杨 宁，卢正超，乔 雨，张振华，赵代鹏

(1.中国三峡建设管理有限公司，四川 成都 610000；2.中国水利水电科学研究院水电可持续发展研究中心，北京 100038；3.流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038)

1 工程概况

乌东德水电站是金沙江下游河段规划建设的4个水电梯级——乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝的最上游梯级，总库容74.08亿m3，电站装机容量1 020万kW。乌东德大坝为混凝土双曲拱坝，最大坝高270 m，拱冠梁底厚45.45 m，坝顶上游面弧长325.67 m，共分15个坝段，坝体混凝土方量约273万m3。坝身布置5个表孔、6个中孔。

“乌东德水电站大坝施工期安全监测自动化与工作性态智能化监控”(以下简称“乌东德施工期监测自动化项目”)是乌东德大坝工程智能建造项目的重要组成部分之一，主要针对乌东德大坝施工控制3大要素中的安全维度，通过扩大工程安全相关信息涉及的时空覆盖范围，提高信息的时间、空间分辨能力，全面感知乌东德大坝工程风险的相关信息，真实分析评价工程风险因素及其演变规律和后果，动态控制风险事件及其发展过程，动态监控和主动应对相结合，实现乌东德大坝施工期安全管理上的智能化。

“乌东德施工期监测自动化项目”主要工作内容包括：①坝踵应力、倒悬变形专项监测；②施工期安全监测数据全过程实时在线监测及其自动化；③施工期大坝安全监测信息在线分析预警系统；④大坝安全监测信息在线分析预警系统维护；⑤大坝安全监测资料分析及安全评价。

随着监测自动化、网络通信、计算等信息技术的飞速发展，监测自动化是未来的发展趋势[1-2]，也是智慧水利建设和水电智能建造的必由之路[3]。混凝土大坝施工期监测自动化在从仓面采集、仓面转廊道采集和廊道观测房内采集等3个阶段均面临很大困难和挑战。国内的有关规程规范均未对混凝土大坝从施工、蓄水、运行全过程的监测提出明确的要求[4-7]。本文主要介绍乌东德高拱坝施工期安全监测数据全过程实时在线监测及其自动化的有关技术内容[8]。

2 混凝土高拱坝施工期监测自动化面临的困难

在以往的混凝土大坝监测中，由于施工条件的限制，通常是在大坝施工开始到后期甚至竣工都采用人工观测，大坝浇筑到顶、廊道完全形成并具备有线通信工作条件才进行监测自动化。这就势必带来数据采集实时性差，有时还会有数据采集中断，难以为大坝灌浆、浇筑等提供实时数据支撑等问题。这无疑是大坝智能建造中需要解决的一个重点和难点。

就施工期监测自动化而言，施工条件的限制主要包括如下几个方面：①在大坝内部，坝内各层廊道观测房形成时间不一，观测房之间或与外界不连通，仅在大坝施工后期甚至是大坝竣工后方才具备通信条件。②在大坝外部，施工期间大坝枢纽区不具备有线或无线通信条件。③施工过程中，仓面及廊道内环境恶劣，且不时停电，往往超出电子设备的正常工作条件。

3 施工期大坝安全监测自动化系统总体设计

为实现乌东德水电站大坝智能监控的目标，乌东德施工期监测自动化项目招标文件的对施工期自动化监测系统的要求是：“为保证施工期安全监测数据全过程实时在线监测，与运行期观测顺利衔接，在大坝混凝土浇筑期间，电缆线未牵引至廊道观测站前，对各混凝土仓面内监测仪器设施采用无线智能传感采集仪自动采集数据，并通过无线通讯方式传输数据。电缆线牵引至廊道观测站后，采用数据采集单元采集数据，利用光纤将各层观测站组网后牵引至地面，使用无线方式传输。”

为实施乌东德大坝智能建造的目标，在乌东德枢纽区建立了联通专网，施工期间在施工区和办公区有可靠的无线通信，办公区和三峡成都数字中心有可靠的网络通信。因此，乌东德施工期监测自动化主要需要解决传感器埋设后的数据采集和传输问题。

通过对混凝土大坝施工特点的分析，并考虑到施工期监测系统与运行期监测系统的无缝对接，采用基于LORA协议的低功耗广域网(LPWAN)技术，本工程智能数据采集按照二级规划，第一级即监测中心站，第二级为现场智能数据监测站和无线智能采集站。

(1)监控中心站。包含采集计算机、数据服务器、WEB服务器、网络交换机、打印机等外设组成，其主要功能是通过平台软件对监测站自动和半自动采集的数据、人工测读的数据、工程所有与安全监测相关的文档资料进行集中统一管理并发布给相应权限的管理人员，同时，可向现场自动化监测站发送相关控制指令。

