齊 偉
（丹江口水力發電廠監測分場，湖北 丹江口 442700）
摘 要：簡要介紹了丹江口水利樞紐工程，分析了丹江口實現監測自動化工作的必要性和可行性，詳細敘述了丹江口大壩的自動化發展過程，對丹江口大壩引進的自動監測系統進行了介紹和運行分析，并對丹江口大壩今后監測自動化的發展趨勢作出了展望。
關鍵詞：丹江口大壩 監測自動化 監測系統 傳感器
一、引言
漢江丹江口水利樞紐工程是我國自行設計和自行建造的一座具有防洪、發電、灌溉、航運、養殖效率的大型水利工程。已建成的樞紐初期工程，設計蓄水位157米，校核洪水位161.4米，混凝土壩壩頂高程162米，最大壩高97米，混凝土壩為寬縫重力壩。工程從1958年開始施工，1968年第一臺機組發電，1973年以后樞紐開始進入運行維護期。
丹江口水庫屬特大型水庫，庫容大，經濟效益及社會效益顯著。水庫一旦失事，將危及漢江中下游及武漢市千百萬人民的生命財產安全，后果不堪設想。因此，大壩的安全監測工作顯得尤為重要。為保證大壩安全，便于正常運行管理，并為設計、科研工作提供實際資料，在混凝土壩和土石壩內外布置安裝了各種觀測設備，用于量測大壩安全運行情況。觀測項目包括大壩變形觀測、壩基揚壓力及滲流量監測、壩體應力應變及溫度監測、地震監測。在大壩運行前期，觀測方法都是人工觀測。當初期工程運行了20多年以后，不少監測設施開始陳舊老化和損壞。由于當時條件的限制，有些（如變形系統）觀測方式和手段也顯得落后，使得部分項目的測值精度不能滿足部頒《混凝土壩安全監測技術規范》的要求。同時，人工觀測還存在工作周期長，勞動強度大，觀測數據難以及時整理分析，特別是在大洪水高庫水位等緊急情況下，難以及時提供資料等問題，因而不適應現代管理的需要。為此，需對照《規范》要求對丹江口大壩監測設施和監測手段結合后期工程進行改進。
隨著科學技術的不斷進步，各種新科技、新技術也不斷地進入大壩監測領域，自上世紀70年代以來，各國均致力于大壩安全監測技術的研究，各類先進的監測技術和新型的監測儀器設備大量涌現，大壩安全監控的理論和方法得到不斷的完善和提高。
我國的混凝土大壩安全監測自動化工作始于70年代末，至今經過“六五”、 “七五”、“八五”、科技攻關，成功地研制了大壩安全監測自動化所需的傳感器和自動化系統，在數十個工程應用中取得了巨大的社會效益和經濟效益。廣泛采用的傳感器和儀器（如差動電阻式儀器、差動電容式儀器等）精度高、長期穩定性好并能適應惡劣環境。
近年來，國內外又開展了集散式及分布式數據采集系統的開發和應用，并且取得了很大的成功。并且隨著微電子技術和計算機技術的飛速發展，國際測控界出現了模塊化技術和虛擬儀器技術，其主要思想是硬件上實現低功耗、高速度、高集成度，整個測量單元安裝在一個模塊內，取消了所有的開關、旋鈕、顯示等環節而其功能由計算機來實現，通過操作計算機鼠標和鍵盤完成一切功能。這樣，使系統配置更加靈活、可靠，功能更加強大。以國家電力公司電力自動化研究院大壩監測技術研究所為代表的研究生產單位利用測控技術的最新成果，研制成功了各類新型數據采集智能模塊，具有可編程功能、可接入多種傳感器、支持多種通信方式、強大的自診斷功能、功耗低并能適應惡劣環境，可方便地應用于分布式大壩安全監測系統。
同時，大壩安全監控管理系統軟件平臺已從DOS升級到WINDOWS98、WINDOWS NT、WINDOWS XP，具有在線監控、離線分析、大壩安全管理、網絡系統管理、數據庫管理、遠程輔助服務等部分，包括數據的人工/自動采集、在線快速安全評估、大壩性態的離線性態分析、監控模型/分析模型/預報模型管理、預測預報、工程文檔資料、測值及圖形圖象管理、報表制作、圖形制作、輔助工具、幫助系統、遠程輔助服務、演示學習系統等功能。這些情況表明，國內研制的混凝土大壩安全監測自動化技術已經成熟。并且自動化監測以其精度高、速度快、省工省力，并能任意加密測次，資料的連續性、實時性好等優點，使其越來越受到人們的歡迎。自動化監測技術在漫灣、新安江、龍羊峽等工程均有成功應用的經驗。所以，丹江口工程作為國內大型水利水電工程之一，其大壩安全監測實現自動化是必要的，在技術上也是可行的。從85年至今二十多年的時間里，丹江口大壩的管理者也循序漸進地把一些新型的監測技術引入到丹江口大壩的監測工作中來，在混凝土壩監測中引進了多套自動化監測系統，為丹江口大壩的技術引進、設備改造積累了經驗，同時也提高了管理手段。現將丹江口大壩監測工作向自動化方向的發展經歷作一概述，為以后向自動化方向的發展提供一些經驗和啟示。
二、丹江口大壩引進的自動監測系統
㈠、青島揚壓力自動監測系統
1985年原水工廠首次將青島海洋儀器研究所研制的震弦式滲壓傳感器引入到丹江口大壩的測壓管觀測中，共引進了138支，安裝在丹江口大壩基礎廊道內的測壓管中，由于當時技術和工藝上的局限性，傳感器在安裝后一段時間出現了傳感器密封不嚴，內部滲水、弦絲銹蝕等質量問題，后又專門改進了十二支傳感器，但是也沒有從根本上改變傳感器耐久性的問題。并且當時的數據采集系統為單板機結構，在計算機技術高速發展的年代，該監測系統很快處于技術落后狀態，運行一段時間后，系統即被淘汰。該套系統的引進為當時的監測自動化改造工作吸取了教訓，但也積累了經驗，為以后的自動化改造工作也奠定了一定的經驗基礎。
㈡、引進Sens-Log自動監測系統
