耿樓樞紐節(jié)制閘揚壓力自動化監(jiān)測系統(tǒng)功能及應用

王金焰

（作者單位：阜陽市河道管理局 阜陽市沙潁河耿樓樞紐工程管理處 236000）

一、系統(tǒng)概述

耿樓樞紐工程是沙潁河治理工程中最大單項工程，由節(jié)制閘、船閘及上下游引航道組成，其節(jié)制閘位于船閘南側(cè)，緊鄰船閘布置。該樞紐中的主要工程建筑物設計等級為2 級，其中節(jié)制閘按20年一遇洪水設計，50年一遇洪水校核，設計過閘流量為3910m3/s，校核流量為4770m3/s。耿樓樞紐工程節(jié)制閘采用雙層鋼筋混凝土框架式結(jié)構(gòu)，按閘墩分縫三孔一聯(lián)的方式施工，并分別在4#、7#、10#閘墩底板處設有三道分縫。

為便于耿樓節(jié)制閘的運行觀測，在耿樓節(jié)制閘設計安裝了揚壓力自動化監(jiān)測系統(tǒng)，主要由閘基滲流揚壓力觀測、上下游水位觀測和數(shù)據(jù)自動采集單元等部分組成，其中揚壓力自動化監(jiān)測系統(tǒng)中的25 只原裝進口振弦式滲壓計均順水流方向埋設在兩側(cè)岸墻及閘底板分縫處，其中高程17.2m處的原裝進口振弦式滲壓計9 只、高程18.5m 處的原裝進口振弦式滲壓計2 只、高程19.0m 處的原裝進口振弦式滲壓計11 只、高程19.9m 處的原裝進口振弦式滲壓計3 只；上下游水位觀測由4 只通氣型原裝進口振弦式滲壓計和4 個水位標尺組成；數(shù)據(jù)自動采集單元由智能采集模塊、DAU 機箱（MCU 單元）和監(jiān)測計算機及專用數(shù)據(jù)采集軟件組成。

耿樓樞紐管理處按照《水閘運行與管理》《水閘技術管理規(guī)程》（SL75-2014）等相關行業(yè)標準要求，對節(jié)制閘埋設的29 只振弦式滲壓計，按照埋設的斷面及類型重新進行了分類及編號，其中P26、P27、P1、P2、P3、P4、P5 共7 個滲壓計埋設在上下游左岸翼墻及岸墻底板下（編號為za），P28、P29、P21、P22、P23、P24、P25 共7個滲壓計埋設在上下游右岸翼墻及岸墻底板下（編號為ya），P6、P7、P8、P9、P10 布置在4#閘墩底板下（編號為d01），P11、P12、P13、P14、P15布置在7#閘墩底板下（編號為d02），P16、P17、P18、P19、P20 共5 支滲壓計埋設在10#號底板下（編號為d03）。管理單位按照規(guī)范要求在工程投入運行兩年內(nèi)兩天采集一次數(shù)據(jù)，從第三年開始每七天采集一次數(shù)據(jù)，同時在節(jié)制閘上下游接近設計最高水位及最大水位差時加密進行數(shù)據(jù)采集，對各測點的工程值（以下稱揚壓力值）過程線圖、對比線圖及斷面圖進行分析比較，通過數(shù)據(jù)的分析及所繪制的壓力分布趨勢圖，一是可以判斷出每只滲壓計是否能正常使用；二是可以反映出閘底板下各點壓力變化情況；三是可以檢驗節(jié)制閘防滲和排水措施的效果。

所有滲壓計在埋設時均填寫了埋設考證表并進行了施工期、運行管理期觀測。上下游水位觀測的4 只通氣型原裝進口振弦式滲壓計采用放管直投安裝方式，安裝完成后定期進行人工及自動化數(shù)據(jù)采集。

二、系統(tǒng)組織構(gòu)架及數(shù)據(jù)應用

1.揚壓力自動監(jiān)測系統(tǒng)的組織構(gòu)架

耿樓樞紐節(jié)制閘的揚壓力自動化監(jiān)測系統(tǒng)，由順水流方向埋設在兩側(cè)岸墻及閘底板分縫處的29 只振弦式滲壓計、4 個振弦信號采集模塊、MCU 數(shù)據(jù)采集單元、監(jiān)測計算機、專用的監(jiān)測軟件（應用軟件）等部分組成，其系統(tǒng)組成的原理框如圖1所示。

2.數(shù)據(jù)采集應用

首先由預先埋設的振弦式傳感器將揚壓力信號轉(zhuǎn)變成頻率信號并通過專用電纜送入到振弦信號采集模塊中，振弦信號采集模塊再通過MCU 數(shù)據(jù)采集單元將數(shù)據(jù)送入監(jiān)測計算機中，監(jiān)測計算機中的專用監(jiān)測軟件可以通過通訊接口與MCU 之間進行雙向通訊，這樣監(jiān)測計算機既可通過MCU 實現(xiàn)對采集模塊的控制；也可以按期定時的將采集到的數(shù)據(jù)自動存入指定的數(shù)據(jù)庫中，為運行觀測提供可靠的原始觀測數(shù)據(jù)。

