水電高邊坡施工安全監(jiān)測技術

1、水電高邊坡施工安全監(jiān)測技術姚卓英（中鐵十一局集團第三工程有限公司 湖北十堰 442012）摘 要 通過高邊坡施工期安全監(jiān)測的實例，說明了高邊坡的深層變形觀測、結構應力觀測、荷載觀測和表觀變形觀測的安全監(jiān)測設置概況、工作原理和施工方法，并根據(jù)觀測觀測數(shù)據(jù)、曲線的分析，對邊坡不同時段的邊坡穩(wěn)定性進行判斷，為進行高邊坡的安全生產和科學施工方面的提供重要依據(jù)，進而說明了高邊坡安全監(jiān)測的重要性和必要性。關鍵詞 高邊坡; 監(jiān)測; 成果分析1 工程概況1.1 工程概況EL1560m平臺工程是錦屏水電站引水隧洞主要施工場地，位于雅礱江干流錦屏大河灣上，地處高山峽谷，地面坡度一般在4050°，該平臺由

2、原始邊坡直接開挖形成，主要施工區(qū)段為K4+576K4+985，開挖主要形成高程為1560和1605兩個功能平臺（簡稱1560平臺與1605平臺），最大開挖高度約120m（坡頂高程1680m）。1605平臺長約100m，寬1520m，布置有引水隧洞混凝土系統(tǒng)；1560平臺長約400m，寬1540m，布置有機車修理廠、調車場地及引水隧洞、上游調壓室施工支洞洞口等。根據(jù)地質情況的不同，開挖坡比為1:0.31:0.5，依次布置有1560、1575、1590、1605、1620、1635、1650m共計7級馬道（臺階），臺階高度為15m，馬道寬度為2m。邊坡噴錨支護4.4萬平方米，設置有錨筋樁、錨索等支

3、護形式。1.2地質概況根據(jù)本工程的地質情況以及邊坡支護情況，決定對K4+700K4+985段邊坡進行安全監(jiān)測，其地質情況如下：（1）K4+700K4+800段：上覆有14m不等的半膠結角礫巖，下伏為T2y5灰白色厚層大理巖，巖體以弱風化為主，局部為強風化，完整性較差，結構面發(fā)育，沿結構面常見有溶蝕現(xiàn)象。另外，K4+700K4+760（EL15801605m）段邊坡發(fā)生過塌方，巖體完整性相當差，存在明顯的滑移面。（2）K4+800K4+985段： K4+800K4+930段邊坡發(fā)育一變形體，后緣高程約1900m，前緣高程約1520m，高差約380m，完整性差，性狀差，巖層已明顯變形彎曲。變形體的

4、最大鉛直厚度達2530m，變形體穩(wěn)定性較差，下伏基巖為T2y5灰色厚層大理巖，完整性較好；K4+930K5+985段上覆有24m不等的半膠結角礫巖，下伏為T2y5灰灰黑色大理巖，以中厚狀為主，局部為中薄層，巖體以弱風化為主，局部為強風化，存在局部傾倒變形問題；完整性較差，結構面發(fā)育，發(fā)育有一條寬11.5m、產狀為N10°E，NW6270°順層擠壓帶。 2 監(jiān)測目的、內容及機理2.1監(jiān)測目的邊坡工程監(jiān)測是高危邊坡開挖支護施工中的一個必不可少的重要環(huán)節(jié)，通過對開挖支護形成臨空面的不穩(wěn)定巖體實施監(jiān)測，及時掌握工程邊坡巖體應力和變形的動態(tài)變化過程，將各種監(jiān)測信息及時反饋給邊坡設計者

5、和開挖組織者，提出下一步開挖支護施工建議，實現(xiàn)信息化施工，及時控制施工速率，確保工程邊坡的安全穩(wěn)定。2.2 監(jiān)測內容與設備選型按照本工程的特點，安全監(jiān)測可分為深部變形觀測、結構應力觀測、荷載觀測和表觀位移觀測4大類，采用多因素綜合判斷的方法對邊坡進行整體穩(wěn)定性判斷。針對本工程上述監(jiān)測類別，在設備選型時充分考慮現(xiàn)場條件，要求設備的穩(wěn)定性好，并滿足本工程的精度和量程要求，據(jù)此，選定由基康儀器（北京）有限公司生產的監(jiān)測儀器，多點變位計、錨筋樁應力計（振弦式鋼筋計）和錨索測力計的設備型號分別為BGK4450-100型、BGK4911A-28型、BGK4900-1000/2000KN型,對應測讀儀器為美

6、國Geokon公司原裝進口的GK-403型振弦式讀數(shù)儀。測斜管的測度儀器為美國Sinco公司生產的50302510型伺服加速度式測斜儀，配有專用讀數(shù)儀。具體安全監(jiān)測設置工程數(shù)量、主要監(jiān)測設備技術指標如下： 表1 EL1560平臺監(jiān)測項目內容統(tǒng)計表序號類別監(jiān)測形式編號工程量單位主要技術指標備注1深部變形觀測多點變位計MP1MP15651.5m量程：100mm；精度：±0.1%F.S.；孔徑90mm，四點式，上傾5°孔深4050m2MP1605-1254m2套多點變位計，孔深27m3測斜管INP1INP10525.2mABS管，外徑71mm，內徑68mm孔深5065m4結構應力

7、觀測錨筋樁應力計KLP7KLP126套量程：310MPa；精度：±0.1%F.S.；三點式，傳感器間距3m5荷載觀測錨索測力計DP1DP2121臺量程：1500KN；精度：±0.25%F.S.；適用100T級錨索6D1605-166臺量程：2500KN；精度：±0.25%F.S.；適用200T級錨索7表觀位移觀測水平位移測點TP1605-133個誤差限值：±3mm每月觀測一次8垂直位移測點LD1605-166個進行二等水準測量塌方段張拉期間垂直位移測點每天觀測兩次9垂直位移基點LN1605-122個2.3 監(jiān)測的機理針對本工程原形監(jiān)測設備、設施的施工情況

