红石大坝垂线系统升级改造探讨

李海峰

松花江水力发电有限公司吉林白山发电厂 吉林 吉林 132001

摘要：倒垂线在大坝变形监测中是一个观测基准点，其运行状态直接影响整个观测系统的运行，本文对老水电站的垂线系统升级改造过程中发现的问题和解决方法进行了论述。

关键词：垂线；升级。

1工程简况

红石水电站位于第二松花江干流，吉林省桦甸市红石镇。距上游白山电站约38km，为白山下游的一个梯级电站，是一个以发电为主的中型水电站，电站设计总装机200MW，年发电4.35亿KWh。

红石电站水工建筑物由混凝土重力坝、泄水建筑物、河床式厂房、变电开关站等组成，枢纽工程为二等，主要建筑物为2级，设计洪水位290.9m，正常高水位290m，死水位289m。坝顶全长438m，坝顶高程298.0m，最大坝高46.0m，坝顶宽度8.0m～14.0m，共26个坝段。

红石电站1982年主体工程开工，1983年7月24日截流，1985年11月下闸蓄水，12月第一台机组投入运行，1987年10月四台机组全部投产发电。

2 安全监测系统现状

红石电厂大坝安全监测项目包括人工监测和自动化监测，本次改造只考虑自动化监测项目，人工监测项目维持现状。目前大坝安全监测项目主要有：变形监测包括垂直位移、水平位移、倾斜和接缝变形；渗流监测包括坝基扬压力和渗流量监测；环境量监测包括库水位、气温和库水温度监测。

2011年监测系统改造后，改用新的自动化系统，坝内共设17台数据采集装置（DAU）。接入自动化系统的仪器有：CCD式垂线仪11台

监测自动化系统建成初期稳定性较好，可随着时间的推移系统故障率和可靠性低，数据缺失率高，对测值长期稳定性有影响，以致监测数据成果基本不可信，资料分析主要以人工监测数据为主。

3垂线系统

红石大坝垂线布置在#0坝段1条，#25坝段1条，#19坝段1条，断层廊道6条，共计9条垂线11个测点。目前垂线坐标仪电子元器件运行时间超7年，逐渐老化，故障增加，可靠性、稳定性降低。垂线系统2个测点失效；绝缘度不合格的有5台，占比45%；坝体测点的径向（X向）观测精度不合格（不满足规范观测精度要求2mm）的有3个测点；坝基测点的径向（X向）和切向（Y向）观测精度不合格（不满足规范观测精度要求0.3mm）的有4个测点，垂线观测精度不合格测点共占比63.6%；对有效的9台垂线仪进行数据缺失率考核，考核期内缺失率偏高，有5个测点（占比56%）的缺失率均在3%以上，不符合DL/T5272-2012规范要求；仪器异常主要包括：数码管显示故障、通讯故障、测值跳动大以致无效数据多。

4垂线监测系统升级改造内容

拆除原有自动垂线仪并在原位置安装CCD式垂线坐标仪，接入相应的数据采集装置实现自动化。在正、倒垂线装置的测点处新增人工瞄准器；垂线测墩进行除锈刷漆处理；为CCD式垂线坐标仪及人工瞄准器安装支架。

5 CCD垂线坐标仪选型

垂线坐标仪选择中水公司生产的CCD式DB1220A型垂线坐标遥测仪。

CCD式垂线坐标遥测仪，是以CCD为传感器实现正、倒垂线数据采集的仪器。CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号，CCD分为线阵和面阵两种，线阵是在一条直线上均匀分布有若干个光敏单元，每个光敏单元的距离是0.007mm左右。CCD式垂线仪使用的是线阵CCD，在CCD器件前设一束平行光，当垂线位于平行光中时，在CCD上产生与垂线线径同宽的阴影，读出光影的数字信号即可计算出垂线的相对坐标。为消除更换仪器或器件对观测数据连续性的影响，在坝体上设坝体标点，每次观测时分别测出坝体标点和垂线在CCD上的坐标，分别计算出Xi和Yi作为观测值。

CCD器件的线性度非常好，对大坝观测的精度要求来说其非线性影响可以忽略不计，平行光的质量是影响最大的。受仪器体积的和制作成本的限制，在小的空间内产生满足量程要求的平行光是制作本仪器的关键点。为此我们针对所采用的光源及凸透镜整理出一条非线性修正曲线，固化于每台仪器中，使用全量程观测值与给定位移的误差小于0.10mm。

6垂线系统改造方案

红石大坝共设置9条倒垂线11个测点，分别设于0#、4#、5#、7#、19#及25#坝段。其中0#、5#、25#坝段每条倒垂线设一个测点，相应测点编号为TP0、TP5、TP25；4#坝段倒垂线设两个测点，相应测点编号为TP4-1、TP4-2；7#及19#坝段每条垂线各设置3个测点，相应测点编号分别为TP7-1、TP7-2、TP7-3、TP19-1、TP19-2、TP19-3。详细测点信息见表4.3.2.1-1。

表4.3.2.1-1 垂线及坐标仪测站安装位置表

本次改造方案：拆除原有自动垂线仪并在原位置安装CCD式垂线坐标仪，将电源线和通讯线沿线槽敷设到指定的监测站实现自动化，测点引接到的监测站分布见表4.3.2.1-2。

表4.3.2.1-2 垂线测点引接到的监测站分布

由于人工观测误差大，故在正、倒垂线装置的测点处新增人工瞄准器，用以人工目测位移变化，垂线测墩进行除锈刷漆处理；同时为CCD式垂线坐标仪及人工瞄准器安装支架，安装支架为不锈钢材质。

参考文献

（1）《混凝土坝安全监测技术规范》（DL/T 5178-2016）

（2）《混凝土坝安全监测资料整编规程》（DL/T 5209-2005）

（3）《大坝安全监测自动化技术规范》（DL/T 5211-2019）

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