⑴系統安裝情況
丹江口于1989年率先在全國水電系統中引進法國Telemac公司的全套大壩安全監控系統的設備和技術，對27、31二個重點壩段實施在線監控。該系統為我國首次引進。水利部水管司、南京自動化研究所、丹江口水利樞紐管理局三家共同考察國外的設備情況后，認為法國監測儀器具有當時較先進水平，監控模型軟件亦有國內研究參考的作用，結合有限的外匯額，決定引進法國大壩監測系統。1995年又引進了加拿大Roctest公司的Sens-log監測設備，將該公司的分布式測控裝置取代Telemac公司的落后的摸擬傳輸測控裝置，保留Telemac公司的全部傳感器。Sens-log系統于1995年12月投入運行，1996年6月該系統通過漢江集團驗收。該系統共6種類型的儀器，53套傳感器，計69個測點，傳感器分為感應式和振弦式兩大類型。其中感應式傳感器包括：垂線坐標儀10臺、基巖多點變位計6套、水管式傾斜儀2套、量水堰1臺。振弦式傳感器包括：水位計2支、揚壓力計11支、氣壓計1支、溫度計8支。引進傳感器一覽表見表一。
表一 引進傳感器一覽表
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儀器類型
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儀器型式
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儀器數量
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傳感器數量
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量程
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最小讀數
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精度
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長期穩定性
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滲
壓
儀
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揚壓力儀
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振弦式
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11支
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11
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0～2bar
0～5bar
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1cm
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0.2%F.S
0.1%F.S
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0.1%F.S/年
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上下游水位儀
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振弦式
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各1支
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2
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5bar
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1cm
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0.1%F.S
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0.1%F.S/年
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氣壓儀
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振弦式
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1支
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1
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0.8～1.3bar