8、，現(xiàn)對本工程的多點變位計、測斜管、錨筋樁應力計、錨索測力計以及變形觀測的工作原理和計算方法進行簡要說明如下：2.3.1鋼弦式多點變位計（4點）（1） 工作原理本工程采用的是4點式多點變位計，即按照設計要求的間距安裝好4個錨頭和傳力桿，錨頭距孔口的位置分別為2m9m24m40m（實際的位置可根據(jù)待測部位的地質情況可做適當調整），以及孔口處的傳感器，封孔后通過灌凈水泥漿定位錨固錨頭。當基巖產生位移時，錨頭隨之移動，并經過傳遞桿傳到孔口處的傳感器，通過測讀儀表（振弦式讀數(shù)儀）進行觀測，進而計算出各測點對應的變形情況。（2） 變形量計算位移上式中L變形量，mm；G傳感器系數(shù)，mm/Digit；、分別為

9、錨固點發(fā)生位移后和埋設前的測值（Hz2），GK-403型振弦式讀數(shù)儀現(xiàn)場測讀溫度修正系數(shù)，mm/；、分別為實測溫度和初始溫度2.3.2 測斜管（1） 工作原理本工程通過把帶有滑輪的伺服加速度式測斜儀作為敏感原件在測斜管中移動，伺服加速度的輸出電壓正比于被測加速度，通過測值可以逐段計算出位移后管軸線與鉛垂線的夾角，分段求出水平位移，累加得出總位移量及延管軸線整個孔深位移的變化情況。（2）變形量計算 變形量 ： 上式中：測斜儀輪長為L的相對鉛垂線的位移量，mm,本儀器L=500mm； 、分別表示測斜儀延某一方向的讀數(shù)以及旋轉180°的讀數(shù)。2.3.3 錨筋樁應力計（三點式）（1） 工作原

10、理在同一根鋼筋上布置有三個鋼筋計，鋼筋計與受力鋼筋對焊連接成整體，距孔口的距離分別為3、6和9m，錨頭的編號分別為1#、2#和3#，當鋼筋收到軸向拉力時，與鋼筋緊固在一起的鋼筋計將發(fā)生變形，從而改變鋼弦的自振頻率，測讀儀表通過鋼筋計頻率的改變可以求得軸向應力的變化。（2）荷載計算錨筋樁應力計的計算原理與多點變位計的計算原理相同。 荷載式中應力值，KN；其它參數(shù)同多點變位計。2.3.4錨索測力計（1）工作原理本工程采用的是鋼弦式錨索測力計（荷載盒式），該儀器是由鋼筒和布置在其周邊的4個鋼弦式應變計組成，通過應變計測讀作用在荷載盒上的荷載（頻率），并取平均值，然后，計算出錨索的受力情況。（2）應力

11、計算錨筋樁應力計的計算原理與多點變位計的計算原理相同。荷載式中應力值，KN；其它參數(shù)同多點變位計。2.3.5表觀位移觀測（1）工作原理本工程水平變形觀測采用全站儀（GPT-3002LN，標稱精度為1.6mm），通過控制網上的測量基點（分別為JP146、145和147號）進行邊角交匯法觀測，觀測1605平臺上的3個水平位移測點的坐標，觀測樁編號分別為：TP1605-13，以了解水平變形情況。垂直位移觀測采用二等水準觀測，由布置在在1605平臺上兩個不受張拉影響的垂直位移基點（LN1605-1、2），觀測2個基點之間的6個垂直位移測點，分別為LD1605-16，測量設備為德國蔡司制造的型號為DiN

12、i12型電子水準儀，準確度U=0.51''。通過（2）數(shù)據(jù)處理當按照上述設計要求布置好水平、垂直位移測點后，首先，測量并按照規(guī)范要求取得初值，將施工期觀測數(shù)據(jù)與錨索張拉前表面變形測點的基準值（初值）對比，算出水平位移和垂直位移的變化量，并分析其對邊坡穩(wěn)定的影響。3 安全監(jiān)測布置安全監(jiān)測設施的布置既要以高邊坡整體穩(wěn)定性為主，也要兼顧局部斷裂等巖體缺陷的監(jiān)測。根據(jù)邊坡地質情況，需要對K4+700K4+985段（1560m以上）邊坡進行安全監(jiān)測，其中K4+700K4+760段1605m平臺表觀位移、以及K4+800K4+985（1560m以上）段邊坡為本工程安全監(jiān)測的重點。3.1 K

13、4+700K4+800段（1560m以上）監(jiān)測布置該區(qū)段共設置了3個監(jiān)測斷面，測斜管共計3個，編號：INP79，錨筋樁應力計（三點式）6套KLP712，多點位移計共計7個，編號：MP713，錨索測力計共計5臺，編號：DP1014。3.2 K4+700K4+760段1605m平臺表觀位移監(jiān)測布置該段邊坡開挖過程發(fā)生塌方，后進行了貼坡混凝土施工，并采用壓力分散型錨索加固，1605m平臺布置有混凝土骨料倉，荷載為25t/m2。為了了解錨索張拉過程中邊坡的變形和受力情況，K4+700K4+760（15801605m）段邊坡共設置多點位移計2個，編號：MP1605-12，錨索測力計6臺，編號：D1605

14、-16。同時，在1605平臺上設置3個水平位移測點，6個垂直位移測點，2個垂直位移基點，用以觀測1605平臺在錨索張拉過程中的變形情況。表觀位移為該部位的監(jiān)測重點，具體見圖1。3.3 K4+800K4+985段（1560m以上）監(jiān)測布置該區(qū)段為本工程的監(jiān)測重點，共設置了4個監(jiān)測斷面，分別為：K4+830、K4+880、K4+930、K4+970，每個監(jiān)測斷面均布置有多點變位計、測斜孔、錨索測力計。測斜管共計7個，編號：INP16、10；多點位移計共計8個，編號：MP16、14、15；錨索測力計共計16臺，編號：DP19、DP1521。具體見圖2。圖2 K4+800K4+985段（1560m以上