(2)无线智能采集站。采用自带电源、功耗低、体积小、质量轻、便于组网、配置简单灵活的无线数据采集装置，建于大坝浇筑仓面，可随混凝土浇筑移动。本工程选用由北京基康生产的基于低功耗无线广域网技术的GL2型无线智能采集采集系统。GL2型无线广域网数据采集系统由支持3/4G/FE网络GL2型无线网与多个GL2系列无线终端组成，具有组网简单，配置灵活、终端无需额外供电、自动化程度高的特点。对于本工程而言，只需在坝体两侧坝肩处各设置1台无线网关，即可对整个大坝施工区域的监测仪器实施自动化数据采集。实际上，它也可应用于大坝基坑、边坡等部位的监测仪器的数据采集。

(3)现场智能数据监测站。建于廊道内观测房，具有数据采集、数据存储、数据传输、设备供电及防雷等功能，可用于施工期和运行期监测。现场智能数据监测站由1台或多台BGK-Micro-48自动化数据采集单元组成。相关仓面仪器电缆牵引至廊道观测站后，将仪器电缆与无线数据直接接入BGK-Micro-48自动化数据采集单元。BGK-Micro-48自动化数据采集单元除具有RS232/RS485等常规通讯接口外，还具有RJ45以太网络端口。每个现场智能数据监测站内设置有多端口以太网交换机，将测站内的各自动化数据采集单元实施通讯汇聚，并通过网线与邻近廊道监测站组成更大的网络，同时还通过网线连接到廊道口的光纤网络交换机、利用光缆与4G路由器等实现与监控中心站之间的无线或有限通讯通讯。通过本测站内的网络交换机与串口服务器连接本测站内的CCD设备，由监控中心站直接对CCD设备实施通讯采集。现场智能数据监测站的供电采用施工用电，BGK-Micro-48自动化数据采集单元内置有后备电池，即使短暂停电也能保证数据采集不会中断。

系统总体结构如图1所示。

图1 乌东德水电站大坝安全监测系统总体结构

4 施工期大坝安全监测自动化实施方案

4.1 监测自动化阶段划分

考虑混凝土大坝施工特点，施工期大坝安全监测可以分为以下3个阶段：

(1)仓面采集。近基础部位埋设的传感器，下方没有廊道，仪器电缆只能上引。其他部位引线规划为自传感器埋设高程起上引至上部高程廊道或牵引至其他具备采集条件的位置进行采集，但未进行电缆预埋。对于上述两种情形，在大坝混凝土浇筑仓面进行采集是不可缺少的阶段。

(2)仓面采集转廊道采集，为进入廊道观测房内采集的过渡阶段。对于上述不可缺少的仓面采集阶段，仪器电缆最终需由仓面进入廊道。受廊道立模、拆模、混凝土浇筑等施工影响，有两个月左右的时间难以进入廊道内进行人工采集。因此，人工采集数据通常要中断两个月左右。

(3)廊道观测房内采集。廊道拆模具备交通条件后。

4.2 仓面采集的监测自动化

对于传感器的仓面采集阶段，主要采用如下方式进行自动化监测：

(1)在大坝混凝土浇筑仓面，根据设计要求进行仪器电缆集中和牵引，在电缆集中处，采用北京基康公司的无线智能采集仪进行汇聚。乌东德现场应用的无线智能采集仪主要有GL2-VW-6(每台可接入钢弦式传感器6支)、GL2-DR-6(每台可接入差阻式传感器6支)以及GL2-VW-MM(每台可接入双轴电解液质高精度倾斜计1套)3种规格。

(2)各坝段仓面上分散布设的GL2无线智能采集仪，通过北京基康公司的GL2-G无线网关进行汇聚，形成一个结构简单的星形拓扑结构。1台GL2无线网关等同于1个“基站”，网关下允许6万余个无线智能采集仪。由于乌东德现场坝肩边坡高陡，施工过程各坝段浇筑高程上升不同步，仓面高低错落，为保证无线传输质量，在大坝两侧坝肩布置了2台GL2无线网关。

(3)GL2-G无线网关通过移动通讯网络与乌东德监测中心站相连。GL2无线网关一般是通过公网将数据上传至商用云平台(如中兴、阿里等)，再通过专用软件下传数据。为保障数据安全，乌东德建立了私有云平台。除了私有云平台(中兴)，乌东德监测中心站还布置了1台数据库服务器和1台4G无线路由器。无线路由器和GL2-G无线网关均配置了联通网卡，通过乌东德现场开通的4G无线联通专网进行数据通信。数据库服务器(DELL T330)配置了SQL Server 2012数据库和数据采集管理软件BGK-Logger。

(4)乌东德监测中心站通过有线网络与乌东德智能建造平台iDam2.0连接。

无智能采集仪功能特点有：①自动联网功能。在GL2无线网关下自动联网，异地使用无需任何设置。②多网关支持。同一区域支持多个网关并自动选择上报数据。③自动侦测。自动侦测网关、信道占用并自动调频切换。④内建蓝牙4.0接口和磁性钥匙唤醒开关，可通过安装APP的蓝牙手机读取当前数据、存储数据或进行配置。磁性钥匙还可激活即时测报功能，利用手机扫描二维码通过平台直接查看当前数据，方便现场安装调试。⑤可更换电池。⑥全密封壳体，防护等级IP67，适应全天候工作。

