淺談引張線系統(tǒng)在外走馬埭海堤水閘監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

(惠安縣外走馬埭海堤管理處，福建 惠安 362100)

1 工程概況

福建省泉州外走馬埭海堤工程位于福建省湄洲灣南岸惠安縣境內(nèi)，地處惠安縣輞川、東橋、凈峰三鎮(zhèn)轄區(qū)內(nèi)。外走馬埭海堤于2004年8月開(kāi)工，2009年3月14.011km的海堤工程整體完工，原設(shè)計(jì)為3級(jí)堤防，防潮標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，防洪標(biāo)準(zhǔn)10年一遇，保護(hù)對(duì)象為外走馬埭墾區(qū)。2012年下半年，福建省人民政府批準(zhǔn)在圍墾區(qū)內(nèi)成立泉惠石化工業(yè)區(qū)，墾區(qū)的用途發(fā)生了轉(zhuǎn)變，外走馬埭海堤工程防護(hù)對(duì)象變?yōu)閲?guó)家級(jí)大型石化基地為主的工業(yè)園區(qū)，根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50201—2014)和《海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T 51015—2014)的要求，經(jīng)泉州市人民政府研究，決定將外走馬埭海堤工程防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)提升至200年一遇，工程等級(jí)為1級(jí)。海堤為土石混合堤，全線共設(shè)有四座水閘，分別為鯉魚(yú)島閘、大嶼島閘、板嶼閘、塘頭閘，水閘主要功能用于防潮、納潮及排澇。

海堤水閘是海岸帶的人工屏障，作為抵抗風(fēng)暴潮、特別是臺(tái)風(fēng)和高潮襲擊的第一道防線，其運(yùn)行狀態(tài)將會(huì)直接影響沿海地區(qū)及石化工業(yè)園區(qū)的安全。恰逢海堤工程提級(jí)加固，海堤、水閘的安全性得到進(jìn)一步提高。墾區(qū)的防洪排澇任務(wù)的執(zhí)行主要依靠沿堤四座水閘的調(diào)度實(shí)現(xiàn)，為全面掌握水閘運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)其進(jìn)行有效的安全監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。海堤、水閘的安全監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括堤壩的表面位移、堤壩滲流、水閘的閘底板揚(yáng)壓力以及水閘的表面位移等，本文著重對(duì)工程涉及除險(xiǎn)加固和改擴(kuò)建的四座水閘表面位移監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行闡述。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 工程運(yùn)行現(xiàn)狀

由于管理單位沒(méi)有參與原工程建設(shè)，從2009年3月海堤工程整體完工到2012年5月移交管理期間缺乏管理和養(yǎng)護(hù)，沒(méi)有水閘工程沉降、變形等觀測(cè)設(shè)施和監(jiān)測(cè)資料，無(wú)法全面掌握其性狀變化和安全狀態(tài)。2014年11月，外走馬埭海堤管理處委托南京水利科學(xué)研究院對(duì)板嶼排澇閘進(jìn)行安全鑒定，結(jié)果為三類閘，運(yùn)行指標(biāo)已達(dá)不到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，另外三座水閘未進(jìn)行安全鑒定。水閘局部閘墩、啟閉機(jī)房立柱、欄桿等部位的混凝土存在破損脫落、順筋裂縫、銹脹以及海水侵蝕等現(xiàn)象，存在極大的安全隱患，為保障海堤、水閘的安全運(yùn)行，全面掌握其性狀變化和安全狀態(tài)，亟須根據(jù)工程的實(shí)際對(duì)其安全情況進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，隨著外走馬埭海堤提級(jí)加固工程建設(shè)的進(jìn)行，對(duì)沿堤水閘進(jìn)行除險(xiǎn)加固和改擴(kuò)建，為實(shí)時(shí)監(jiān)控閘站的安全情況，在項(xiàng)目中采用引張線系統(tǒng)對(duì)水閘的表面位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并針對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析預(yù)警，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常和判斷隱患位置，協(xié)助工程管理人員實(shí)時(shí)掌握工程安全狀況、及時(shí)處理問(wèn)題。