15、）高邊坡監(jiān)測布置圖以下為K4+830監(jiān)測斷面的監(jiān)測儀器布置示意圖說明監(jiān)測設施的布置情況，詳細情況見圖3。K4+830段（1560m以上）高邊坡監(jiān)測斷面圖4安全監(jiān)測施工4.1 安全監(jiān)測儀器設備的檢驗、率定用于本工程的所有儀器設備運到工地現(xiàn)場后，在現(xiàn)場對全部監(jiān)測儀器設備進行全面測試、檢驗、率定。具體內容包括：出廠時儀器資料參數(shù)卡片是否齊全，儀器數(shù)量與發(fā)貨單是否一致； 進行外觀檢查，仔細查看儀器外部有無損傷痕跡，銹斑等；用萬用表測量儀器線路有無斷線，用兆歐表量測儀器本身的絕緣是否達到出廠值；用測讀儀表測試儀器設計出場參數(shù)是否正常，主要是針對現(xiàn)場使用的弦式多點變位計、弦式錨筋樁應力計、弦式錨索測力計的

16、靈敏度系數(shù)G、儀器誤差、以及進行溫度性能及防水性能檢驗等。4.2 監(jiān)測儀器埋設關鍵控制工藝（1）研究現(xiàn)場條件并進行監(jiān)測儀器測量定位。監(jiān)測工程的施工是與土建工程施工交叉進行的，儀器安裝埋設施工，既要達到設計的要求，又要克服環(huán)境的影響，盡量避免施工干擾。所有監(jiān)測設施施工前，需要按照設計圖紙給定的斷面位置（或更準確的坐標）進行定位。如果發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場條件不能（或不便）進行監(jiān)測設施施工，需要改變位置時，需要征得監(jiān)理和現(xiàn)場設計代表的同意。（2）深部變形觀測和結構應力觀測設施施工。完成監(jiān)測設施（多點變位計、測斜孔、錨筋樁應力計）的鉆孔、設備安裝、灌漿和基準值的測讀。施工過程中，應特別注意：多點變位計（4點式）的

17、錨固點應該跨越斷裂帶和軟弱夾層，在鉆孔過程中，應對鉆孔取芯做好記錄，并繪制鉆孔巖芯柱狀圖。測斜孔鉆孔精度很重要，傾斜度應小于2°，在鉆孔過程中應經常予以校核，同時，測斜孔下管和灌漿時，必須保證裝配好的測斜管導槽的扭轉角每3m不超過1°，全長范圍內不超過5°。三點式錨筋樁應力計連接采用同軸對焊方式，應特別注意焊接質量。（3）荷載觀測（錨索測力計）設施施工，應注意錨索測力計的準確定位和鎖定值的確認。測力計或傳力板與孔軸線垂直，其傾斜度應小于0.5°，偏心不大于5mm。張拉前，按照設計要求測量其基準值。錨索張拉最后一級應進行穩(wěn)定監(jiān)測，每5min測讀一次，連續(xù)測

18、讀3次，當三次讀數(shù)的最大值與最小值之差小于1F.S時，確認穩(wěn)定，此時，所測的荷載為鎖定荷載。（4）表觀位移觀測（水平垂直位移測點、垂直位移基點）施工。應確保所有的測點和基準點應和建筑物牢靠結合，并能夠體現(xiàn)邊坡的變形情況，另外，垂直位移觀測基點必須位于張拉影響范圍以外的穩(wěn)定巖體上。4.3 安全監(jiān)測頻次當安全監(jiān)測設備按規(guī)范要求安裝埋設完畢并讀取初值后，按照以下頻次進行觀測，測斜管觀測頻次1次/周，多點變位計、錨筋樁應力計、錨索測力計埋設初期，每天觀測1次，觀測一周后每周觀測3次，連續(xù)觀測1月后每周觀測1次。表觀位移觀測，1605平臺在錨索張拉前觀測一次水平、垂直位移測點，張拉過程中水平位移每月觀測

19、一次，垂直位移每天觀測2次。同時，按照規(guī)范要求，在汛期、測值出現(xiàn)異?；驗槭┕ぬ峁┍匾馁Y料時，對部分儀器增加測次。5 安全監(jiān)測成果分析5. 1 邊坡深部變形觀測成果分析 多點變位計觀測資料分析本工程共有17個多點變位計（4點式），現(xiàn)以K4830斷面MP15多點位移計監(jiān)測資料分析為例說明多點變位計的監(jiān)測情況。MP15多點位移計各測點位移值列于表2，位移時間過程線見圖4。表2 K4830斷面MP15多點位移計實測成果表儀器編號：MP15 埋設高程：1592m 埋設日期：2006年12月15日觀測日期孔口 (0m)1錨頭(3m)2錨頭(9m)3錨頭(22m)孔口溫度狀態(tài)評價位移(mm)變化速率位移(

20、mm)變化速率位移(mm)變化速率位移(mm)變化速率06-12-150.000.000.000.000.000.000.000.0010.7該部位穩(wěn)定06-12-220.280.000.500.000.300.000.080.008.507-11-100.710.00-0.70-0.01-1.140.00-1.580.0014.907-11-240.780.00-0.650.00-1.24-0.01-1.570.0017.507-12-20.730.00-0.710.00-1.240.00-1.600.0016.807-12-170.720.00-0.790.00-1.37-0.01-1.6

21、20.0013.907-12-240.760.00-0.720.01-1.43-0.01-1.620.0018.5備注1）變化速率單位為mm/d。2）4錨頭埋深42m。圖4 K4+830斷面MP15多點位移計各測點變化過程線在本工程邊坡開挖支護施工過程中，K4+830段1578以上邊坡在2007年12月12日爆破后曾出現(xiàn)過3條（長約15m）邊坡貫穿性裂縫，通過爆破后對該區(qū)段多點變位計MP15觀測可以看出，其觀測值在爆破前后未有明顯變化，且一直處于穩(wěn)定狀態(tài)，為淺層裂縫。通過表2可知，2007年11月10日各錨頭的反向變形（向山內側）主要是由于該區(qū)段的錨索張拉引起，截至12月24日，一個半月內的觀

22、測數(shù)據(jù)顯示，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。通過本工程其它部位的17臺多點變位計穩(wěn)定后的讀數(shù)的分析來看，各多點位移計位移的變化速率均在-0.010.01mm/d之間，最大變形量在可控范圍內，監(jiān)測儀器對應邊坡均處于穩(wěn)定狀態(tài)。 邊坡深部變形（測斜孔）觀測成果分析 本工程共有10個測斜孔，現(xiàn)以K4830斷面INP10號測斜孔的監(jiān)測資料分析為例說明測斜孔的監(jiān)測情況。受2007年12月12日爆破以及連天降雨的影響，該斷面1590m高程曾出現(xiàn)過3條（長約15m）邊坡貫穿性裂縫。12月18日測斜孔的測值出現(xiàn)了明顯的變形，出現(xiàn)邊坡裂縫后立即對該測斜孔進行了加密觀測，觀測結果顯示的累計最大位移為4.64mm，出現(xiàn)在離孔口3m