GL2无线网关功能特点有：①完全免配置，即装即用。②支持3G/4G全网通或有线LAN等数据传输方式。③覆盖能力强，视距最远可达15km里与6万个测点的覆盖。④支持蓝牙路测终端查看网关及终端信息，GPS用于网关定位及授时。⑤防水性能良好，防水等级IP67。⑥支持市电220 V交流供电和太阳能供电。⑦功耗低，正常工作情况下功耗小于5 W。

无线智能采集仪内置有可更换的独立供电的电池，采用超低功耗和远距离无线传输技术，同时具备无线数据传输及有线数据传输功能，实现了传感器的采集、信号处理、通讯、供电一体化，具有自动联网、自动侦测、支持多网关、免调试等功能，即装即用。

4.3 仓面转廊道采集的监测自动化

乌东德水电站仓面转廊道采集监测自动化采用如下方式：以850 m高程廊道4号和12号坝段观测房为例加以说明。2018年9月，3、4、5号和10、12、13号坝段在仓面进行人工读数的仪器将分别引入850 m高程廊道4号观测房(接入差阻式84支、钢弦式47支、双轴倾斜计1套)和12号坝段观测房(接入差阻式42支、钢弦式20支、双轴倾斜计1套)。在廊道施工期间，850 m高程廊道左右岸未贯通，4、12号坝段观测房内部无电源、无联通无线网络。通过从观测房经仓面预埋信号线(485和网线)和电源线进行信号传输和供电，牵引到大坝下游面853栈桥，长度约60 m。在850 m高程廊道4、12号坝段观测房内，传感器接入北京基康BGK-Micro-48数据采集单元。网线一端接入观测房内的以太网交换机，一端接入固定在大坝下游面853栈桥上方的4G路由器，路由器上配置联通专网卡，数据通过无线直接传入乌东德监测中心站安全监测服务器。无线传输发生问题时，利用485线将存储在采集单元的数据读出，人工导入数据库。4号坝段和12号坝段下游面853栈桥各安装配联通专网卡的4G路由器1台。

通过上述方式，可以保障仓面转廊道采集过程中的数据连续不中断。

4.4 廊道观测房内采集的监测自动化

引入廊道观测房内的仪器电缆接入BGK-Micro-48数据采集单元，采集单元接入以太网交换机或光纤交换机。当廊道内具备无线或有线通信条件时，通过观测房内配置联通专网网卡的路由器连接到乌东德监测中心站。对于不具备通信条件的其他观测房，如廊道左右或上下贯通时，可以通过光纤或网线连接至具备通信条件的其他观测房。这种监测自动化方式与以往运行期自动化监测基本一致。

5 监测自动化系统实施中需考虑的情况

在混凝土拱坝施工期开展监测自动化，需要克服施工条件恶劣等问题。在大坝浇筑仓面，需要对无线智能采集仪GL2加设保护盒，提高防水、防水泥浆能力。廊道内，因为混凝土施工加湿养护防裂要求，相对湿度在95%以上，需要对BGK-Micro-48数据采集单元机箱提高防护等级、加热或加干燥剂除湿。在设备故障时，需及时进行更换。对于施工停电导致网络不通时，要及时进行处置，必要时手工导出数据，人工导入系统。

此外，为便于监测仪器埋设单位进行人工观测，在无线智能采集仪GL2和BGK-Micro-48数据采集单元均设置了人工观测接口。

6 结 语

截至2020年12月，乌东德大坝已全面实现仓面和廊道内的监测自动化，目前已接入传感器1 343支[8]。自2018年10月以来，高频次的自动化采集为大坝横缝灌浆以及2020年以来的初期蓄水大坝智能化监控提供了及时充分的数据支持。人工比测表明，自动化系统运行可靠。总体而言，采用功耗无线广域网技术实施混凝土施工期全过程自动化是可行的，可以实现仪器埋设后遂行自动化监测全过程无间断，且组网灵活、施工方便。

乌东德的经验表明，可以考虑取消大坝监测中的人工观测阶段，直接进入全过程的大坝监测自动化。在今后的混凝土坝监测设计中，建议进行如下优化：

(1)对于上部高程埋设的仪器，采用预埋仪器电缆和必要的通讯光缆，牵引至下部廊道或其他具备观测条件的位置，可以减少仓面采集范围。

(2)尽早完成坝内廊道及观测房的总体规划，观测房预留自动化设备位置，并注意避免与垂线钻孔、安装施工的干扰。

此外，还宜加强混凝土施工中的精细化管理，避免施工水浸泡坝内廊道电子设备。