2.2 引張線儀基本原理

引張線儀是引張線法中用來(lái)觀測(cè)水工建筑物水平位移變形的光電測(cè)量?jī)x器。引張線法用于直線型建筑物(如直線大壩及水閘等)的水平位移觀測(cè)。在直線型建筑物的兩端建立引張線端點(diǎn)，端點(diǎn)之間懸掛一條施加張力的銦鋼絲，稱為“引張線”。利用引張線建立的標(biāo)準(zhǔn)直線將作為永久的測(cè)量標(biāo)志來(lái)測(cè)定水工建筑物各部位垂直于該標(biāo)準(zhǔn)直線方向上的水平位移。早期的引張線坐標(biāo)儀采用固定水平標(biāo)尺進(jìn)行人工測(cè)量以及之后升級(jí)換代的電測(cè)量方法，由于測(cè)量部件都需要附加在引張線上，從而改變了引張線的力學(xué)狀態(tài)，對(duì)前后測(cè)量數(shù)據(jù)有一定影響，不利于數(shù)據(jù)的銜接。

外走馬埭海堤水閘表面位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選用以CCD器件(電荷耦合器件，Charge coupled Devices,簡(jiǎn)稱CCD)為核心的光電一體化智能型自動(dòng)觀測(cè)引張線坐標(biāo)儀，采用光電圖像傳感方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)微量的位移進(jìn)行檢測(cè)，不用在引張線上外加任何測(cè)量部件，對(duì)引張線的工作狀態(tài)沒(méi)有任何影響，實(shí)現(xiàn)了非接觸式的測(cè)量，極大地提高了測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性和精確度。儀器采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)CCD器件的程控驅(qū)動(dòng)、信號(hào)處理及識(shí)別、數(shù)據(jù)采集、計(jì)算和通訊等功能。引張線坐標(biāo)儀配合測(cè)點(diǎn)箱、端點(diǎn)箱、自動(dòng)采集設(shè)備、計(jì)算機(jī)及相應(yīng)配套軟件組成一個(gè)完整的測(cè)量系統(tǒng)，利用現(xiàn)代電子、信息、通信及計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水閘形變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、自動(dòng)、連續(xù)采集、傳輸、管理及分析，同時(shí)系統(tǒng)具備人工觀測(cè)功能。

引張線設(shè)備采用線陣高分辨率的CCD器件，實(shí)現(xiàn)了高分辨率、高精度、無(wú)電學(xué)漂移、寬測(cè)量范圍等技術(shù)指標(biāo)，儀器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝靈活方便、防潮性能好、技術(shù)配套性好等特點(diǎn)。

2.3 系統(tǒng)布置

外走馬埭海堤沿線共設(shè)四座水閘，設(shè)備在水閘建設(shè)過(guò)程中，需與主體工程同步進(jìn)行并確定安裝位置，每座閘布設(shè)一套引張線系統(tǒng)，每個(gè)閘墩設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn)。工程改擴(kuò)建后各水閘孔數(shù)見(jiàn)下表：

水閘特性表

根據(jù)改擴(kuò)建后孔數(shù)，需配置引張線系統(tǒng)及相應(yīng)配套設(shè)備，包括引張線坐標(biāo)儀、測(cè)點(diǎn)箱、張緊端、固定端、銦鋼絲、保護(hù)管、人工讀數(shù)標(biāo)尺等，以及設(shè)備所需電源。張緊端及固定端選擇在水閘兩側(cè)邊墩相對(duì)穩(wěn)定的位置進(jìn)行布置，系統(tǒng)在每座水閘設(shè)置一套自動(dòng)化采集設(shè)備，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集傳輸。

2.4 系統(tǒng)安裝方式

引張線機(jī)械測(cè)量系統(tǒng)有兩種安裝方式，一種為常規(guī)直接露天布置，另一種為埋入式安裝方式。根據(jù)外走馬埭海堤水閘建筑物現(xiàn)狀，引張線系統(tǒng)的安裝采用露天布置的方式，每個(gè)測(cè)點(diǎn)需要設(shè)置測(cè)墩，墩的高度一般設(shè)置為1.2～1.5m，所有測(cè)點(diǎn)墩高程盡可能在同一高程上，各測(cè)點(diǎn)誤差控制在1cm以內(nèi)，同時(shí)要保證安裝平面的平整度，盡量減少測(cè)點(diǎn)箱體安裝水平面的誤差，測(cè)點(diǎn)箱包含鋼絲浮托部件，具有人工讀數(shù)裝置，同時(shí)測(cè)點(diǎn)箱又是引張線儀的保護(hù)箱，引張線鋼絲采用鍍鋅管進(jìn)行保護(hù)。安裝示意圖如圖1所示。