23、的深度，方向為坡外向，通過上述結論，同樣得出了開裂屬于爆破引起的淺層裂縫，不會引起邊坡穩(wěn)定的結論，為邊坡的后期加固和處理提供了理論依據(jù)。 按照上述結論，設計對該開裂段作出了進行長錨桿和錨筋樁加強支護的決定，后期的長期監(jiān)測結果顯示，上述加強噴錨支護確保了邊坡安全穩(wěn)定，具體參見圖5。 通過對其它9個測斜孔的監(jiān)測來看，累計位移值在可控范圍內，觀測結果為邊坡的穩(wěn)定判斷和深層支護施工提供了理論依據(jù)。 5.2 結構應力觀測（錨筋樁應力計觀測）本工程的錨筋樁應力計采取三點式應力計，現(xiàn)以K4+778（EL1643m）斷面處的KLP11說明錨筋樁的結構應力觀測成果見表3，受力過程線見圖6。 圖5 INP10號測

24、斜孔累計位移曲線圖表3 K4778斷面KLP11錨筋樁應力計實測成果表儀器編號：KLP11 埋設高程：1643m 埋設日期：2007年5月11日 2007年5月31日取基準值觀測日期1#（3m）2 (6m)3錨頭(9m)荷載（KN）狀態(tài)評價頻率溫度頻率溫度頻率溫度1#2307-5-313073.123.43114.418.73089.518.10.000.000.00該部位基本穩(wěn)定07-6-93085.222.23112.719.13087.6180.86-0.13-0.1207-6-103082.122.53113.319.03088.818.20.64-0.08-0.0507-6-1230

25、97.321.63109.219.33084.218.51.70-0.36-0.3607-6-153103.821.33108.819.33083.618.02.14-0.38-0.3807-6-173071.624.53107.418.93081.418.2-0.16-0.45-0.5307-6-193075.223.83104.619.13080.818.40.12-0.64-0.5807-6-223070.525.13100.219.53077.918.1-0.26-0.93-0.75圖6 KLP11 錨筋樁應力計受力過程線通過上面的圖表可以看出，錨筋樁完成對松動巖體的加固施工后，淺層（

26、3m）的錨頭測力比較明顯，約2.3KN，6m和9m的錨頭顯示的受力較小，基本上處于不受力的范圍。通過上述部位的錨筋樁應力計的測值可以看出，該部位的錨筋樁設計較為保守，錨筋樁實際受力范圍在6m以內，據(jù)此，可以進行錨筋樁設計參數(shù)調整。5.3 錨索荷載觀測位于K4+830（EL1587m）斷面處的DP17號錨索測力計鎖定張拉荷載1100KN，鎖定監(jiān)測值為1044.2kN,截至2007年10月28日荷載為1010.1kN。具體數(shù)據(jù)見表4表4 DP17錨索測力計實測成果表觀測日期觀測時間頻率溫度荷載(kN)備注1（紅）2（黃）3（蘭）4（黑）平均2007-9-2517:125599.55753.0549

27、7.85969.45704.925.71044.2鎖定后2007-9-269:445608.15760.25503.65974.85711.720.11038.12007-9-2710:005647.05770.95538.05993.85737.428.01022.82007-9-298:505652.75772.15544.15998.65741.921.31017.92007-10-29:175661.85778.95552.96004.05749.423.11013.32007-10-1316:145667.05782.35558.86008.15754.121.21009.62007

28、-10-2817:175667.15781.45557.46008.55753.621.81010.12007-12-216:375678.05770.35568.85987.35751.115.11009.9通過DP17測力計的測力結果可以看出：當錨索鎖定后2天內，錨索的應力損失最為明顯，荷載由1044.2衰減到1022.8，減小了21.4，衰減率為2.1%，其后的荷載變化主要受溫度影響（本錨索測力計的溫度修正系數(shù)K=0.282664）。其它的錨索測力計也反映出類似的情況。通過測力計的實時監(jiān)測，能夠動態(tài)的了解錨索的真實受力狀態(tài)，改善和優(yōu)化錨索張拉的施工工藝。5.4表觀位移觀測在錨索施工過程中

29、，按照水平位移每月觀測一次，垂直位移每天觀測2次進行表觀位移觀測，共進行了4次水平位移觀測，60次垂直位移觀測，觀測結果顯示水平位移與初值偏差為-1mm，垂直位移與初值偏差為-0.4mm0.1mm。1605平臺變形較小，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，排除了錨索張拉過程中塌方段邊坡可能出現(xiàn)過大邊坡擠壓變形的擔憂，同時，為1605平臺永久觀測提供了基礎數(shù)據(jù)。6、結束語通過本工程安全監(jiān)測的施工以及對監(jiān)測成果的分析可知，施工期的觀測數(shù)據(jù)能夠及時真實的反饋所監(jiān)測邊坡變形以及受力變化情況，并對邊坡的穩(wěn)定性進行判斷，安全監(jiān)測設施的設置和后期監(jiān)測施工是合理的、有效的，為進行高邊坡的安全生產和科學施工提供了可靠的依據(jù)。結合

30、本工程的安全監(jiān)測的數(shù)據(jù)，可以得到如下結論：（1）邊坡深部變形觀測成果分析：由于本工程工作面大，施工時間跨度長，通過對本工程17臺多點變位計和10個測斜孔的觀測，了解了邊坡開挖卸荷后的變形情況，為邊坡的穩(wěn)定判斷和深層支護施工提供了理論依據(jù)，特別為開裂段K4+830斷面的邊坡穩(wěn)定性提供了理論依據(jù)。（2）結構應力觀測成果分析：通過對錨筋樁應力計的讀數(shù)分析可知，錨筋樁完成對松動巖體的加固施工后，淺層（3m）的錨頭測力比較明顯，深層的錨頭顯示的受力較小，基本上處于不受力的范圍，說明錨筋樁設計參數(shù)偏于保守，可基于觀測成果調整錨筋樁的設計參數(shù)。（3）表觀變形觀測成果分析：在1605以下邊坡200T錨索張拉過