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0.1%F.S
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0.1%F.S/年
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溫度儀
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振弦式
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18支
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18
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-20～50℃
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0.1℃
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0.3℃
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垂線座標儀
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感應式
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10臺
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20
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±15mm
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0.01mm
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0.1mm
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0.05%F.S/年
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基巖多點變位儀
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感應式
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6套
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12
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±80mm
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0.01mm
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0.1mm
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0.1%F.S/年
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水管式傾斜儀
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感應式
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2套
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4
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±10mm
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0.01mm
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0.05mm
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0.05%F.S/年
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量水堰儀
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感應式
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1套
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1
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0～100mm
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0.01mm
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0.1mm
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0.1mm/年
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合計
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51
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69
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系統分為兩個子站，1號子站安裝在31壩段寬縫內，負責采集安裝在31壩段的傳感器的測量數據，傳感器布置示意圖見圖1。
兩個子站通過通訊電纜和位于辦公樓機房內的總站相聯，由測量人員在機房內對總站操作來完成測量數據的采集。
該套系統具有采集現場數據、制作報表、繪制過程曲線圖形，還能完成設置巡檢時鐘、巡測等功能。在當時是一套具有國內領先水平的大壩自動監測系統，在國內大壩監測領域有著較高的知名度，一度引來了很多的國內同行來丹考察、 學習。
該套系統運行到壽命期后，二次系統開始出現一些故障，部分傳感器出現較大的“零點漂移”等現象，但還是有一部分傳感器可以正常工作，如部分揚壓力計、量水堰計現在仍在使用中。該套系統可以說是完成了它的歷史使命。
該套系統運行到壽命期后，二次系統開始出現一些故障，部分傳感器出現較大的“零點漂移”等現象，但還是有一部分傳感器可以正常工作，如部分揚壓力計、量水堰計現在仍在使用中。該套系統可以說是完成了它的歷史使命。
⑵存在的不足及改進措施
原TeleMac自動監測系統自1989年安裝完成后，系統的二次部分總是存在著一些問題，使系統不能持久的運行。為使系統充分發揮其作用，于1996年將其二次系統改造成加拿大Sens-Log系統，傳感器仍然使用原TeleMac傳感器。改造后的監測系統在其壽命期內能夠正常工作，在壽命期過后，其二次部分的核心模塊CR10開始出現故障，部分傳感器也出現老化現象。仍使用國外公司的監測系統成本很高，同時國內的監測自動化技術也有了很大的提高，能夠滿足工程運行的需要，在比較國內和國外監測系統的性價比后，決定采用南京水文研究所研制的達捷自動化監測系統來取代原系統，具體內容見本節㈥。
㈢、建立靜力水準網觀測壩基垂直位移
⑴儀器安裝情況
由武漢地震研究所和長江勘測技術研究所共同研制的JSY-1型液體靜力水準遙測儀是依據液體的連通管原理設計的。于1995年安裝在丹江口大壩基礎廊道的31～25壩段和防滲板廊道的31～19壩段。其中基礎廊道每個壩段安裝一臺，防滲板廊道每兩個壩段安裝一臺，標定裝置安裝在防滲板廊道25壩段。儀器布置圖見圖3。
⑵儀器工作原理
在需要量測垂直位移的壩塊上設置缽體，缽體之間用管道相連，里面充滿蒸餾水，由于連通管原理，各缽體內液面高程是一致的，缽體的蓋板上裝置固定的檢測頭，在缽體內的液面上設置浮子。當缽體隨所在壩塊發生垂直位移時，浮子與檢測頭之間的相對位置發生變化，于是便可以測出缽體相對液面的高程變化，即可測出相對垂直位移量。
電測法是將浮子與檢測頭之間的相對位置變化成為一個電訊號輸出，經A/D模塊轉換后趨勢輸入微型計算機，完成自動采集監測資料的任務。系統還設置了目測裝置。這樣，不僅在檢修電子元器件時可以用目測法采集監測資料，以確保監測資料的連續性，而且在使用電測法時還可以定期使用目測法，以檢測電測法所采集的資料有沒有因電子元件的原因而產生“漂移”現象。這對于確保監測資料的可靠性有很大的意義。這種設置思想，在當時的國內外自動化儀表中是不多的。
⑶存在的不足及改進措施
因沒有形成規模化生產，系統的備品、備件較少，當出現故障時，維修時間過長，影響監測數據的連續性。發現問題后，和研制單位取得聯系，一次備夠備品備件，保證了系統的連續運行。
㈣、應用EMD-S型遙測垂線坐標儀觀測大壩變形
⑴儀器安裝情況
由國家地震局地震研究所和長委會勘測局聯合研制的EMD-S型遙測垂線坐標儀，是一種新型的電磁感應式儀器。分別安裝于丹江口大壩36壩段倒垂線和21壩段正垂線。36壩段倒垂線安裝了四臺，分別安裝于▽110、▽125、▽140、▽159高程。21壩段的正垂線上安裝了3臺遙測儀，分別安裝在▽119、▽104、▽90高程。EMD-S型垂線坐標儀結構圖見圖4。
設備在運行期內，曾對該型垂線坐標儀進行了人工、電測測值對比，從對比
的過程曲線上看，兩條曲線基本重合，可以說明EMD-S垂線坐標儀是完全符合丹江口大壩監測需要的一種自動監測儀器。
⑵存在的不足和改進措施
該系統因其工作原理的原因，儀器要有一根很細的銅弦絲和垂線線體相連，在長期運行過程中，弦絲會慢慢變硬，會對垂線線體的自由運動有一定的影響，
且在人工監測過程中對垂線線體的誤碰更容易引起弦絲的斷裂，從而影響監測數據的連續性。在發現系統的不足之處后，在管理上給予了加強，定期對引線弦絲進行更換，比而使該問題得以解決。