圖1 安裝示意圖

3 系統(tǒng)使用

3.1 信號(hào)采集

由于外走馬埭海堤四座水閘分布較為分散且距離較遠(yuǎn)，環(huán)境較為惡劣，工程中測(cè)控點(diǎn)多，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，信息層設(shè)置在管理處信息管理中心，采用雙機(jī)熱備方式進(jìn)行數(shù)據(jù)收集與處理；采集單元布置在各水閘分中心，采集單元具有遠(yuǎn)程控制、智能采集、自檢、存儲(chǔ)、可擴(kuò)展、掉電保護(hù)、防雷等功能；感知設(shè)備布置在水閘閘墩。各水閘分中心與管理處信息管理中心之間采用光纜連接，光纜通訊可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力以及數(shù)據(jù)的傳輸速度，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳送可靠性。引張線坐標(biāo)儀本身不含數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，所有儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)以光隔RS485串行通訊方式傳輸給水閘分中心自動(dòng)采集單元(MCU)，MCU獲取引張線儀的數(shù)字信號(hào)通過(guò)光纜傳輸至海堤管理處綜合信息管理平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的永久記錄和存儲(chǔ)，引張線觀測(cè)儀器系統(tǒng)連接方式見(jiàn)圖2。根據(jù)需要，引張線坐標(biāo)儀也可以另外配接模擬量接口作為輸出的連接方式。

圖2 系統(tǒng)連接圖

3.2 系統(tǒng)校驗(yàn)

由于引張線坐標(biāo)儀在現(xiàn)場(chǎng)安裝后不便于進(jìn)行標(biāo)定，為避免現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)光對(duì)儀器的標(biāo)定工作的干擾，保障系統(tǒng)的準(zhǔn)確度，在引張線坐標(biāo)儀安裝前，需在室內(nèi)光線暗淡的環(huán)境下利用標(biāo)定裝置對(duì)每臺(tái)引張線坐標(biāo)儀進(jìn)行標(biāo)定，注意在標(biāo)定時(shí)應(yīng)使引張線坐標(biāo)儀倒置，儀器應(yīng)處于靜止的條件下完成標(biāo)定工作。系統(tǒng)標(biāo)定完還需進(jìn)一步進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)，可采用頂點(diǎn)正偏離和負(fù)偏離三角測(cè)試方法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安裝的引張線觀測(cè)設(shè)備進(jìn)行檢驗(yàn)。

3.3 數(shù)據(jù)處理

由于引張線儀測(cè)量的是各測(cè)點(diǎn)儀器垂直于引張線建立的標(biāo)準(zhǔn)直線方向上的微量水平位移，經(jīng)解算得到各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移值，位移變化的計(jì)算結(jié)果與引張線的實(shí)際布置有關(guān)，因此測(cè)量結(jié)果正負(fù)值須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)布置方向按照符號(hào)慣例進(jìn)行統(tǒng)一重新設(shè)定。為保證數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性及有效性，由管理處綜合信息管理平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集軟件、解算軟件、管理平臺(tái)軟件、預(yù)警模塊等負(fù)責(zé)將現(xiàn)場(chǎng)傳輸?shù)谋O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行同步實(shí)時(shí)解算、處理、存儲(chǔ)及分析，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)可靠性檢查、計(jì)算等過(guò)程，形成多種圖表及匯總資料。為實(shí)現(xiàn)全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)，利用手持移動(dòng)終端軟件，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)設(shè)備與綜合信息管理系統(tǒng)平臺(tái)的平滑對(duì)接，移動(dòng)應(yīng)用平臺(tái)基于物聯(lián)網(wǎng)的隨時(shí)隨地共享信息的特點(diǎn)，保證工作人員能夠不受地域、時(shí)間的限制，隨時(shí)掌握工情信息。當(dāng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)達(dá)到預(yù)警值時(shí)，將聯(lián)動(dòng)短信群發(fā)系統(tǒng)，將預(yù)警信息及時(shí)發(fā)送給管理人員和相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)，使海堤管理處的工作人員能夠及時(shí)采取相應(yīng)的處理措施，消除安全隱患，確保水閘的安全運(yùn)行。