31、程，為了避免1605平臺出現(xiàn)較明顯的變形，積極的優(yōu)化錨索張拉施工方案，避免出現(xiàn)偏壓和集中荷載的情況。通過對張拉其間1605平臺上的水平垂直位移測點的觀測結果可以看出，顯示1605平臺變形較小，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。準、DL/T5178-2003，混凝土大壩安全監(jiān)測技術規(guī)范。北京：水利水電出版社，作者簡介：電廠分散控制系統(tǒng)故障分析與處理作者：單位：摘要：歸納、分析了電廠DCS系統(tǒng)出現(xiàn)的故障原因，對故障處理的過程及注意事項進行了說明。為提高分散控制系統(tǒng)可靠性，從管理角度提出了一些預防措施建議，供參考。關鍵詞：DCS故障統(tǒng)計分析預防措施隨著機組增多、容量增加和老機組自動化化改造的完成，分散控制系統(tǒng)以其系

32、統(tǒng)和網絡結構的先進性、控制軟件功能的靈活性、人機接口系統(tǒng)的直觀性、工程設計和維護的方便性以及通訊系統(tǒng)的開放性等特點，在電力生產過程中得到了廣泛應用，其功能在DAS、MCS、BMS、SCS、DEH系統(tǒng)成功應用的基礎上，正逐步向MEH、BPC、ETS和ECS方向擴展。但與此同時，分散控制系統(tǒng)對機組安全經濟運行的影響也在逐漸增加；因此如何提高分散控制系統(tǒng)的可靠性和故障后迅速判斷原因的能力，對機組的安全經濟運行至關重要。本文通過對浙江電網機組分散控制系統(tǒng)運行中發(fā)生的幾個比較典型故障案例的分析處理，歸納出提高分散系統(tǒng)的可靠性的幾點建議，供同行參考。1考核故障統(tǒng)計浙江省電力行業(yè)所屬機組，目前在線運行的分散

33、控制系統(tǒng)，有TELEPERM-ME、MOD300，INFI-90，NETWORK-6000， MACS和MACS-，XDPS-400，A/I。DEH有TOSAMAP-GS/C800， DEH-IIIA等系統(tǒng)。筆者根據(jù)各電廠安全簡報記載，將近幾年因分散控制系統(tǒng)異常而引起的機組故障次數(shù)及定性統(tǒng)計于表1表1熱工考核故障定性統(tǒng)計2熱工考核故障原因分析與處理根據(jù)表1統(tǒng)計，結合筆者參加現(xiàn)場事故原因分析查找過程了解到的情況，下面將分散控制系統(tǒng)異常（浙江省電力行業(yè)范圍內）而引起上述機組設備二類及以上故障中的典型案例分類淺析如下：2.1測量模件故障典型案例分析 測量模件“異常”引起的機組跳爐、跳機故障占故障比例

34、較高，但相對來講故障原因的分析查找和處理比較容易，根據(jù)故障現(xiàn)象、故障首出信號和SOE記錄，通過分析判斷和試驗，通常能較快的查出“異?！蹦＜＿@種“異?！蹦＜杏残怨收虾蛙浶怨收隙N，硬性故障只能通過更換有問題模件，才能恢復該系統(tǒng)正常運行；而軟性故障通過對模件復位或初始化，系統(tǒng)一般能恢復正常。比較典型的案例有三種：（1）未冗余配置的輸入/輸出信號模件異常引起機組故障。如有臺130MW機組正常運行中突然跳機，故障首出信號為“軸向位移大”，經現(xiàn)場檢查，跳機前后有關參數(shù)均無異常，軸向位移實際運行中未達到報警值保護動作值，本特利裝置也未發(fā)訊，但LPC模件卻有報警且發(fā)出了跳機指令。因此分析判斷跳機原因為D

35、EH主保護中的LPC模件故障引起，更換LPC模件后沒有再發(fā)生類似故障。另一臺600MW機組，運行中汽機備用盤上“汽機軸承振動高”、“汽機跳閘”報警，同時汽機高、中壓主汽門和調門關閉，發(fā)電機逆功率保護動作跳閘；隨即高低壓旁路快開，磨煤機B跳閘，鍋爐因“汽包水位低低”MFT。經查原因系1高壓調門因閥位變送器和控制模件異常，使調門出現(xiàn)大幅度晃動直至故障全關，過程中引起1軸承振動高高保護動作跳機。更換1高壓調門閥位控制卡和閥位變送器后，機組啟動并網，恢復正常運行。（2）冗余輸入信號未分模件配置，當模件故障時引起機組跳閘：如有一臺600MW機組運行中汽機跳閘，隨即高低壓旁路快開，磨煤機B和D相繼跳閘，鍋

36、爐因“爐膛壓力低低”MFT。當時因系統(tǒng)負荷緊張，根據(jù)SOE及DEH內部故障記錄，初步判斷的跳閘原因而強制汽機應力保護后恢復機組運行。二日后機組再次跳閘，全面查找分析后，確認2次機組跳閘原因均系DEH系統(tǒng)三路“安全油壓力低”信號共用一模件，當該模件異常時導致汽輪機跳閘，更換故障模件后機組并網恢復運行。另一臺200MW機組運行中，汽包水位高值，值相繼報警后MFT保護動作停爐。查看CRT上汽包水位，2點顯示300MM，另1點與電接點水位計顯示都正常。進一步檢查顯示300MM 的2點汽包水位信號共用的模件故障，更換模件后系統(tǒng)恢復正常。針對此類故障，事后熱工所采取的主要反事故措施，是在檢修中有針對性地對