㈤、引進DAMS-4型分布式子系統，用于觀測丹江口大壩101引張線
⑴儀器安裝情況
1997年底引進了南瑞大壩公司的DAMS-4型分布式系統，對Ñ101m廊道25～31壩段引張線（乙線全長150m）實施在線監測。1998年1月現場安裝，3月投入運行，1999年3月該線通過漢江集團驗收。1999年10～12月在乙線自動測量系統成功的基礎上，又對Ñ101m廊道7～24壩段引張線（甲線全長408m）實施在線監測建設，1999年底甲線投入運行。該系統2條引張線共計安裝電容式單
該套系統是南瑞公司（原南京自動化研究院）利用電容原理研制的電容式傳感器，利用電容比將壩體的位移量轉換成電量來達到自動監測的目的，系統運行至今，中間雖然也有一些小的故障，但在運行管理人員和研制單位的共同努力下，故障都得以排出，該系統仍為大壩監測發揮其應有的作用。
⑵存在的不足和改進措施
系統安裝初期，由研究所配制的水箱混合液在運行過程中出現細菌衍生的情況，液面出現長毛、結殼現象，影響浮船的自由運行，進而影響引張線線體的靈敏度。在發現該現象后，將研究所配制的水箱混合液進行了更換，用粘稠度較小的變壓油去替代原混合液，即保證了線體的靈敏度，又能保證水箱液面不會降低而導致線體的擱淺，取得了較好的效果，保證了系統的正常運行。
㈥、引進達捷自動監測系統進行大壩垂線監測
⑴儀器安裝情況
2005年底，隨著以前安裝的系統壽命期的到期及傳感器的老化，原水利樞紐管理處對部分老化的系統及傳感器進行了更新換代，多方案比較后決定引進了南京水文所研制的達捷自動監測系統，將原法國系統部分尚能工作的傳感器引入該套系統，并對法國系統、靜力水準系統不能工作的垂線坐標儀進行了更新，安裝上了由水文所研制的步進電機式垂線坐標儀。現階段在丹江口大壩的31、27、21壩段共安裝了十三臺二維垂線坐標儀。在大壩加高完成后還將在加高部分補裝四臺垂線坐標儀。三個壩段的儀器布置圖大同小異，其中21壩段步進電機式垂線坐標儀布置圖見圖6。
DG型分布式大壩安全監測自動化系統設備包括監測儀器、測量控制裝置（MCU）、中央控制裝置（CCU）、電源通訊總線、檢測儀表等組成，系統投入運行后，需要進行必要的日常運行、維修和維護管理。目前該系統運行正常。
⑵存在的不足和改進措施
該類型傳感器有部分精密機械部件，在大壩廊道內長期運行過程中，特別是加高施工過程中，會有少量異物進入傳感器內部，從而影響機械部件的正常運行。
為減少這種情況的發生，運行管理人員對每臺傳感器加裝了保護設施，并加強管理，定期對傳感器進行清冼，從而保證了系統的正常運行。
三、自動監測系統運行情況分析評價
我廠于1985～2007年先后引進了國、內外的大壩自動化監測的設備和技術，現已完建了多套自動化監測子系統并投入正常運行。建立的監測自動化系統大多運行情況良好，且均已通過驗收，滿足工程運用的要求。多套自動化監測子系統在壽命期內都能正常運行，從資料上顯示，其測值穩定，符合變化規律。為了檢驗電測值的可靠性，還作了相應人工對比測測量及分析。對自開始運行的所有電測成果進行整理，每個項目的儀器繪制出過程曲線，同時也將人工測值繪上進行比較，對各儀器測值的變形規律進行分析。對符合規范要求的儀器，其相應的人工測點可停測，逐漸地用自動化監測手段取代人工測量手段。
多套自動監測系統通過若干年的運行，并經過廊道長期高濕復雜的環境考驗，監控設備運行良好，較少出現故障。儀器測值穩定，監測精度達到規范要求，測值符合壩體變形規律，取得了較好的監測成果，滿足工程運用要求。而且各儀器有較高的合格率，特別是Telemac公司的振弦式和感應式儀器已在現場安裝運行20多年，有部分傳感器仍在使用當中，其測值一直穩定可靠，這在全國水電行業是較為少見。電容式引張線儀、靜力水準儀、步進式垂線坐標儀目前運行3～10年不等，其儀器工作均正常。對多套自動監測系統可總結如下：
⑴丹江口引進的多套自動化監測子系統的儀器、設備能在廊道高濕惡劣環境下運行，特別是Sens-log系統的傳感器、引線線自動監測系統都已在廊道運行十多年，其電測測值穩定、連續，并同人工有相一致的變化規律，滿足工程運用的要求。
⑵自動化監測有測量速度快、精度高、資料連續等優點，并在高庫水位緊急情下能及時提供壩的性態資料，還可減少了觀測人員，減輕了勞動強度，提高工作效率，是我們監測工作今后的發展方向。
⑶從引進的多套自動監測儀器運行情況來看，各種類型的傳感器各有長短。國內的傳感器性價比較好，從國外引進的傳感器質量較好，但運行期內的正常維護卻要比國內生產的儀器要麻煩很多，備品備件的獲取不如國產的儀器。
四、結束語
丹江口在監測自動化的發展之路上歷經二十多年，但引進的這幾套自動監測系統僅控制了全壩觀測點的較少部位，還不能構成對整個大壩的控制，未形成完整的自動監控系統。2000年，原水利樞紐管理處曾請國電南京自動化研究院結合二期工程對丹江口大壩監測系統進行改造設計，并將在用的幾套自動化監測系統納入丹江口大壩總的監測系統中去，最終構成一套丹江口大壩完整的自動監控系統。由于某些原因這步工作暫時未納入設計當中去。但相信隨著丹江口大壩二期工程施工的完成和科技的不斷進步，丹江口大壩自動監測工作必將進入新的發展時期，形成覆蓋整個丹江口大壩的自動監測網絡，為丹江口大壩的安全運行發揮其最大的作用。