海堤管理處人員可定期進(jìn)行觀測(cè)數(shù)據(jù)的整編及分析，判斷工程安全狀態(tài)。建設(shè)和完善水利基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，為決策部門對(duì)水利工程進(jìn)行有效的綜合管理和宏觀決策提供準(zhǔn)確、及時(shí)、有效的信息化保障和服務(wù)。

4 系統(tǒng)建設(shè)目的

通過(guò)引張線系統(tǒng)在外走馬埭海堤水閘的運(yùn)用，能夠及時(shí)獲取水閘表面位移數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算分析處理，實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)情況并通過(guò)多種手段進(jìn)行預(yù)警，輔助工程管理單位進(jìn)行精細(xì)管理、快速響應(yīng)、協(xié)同調(diào)度、科學(xué)決策，使運(yùn)行管理單位不同的管理人員能夠快速掌握水閘的安全動(dòng)態(tài)。

a.巡查人員根據(jù)外走馬埭海堤工程相關(guān)巡查制度的要求定期前往各閘站現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)系統(tǒng)的人工觀測(cè)功能對(duì)水閘表面位移進(jìn)行觀測(cè)，了解現(xiàn)場(chǎng)情況，發(fā)現(xiàn)隱患及時(shí)向海堤管理中心匯報(bào)情況，同時(shí)接受海堤管理中心對(duì)異常情況發(fā)出的巡查命令，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)巡視并匯報(bào)情況。

b.現(xiàn)場(chǎng)閘站值班人員可將接收到的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，與人工測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，隨時(shí)監(jiān)控水閘安全動(dòng)態(tài)，及時(shí)掌握水閘的安全情況，發(fā)現(xiàn)異?；螂[患及時(shí)向上級(jí)匯報(bào)。

c.海堤管理處工作人員及上級(jí)監(jiān)管部門可不受地域限制隨時(shí)掌握各水閘的安全運(yùn)行情況。通過(guò)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析，及時(shí)準(zhǔn)確地了解水閘安全的發(fā)展動(dòng)態(tài)，在突發(fā)情況時(shí)，可根據(jù)預(yù)警信息，迅速啟動(dòng)相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，指揮應(yīng)急處置與救援。

系統(tǒng)的投入使用，對(duì)運(yùn)行管理人員的綜合素質(zhì)要求相應(yīng)提高，需要既懂水利工程又懂信息化管理的復(fù)合型、實(shí)用型的專業(yè)人才，要在管好、用好上做文章，充分發(fā)揮自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的作用，為水利工程的安全運(yùn)行提供保障，為泉惠石化工業(yè)園區(qū)經(jīng)濟(jì)快速穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展保駕護(hù)航。

5 結(jié) 語(yǔ)

引張線系統(tǒng)以其觀測(cè)精度高、穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、防潮性能好，在極端惡劣的環(huán)境中能連續(xù)長(zhǎng)期工作等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于水工建筑物安全監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)的動(dòng)態(tài)化與數(shù)據(jù)化，可有效對(duì)異常情況的發(fā)生做出預(yù)警防范。該系統(tǒng)在外走馬埭海堤水閘的應(yīng)用，改變了工程管理人員傳統(tǒng)觀測(cè)的工作模式，可直觀、連續(xù)、實(shí)時(shí)掌握水工建筑物的實(shí)際動(dòng)態(tài)，完成自動(dòng)測(cè)量、數(shù)據(jù)處理、圖表制作，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守及遠(yuǎn)程控制。該系統(tǒng)可及時(shí)預(yù)報(bào)預(yù)警異常和安全隱患的情況，為隱患處理與評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)，杜絕事故的發(fā)生，從而實(shí)現(xiàn)水閘安全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和信息管理現(xiàn)代化。