37、冗余的輸入信號的布置進行檢查，盡可能地進行分模件處理。（3）一塊I/O模件損壞，引起其它I/O模件及對應的主模件故障：如有臺機組 “CCS控制模件故障"及“一次風壓高低”報警的同時， CRT上所有磨煤機出口溫度、電流、給煤機煤量反饋顯示和總煤量百分比、氧量反饋，燃料主控BTU輸出消失，F(xiàn)磨跳閘（首出信號為“一次風量低”）。4分鐘后 CRT上磨煤機其它相關參數(shù)也失去且狀態(tài)變白色，運行人員手動MFT（當時負荷410MW）。經檢查電子室制粉系統(tǒng)過程控制站（PCU01柜MOD4）的電源電壓及處理模件底板正常，二塊MFP模件死機且相關的一塊CSI模件（模位1-5-3，有關F磨CCS參數(shù)）故障報

38、警，拔出檢查發(fā)現(xiàn)其5VDC邏輯電源輸入回路、第4輸出通道、連接MFP的I/O擴展總線電路有元件燒壞（由于輸出通道至BCS（24VDC），因此不存在外電串入損壞元件的可能）。經復位二塊死機的MFP模件，更換故障的CSI模件后系統(tǒng)恢復正常。根據(jù)軟報警記錄和檢查分析，故障原因是CSI模件先故障，在該模件故障過程中引起電壓波動或I/O擴展總線故障，導致其它I/O模件無法與主模件MFP03通訊而故障，信號保持原值，最終導致主模件MFP03故障（所帶A-F磨煤機CCS參數(shù)），CRT上相關的監(jiān)視參數(shù)全部失去且呈白色。 2.2主控制器故障案例分析 由于重要系統(tǒng)的主控制器冗余配置，大大減少了主控制器“異常”引發(fā)

39、機組跳閘的次數(shù)。主控制器“異常”多數(shù)為軟故障，通過復位或初始化能恢復其正常工作，但也有少數(shù)引起機組跳閘，多發(fā)生在雙機切換不成功時，如：（1）有臺機組運行人員發(fā)現(xiàn)電接點水位計顯示下降，調整給泵轉速無效，而CRT上汽包水位保持不變。當電接點水位計分別下降至甲-300mm，乙-250mm，并繼續(xù)下降且汽包水位低信號未發(fā)，MFT未動作情況下，值長令手動停爐停機，此時CRT上調節(jié)給水調整門無效，就地關閉調整門；停運給泵無效，汽包水位急劇上升，開啟事故放水門，甲、丙給泵開關室就地分閘，油泵不能投運。故障原因是給水操作站運行DPU死機，備用DPU不能自啟動引起。事后熱工對給泵、引風、送風進行了分站控制，并增

40、設故障軟手操。（2）有臺機組運行中空預器甲、乙擋板突然關閉，爐膛壓力高MFT動作停爐；經查原因是風煙系統(tǒng)I/O站DPU發(fā)生異常，工作機向備份機自動切換不成功引起。事后電廠人員將空預器煙氣擋板甲1、乙1和甲2、乙2兩組控制指令分離，分別接至不同的控制站進行控制，防止類似故障再次發(fā)生。2.3DAS系統(tǒng)異常案例分析DAS系統(tǒng)是構成自動和保護系統(tǒng)的基礎，但由于受到自身及接地系統(tǒng)的可靠性、現(xiàn)場磁場干擾和安裝調試質量的影響，DAS信號值瞬間較大幅度變化而導致保護系統(tǒng)誤動，甚至機組誤跳閘故障在我省也有多次發(fā)生，比較典型的這類故障有： （1）模擬量信號漂移：為了消除DCS系統(tǒng)抗無線電干擾能力差的缺陷，有的DC

41、S廠家對所有的模擬量輸入通道加裝了隔離器，但由此帶來部分熱電偶和熱電阻通道易電荷積累，引起信號無規(guī)律的漂移，當漂移越限時則導致保護系統(tǒng)誤動作。我省曾有三臺機組發(fā)生此類情況（二次引起送風機一側馬達線圈溫度信號向上漂移跳閘送風機，聯(lián)跳引風機對應側），但往往只要松一下端子板接線（或拆下接線與地碰一下）再重新接上，信號就恢復了正常。開始熱工人員認為是端子柜接地不好或者I/O屏蔽接線不好引起，但處理后問題依舊。廠家多次派專家到現(xiàn)場處理也未能解決問題。后在機組檢修期間對系統(tǒng)的接地進行了徹底改造，拆除原來連接到電纜橋架的AC、DC接地電纜；柜內的所有備用電纜全部通過導線接地；UPS至DCS電源間增加1臺20

42、kVA的隔離變壓器，專門用于系統(tǒng)供電，且隔離變壓器的輸出端N線與接地線相連，接地線直接連接機柜作為系統(tǒng)的接地。同時緊固每個端子的接線；更換部份模件并將模件的軟件版本升級等。使漂移現(xiàn)象基本消除。（2）DCS故障診斷功能設置不全或未設置。信號線接觸不良、斷線、受干擾，使信號值瞬間變化超過設定值或超量程的情況，現(xiàn)場難以避免，通過DCS模擬量信號變化速率保護功能的正確設置，可以避免或減少這類故障引起的保護系統(tǒng)誤動。但實際應用中往往由于此功能未設置或設置不全，使此類故障屢次發(fā)生。如一次風機B跳閘引起機組RB動作，首出信號為軸承溫度高。經查原因是由于測溫熱電阻引線是細的多股線，而信號電纜是較粗的單股線，兩

43、線采用絞接方式，在震動或外力影響下連接處松動引起軸承溫度中有點信號從正常值突變至無窮大引起（事后對連接處進行錫焊處理）。類似的故障有：民工打掃現(xiàn)場時造成送風機軸承溫度熱電阻接線松動引起送風機跳閘；軸承溫度熱電阻本身損壞引起一次風機跳閘；因現(xiàn)場干擾造成推力瓦溫瞬間從99突升至117，1秒鐘左右回到99，由于相鄰第八點已達85，滿足推力瓦溫度任一點105同時相鄰點達85跳機條件而導致機組跳閘等等。預防此類故障的辦法，除機組檢修時緊固電纜和電纜接線，并采用手松拉接線方式確認無接線松動外，是完善DCS的故障診斷功能，對參與保護連鎖的模擬量信號，增加信號變化速率保護功能尤顯重要（一當信號變化速率超過設定

