗压计放到原始位置，测量渗压计并记录读数R2、T2，此时R2、T2与 R1、T1应基本一致。
(7)用测深钟测量测压管内的水面到管口的距离L2，并记录。
(8)利用该渗压计的率定参数、R0、T0、R1、T1计算渗压计的压力P和水头H，并计算误差L1－H－L2，要求误差不大于0.1 m。
(9)将渗压计的仪器电缆与连接到测量控制装置的电缆进行焊接，要求按心线颜色对焊，焊接可靠，焊接处用密封接头密封。
2.3.4考核指标
根据中华人民共和国行业标准SL268—2001《大坝安全自动监测系统设备基本技术条件》中的规定，对土石坝测压管只提出两次测量的水位差值不大于2 cm，这样的规定显然不是对准确度的要求，而是对测值重复性的要求。
基于以上原因，对自动化改造后的CY1、CY2的考核，除了对所在系统考核外，只限于对新装
渗压计性能的考核，即渗压计的长期稳定性应满足年漂移量不超过其准确度的40％。
据经验丰富的专家介绍，类似CY1、CY2孔深比较大的两个测压管，满足L1 H1和H0的差值不大于10 cm的要求即可（其中，L1为人工测出的水面距管口的距离；H1为通过渗压计的频率值计算出的管内水头；H0为安装时测出的渗压计距管口的距离）。显然，这只能作为考核时的参考，而不能作为考核标准。
3结语
目前我国大部分水电站的测压管水位监测仍采用人工监测，存在的主要问题是观测精度差、速度慢，不能监测到同一时刻各测压管
的水位情况。十三陵蓄能电厂工程中的所有测压管引进了先进的自动化监测技术，实现了遥测的目标，目前的运行状况正常。但笔者认为，有关自动化监测的基本技术规范和要求有待于进一步完善。类似CY1、CY2孔深比较大的测压管，在自动化设计及改造中，人工对比观测以及定期校测比较困难。由于水工建筑物结构的复杂性、运行环境的恶劣性，人们还没有准确掌握其规律，因而导致设计、施工、运行管理的半理论、半经验的特点。当然，任何技术领域的更新提高都是逐步的，随着经验的积累、科技的进步，一定会有越来越健全的技术规范和要求在实践中诞生，同时又指导实践。
参考文献
［1］吴中如，等.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，1995
［2］SL60—94，土石坝安全监测技术规范［S］
［3］SL268—2001，大坝安全自动监测系统设备基本技术条件［S］
|
网友评论：（只显示最新10条。评论内容只代表网友观点，与本站立场无关！）