44、值，自動將該信號退出相應保護并報警。當信號低于設定值時，自動或手動恢復該信號的保護連鎖功能）。（3）DCS故障診斷功能設置錯誤：我省有臺機組因為電氣直流接地，保安1A段工作進線開關因跳閘，引起掛在該段上的汽泵A的工作油泵A連跳，油泵B連鎖啟動過程中由于油壓下降而跳汽泵A，汽泵B升速的同時電泵連鎖啟動成功。但由于運行操作速度過度，電泵出口流量超過量程，超量程保護連鎖開再循環(huán)門，使得電泵實際出水小，B泵轉速上升到5760轉時突然下降1000轉左右（事后查明是抽汽逆止閥問題），最終導致汽包水位低低保護動作停爐。此次故障是信號超量程保護設置不合理引起。一般來說，DAS的模擬量信號超量程、變化速率大等保

45、護動作后，應自動撤出相應保護，待信號正常后再自動或手動恢復保護投運。2.4軟件故障案例分析分散控制系統(tǒng)軟件原因引起的故障，多數(shù)發(fā)生在投運不久的新軟件上，運行的老系統(tǒng)發(fā)生的概率相對較少，但一當發(fā)生，此類故障原因的查找比較困難，需要對控制系統(tǒng)軟件有較全面的了解和掌握，才能通過分析、試驗，判斷可能的故障原因，因此通常都需要廠家人員到現(xiàn)場一起進行。這類故障的典型案例有三種： （1）軟件不成熟引起系統(tǒng)故障：此類故障多發(fā)生在新系統(tǒng)軟件上，如有臺機組80%額定負荷時，除DEH畫面外所有DCS的CRT畫面均死機（包括兩臺服務器），參數(shù)顯示為零，無法操作，但投入的自動系統(tǒng)運行正常。當時采取的措施是：運行人員就地

46、監(jiān)視水位，保持負荷穩(wěn)定運行，熱工人員趕到現(xiàn)場進行系統(tǒng)重啟等緊急處理，經過30分鐘的處理系統(tǒng)恢復正常運行。故障原因經與廠家人員一起分析后，確認為DCS上層網絡崩潰導致死機，其過程是服務器向操作員站發(fā)送數(shù)據(jù)時網絡阻塞，引起服務器與各操作員站的連接中斷，造成操作員站讀不到數(shù)據(jù)而不停地超時等待，導致操作員站圖形切換的速度十分緩慢（網絡任務未死）。針對管理網絡數(shù)據(jù)阻塞情況，廠家修改程序考機測試后進行了更換。另一臺機組曾同時出現(xiàn)4臺主控單元“白燈”現(xiàn)象，現(xiàn)場檢查其中2臺是因為A機備份網停止發(fā)送，1臺是A機備份網不能接收，1臺是A機備份網收、發(fā)數(shù)據(jù)變慢（比正常的站慢幾倍）。這類故障的原因是主控工作機的網絡發(fā)

47、送出現(xiàn)中斷丟失，導致工作機發(fā)往備份機的數(shù)據(jù)全部丟失，而雙機的診斷是由工作機向備份機發(fā)診斷申請，由備份機響應診斷請求，工作機獲得備份機的工作狀態(tài)，上報給服務器。由于工作機的發(fā)送數(shù)據(jù)丟失，所以工作機發(fā)不出申請，也就收不到備份機的響應數(shù)據(jù)，認為備份機故障。臨時的解決方法是當長時間沒有正確發(fā)送數(shù)據(jù)后，重新初始化硬件和軟件，使硬件和軟件從一個初始的狀態(tài)開始運行，最終通過更新現(xiàn)場控制站網絡診斷程序予以解決。（2）通信阻塞引發(fā)故障：使用TELEPERM-ME系統(tǒng)的有臺機組，負荷300MW時,運行人員發(fā)現(xiàn)煤量突減，汽機調門速關且CRT上所有火檢、油槍、燃油系統(tǒng)均無信號顯示。熱工人員檢查發(fā)現(xiàn)機組EHF系統(tǒng)一柜內

48、的I/O BUS接口模件ZT報警燈紅閃，操作員站與EHF系統(tǒng)失去偶合，當試著從工作站耦合機進入OS250PC軟件包調用EHF系統(tǒng)時，提示不能訪問該系統(tǒng)。通過查閱DCS手冊以及與SIEMENS專家間的電話分析討論，判斷故障原因最大的可能是在三層CPU切換時，系統(tǒng)處理信息過多造成中央CPU與近程總線之間的通信阻塞引起。根據(jù)商量的處理方案于當晚11點多在線處理，分別按三層中央柜的同步模件的SYNC鍵，對三層CPU進行軟件復位：先按CPU1的SYNC鍵，相應的紅燈亮后再按CPU2的SYNC鍵。第二層的同步紅燈亮后再按CPU3的同步模件的SYNC鍵，按3秒后所有的SYNC的同步紅燈都熄滅，系統(tǒng)恢復正常。

49、（3）軟件安裝或操作不當引起：有兩臺30萬機組均使用Conductor NT 5.0作為其操作員站，每套機組配置3個SERVER和3個CLIENT，三個CLIENT分別配置為大屏、值長站和操作員站,機組投運后大屏和操作員站多次死機。經對全部操作員站的SERVER和CLIENT進行全面診斷和多次分析后，發(fā)現(xiàn)死機的原因是：1)一臺SERVER因趨勢數(shù)據(jù)文件錯誤引起它和掛在它上的CLIENT在當調用趨勢畫面時畫面響應特別緩慢（俗稱死機）。在刪除該趨勢數(shù)據(jù)文件后恢復正常。2)一臺SERVER因文件類型打印設備出錯引起該SERVER的內存全部耗盡，引起它和掛在它上的CLIENT的任何操作均特別緩慢，這可

50、通過任務管理器看到DEV.EXE進程消耗掉大量內存。該問題通過刪除文件類型打印設備和重新組態(tài)后恢復正常。3)兩臺大屏和工程師室的CLIENT因聲音程序沒有正確安裝，當有報警時會引起進程CHANGE.EXE調用后不能自動退出，大量的CHANGE.EXE堆積消耗直至耗盡內存，當內存耗盡后，其操作極其緩慢（俗稱死機）。重新安裝聲音程序后恢復正常。此外操作員站在運行中出現(xiàn)的死機現(xiàn)象還有二種：一種是鼠標能正常工作，但控制指令發(fā)不出，全部或部分控制畫面不會刷新或無法切換到另外的控制畫面。這種現(xiàn)象往往是由于CRT上控制畫面打開過多，操作過于頻繁引起，處理方法為用鼠標打開VMS系統(tǒng)下拉式菜單，RESET應用程

51、序，10分鐘后系統(tǒng)一般就能恢復正常。另一種是全部控制畫面都不會刷新，鍵盤和鼠標均不能正常工作。這種現(xiàn)象往往是由操作員站的VMS操作系統(tǒng)故障引起。此時關掉OIS電源，檢查各部分連接情況后再重新上電。如果不能正常啟動，則需要重裝VMS操作系統(tǒng)；如果故障診斷為硬件故障，則需更換相應的硬件。 （4）總線通訊故障：有臺機組的DEH系統(tǒng)在準備做安全通道試驗時，發(fā)現(xiàn)通道選擇按鈕無法進入，且系統(tǒng)自動從“高級”切到“基本級”運行，熱控人員檢查發(fā)現(xiàn)GSE柜內的所有輸入/輸出卡(CSEA/CSEL)的故障燈亮, 經復歸GSE柜的REG卡后，CSEA/CSEL的故障燈滅，但系統(tǒng)在重啟“高級” 時，維護屏不能進入到正常

52、的操作畫面呈死機狀態(tài)。根據(jù)報警信息分析，故障原因是系統(tǒng)存在總線通訊故障及節(jié)點故障引起。由于阿爾斯通DEH系統(tǒng)無冗余配置，當時無法處理，后在機組調停時，通過對基本級上的REG卡復位，系統(tǒng)恢復了正常。（5）軟件組態(tài)錯誤引起：有臺機組進行#1中壓調門試驗時，強制關閉中間變量IV1RCO信號，引起#1-#4中壓調門關閉，負荷從198MW降到34MW，再熱器壓力從2.04MP升到4.0Mpa,再熱器安全門動作。故障原因是廠家的DEH組態(tài)，未按運行方式進行，流量變量本應分別賦給IV1RCO-IV4RCO，實際組態(tài)是先賦給IV1RCO，再通過IV1RCO分別賦給IV2RCO-IV4RCO。因此當強制IV1R

53、CO=0時，所有調門都關閉，修改組態(tài)文件后故障消除。2.5電源系統(tǒng)故障案例分析DCS的電源系統(tǒng)，通常采用1:1冗余方式（一路由機組的大UPS供電，另一路由電廠的保安電源供電），任何一路電源的故障不會影響相應過程控制單元內模件及現(xiàn)場I/O模件的正常工作。但在實際運行中，子系統(tǒng)及過程控制單元柜內電源系統(tǒng)出現(xiàn)的故障仍為數(shù)不少，其典型主要有：（1）電源模件故障：電源模件有電源監(jiān)視模件、系統(tǒng)電源模件和現(xiàn)場電源模件3種?，F(xiàn)場電源模件通常在端子板上配有熔絲作為保護，因此故障率較低。而前二種模件的故障情況相對較多：1）系統(tǒng)電源模件主要提供各不同等級的直流系統(tǒng)電壓和I/O模件電壓。該模件因現(xiàn)場信號瞬間接地導致電

54、源過流而引起損壞的因素較大。因此故障主要檢查和處理相應現(xiàn)場I/O信號的接地問題，更換損壞模件。如有臺機組負荷520MW正常運行時MFT，首出原因“汽機跳閘"。CRT畫面顯示二臺循泵跳閘，備用盤上循泵出口閥86°信號報警。5分鐘后運行巡檢人員就地告知循泵A、B實際在運行，開關室循泵電流指示大幅晃動且A大于B。進一步檢查機組PLC診斷畫面，發(fā)現(xiàn)控制循泵A、B的二路冗余通訊均顯示“出錯”。43分鐘后巡檢人員發(fā)現(xiàn)出口閥開度小就地緊急停運循泵A、B。事后查明A、B兩路冗余通訊中斷失去的原因，是為通訊卡提供電源支持的電源模件故障而使該系統(tǒng)失電，中斷了與PLC主機的通訊，導致運行循泵A、

55、B狀態(tài)失去，凝汽器保護動作，機組MFT。更換電源模件后通訊恢復正常。事故后熱工制定的主要反事故措施，是將兩臺循泵的電流信號由PLC改至DCS的CRT顯示，消除通信失去時循泵運行狀態(tài)無法判斷的缺陷；增加運行泵跳閘關其出口閥硬邏輯（一臺泵運行，一臺泵跳閘且其出口閥開度30度，延時15秒跳運行泵硬邏輯；一臺泵運行，一臺泵跳閘且其出口閥開度0度，逆轉速動作延時30秒跳運行泵硬邏輯）；修改凝汽器保護實現(xiàn)方式。2）電源監(jiān)視模件故障引起：電源監(jiān)視模件插在冗余電源的中間，用于監(jiān)視整個控制站電源系統(tǒng)的各種狀態(tài)，當系統(tǒng)供電電壓低于規(guī)定值時，它具有切斷電源的功能，以免損壞模件。另外它還提供報警輸出觸點，用于接入硬報

56、警系統(tǒng)。在實際使用中，電源監(jiān)視模件因監(jiān)視機箱溫度的2個熱敏電阻可靠性差和模件與機架之間接觸不良等原因而故障率較高。此外其低電壓切斷電源的功能也會導致機組誤跳閘，如有臺機組滿負荷運行，BTG盤出現(xiàn)“CCS控制模件故障”報警，運行人員發(fā)現(xiàn)部分CCS操作框顯示白色，部分參數(shù)失去，且對應過程控制站的所有模件顯示白色，6s后機組MFT，首出原因為“引風機跳閘”。約2分鐘后CRT畫面顯示恢復正常。當時檢查系統(tǒng)未發(fā)現(xiàn)任何異常（模件無任何故障痕跡，過程控制站的通訊卡切換試驗正常）。機組重新啟動并網運行也未發(fā)現(xiàn)任何問題。事后與廠家技術人員一起專題分析討論，并利用其它機組小修機會對控制系統(tǒng)模擬試驗驗證后，認為事件原因是由于該過程控制站的