三、專用監(jiān)測軟件的功能及應用效果

1.數(shù)據(jù)采集方式與管理

數(shù)據(jù)采集的方式主要有實時、定時和離線數(shù)據(jù)采集三種方式，耿樓樞紐管理處根據(jù)規(guī)范要求，在運行管理過程中采用離線數(shù)據(jù)采集模式對采集的數(shù)據(jù)進行時間間隔分類，從2010年1月1日～2011年12月31日所有測點采用離線采集模式，每兩天采集一次揚壓力值與溫度值，2012年1月1日～2018年12月31日所用測點采用離線采集模式，每7 天采集一次揚壓力值與溫度值，對于采集到的數(shù)據(jù)每個月定期備份，每年年底對數(shù)據(jù)收集、整理、分析、對比并統(tǒng)一按年度備份，發(fā)現(xiàn)異常及時對模數(shù)及數(shù)值進行修正與處理。

2.圖形的制作功能

圖1 組成原理框圖

表1 閘底板下埋滲壓計讀數(shù)值表（單位：kPa）

圖2 d01 斷面p7、p8、p9 點揚壓力測值過程線圖

圖3 d01 斷面p7、p8、p9 點揚壓力測值斷面線圖

圖4 d02 斷面p12、p13、p14 點揚壓力測值斷面線圖

圖5 d03 斷面p17、p18、p19 點揚壓力測值斷面線圖

圖形的制作包括對各個測點、斷面的壓力、溫度等物理量的過程圖和對比圖的繪圖制作，一是可以通過系統(tǒng)自動功能軟件方便靈活地繪制出各測點及斷面的揚壓力過程圖、對比圖、斷面圖；二是從在線或歷史數(shù)據(jù)庫中將有關數(shù)據(jù)導入或?qū)С龅紼xcel 電子表格中，再利用Excel 電子表格對采集數(shù)據(jù)進行二次處理并繪制出所需要的各種圖形和過程線圖。

3.應用效果

耿樓樞紐節(jié)制閘的揚壓力監(jiān)測系統(tǒng)是2007年開始安裝，2009年底竣工驗收交付管理單位正式使用，現(xiàn)根據(jù)揚壓力自動化監(jiān)測結(jié)果,選取閘底板分縫處三個斷面（d01、d02、d03）2007～2018年典型月份及典型斷面的揚壓力值和過程線、對比線及斷面圖（見表1、圖2～5）進行分析對比。從數(shù)據(jù)表和過程線可看出，三個斷面的9 只滲壓計變化過程一致性很好，在2009年2月通水前后有明顯的滲壓變化出現(xiàn)，其滲透壓力水頭變化約在5.5m 左右，在2009年底至2018年運行管理期間，管理單位按照控制運用辦法對節(jié)制閘上游水位調(diào)節(jié)控制，水位變化幅度相對較小，但是通過埋設在閘底板下的9 只滲壓計，都能夠采集到閘底板下?lián)P壓力的變化情況，通過數(shù)據(jù)及過程線圖分析對比，雖然過程線變化與閘上游水位變化有一定的滯后，但整體趨勢走向基本一致，未發(fā)現(xiàn)異常情況，且順水流方向布置的三個斷面測點數(shù)值，根據(jù)水位的高低從上游到下游呈現(xiàn)遞減趨勢，說明閘底板下?lián)P壓力正常、穩(wěn)定，閘底板分縫處止水效果較好，滲壓設備數(shù)據(jù)采集正常，工程運行穩(wěn)定。

四、系統(tǒng)運行維護的經(jīng)驗

（1）每次讀取存儲器后應在保存完整數(shù)據(jù)后及時清空存儲器，否則下次讀取時會重復讀取上次讀取的數(shù)據(jù)，但不建議在讀取前選中自動清空存儲器，因為一旦數(shù)據(jù)讀取失敗或未成功保存數(shù)據(jù)時也將清空存儲器，導致數(shù)據(jù)丟失。

（2）振弦式孔隙滲壓計通過直埋的方式預埋在土中或閘底板下，安裝結(jié)束后基本無法維護。所以在埋設過程中一是要采購質(zhì)量合格的滲壓計及水工電纜，二是要確保硬件的安裝及施工質(zhì)量，確保一次安裝到位，三是在安裝施工完成后及時填寫埋設考證表，通過人工對已埋設的滲壓計進行數(shù)據(jù)采集，及時檢查埋設設備的成活率。

五、結(jié)語

根據(jù)2007～2018年對耿樓節(jié)制閘底板下埋設的各測點揚壓力值過程線的對比，表明整個節(jié)制閘底板下埋設的振弦式滲壓計運行穩(wěn)定、可靠，各點揚壓力測值的變化隨閘前水位的變化而有規(guī)律的變化，由此說明該監(jiān)測系統(tǒng)能夠準確及時地反映揚壓力分布情況，所埋設的設備及系統(tǒng)軟件均能夠正常工作，滿足設計要求。由于滲壓計直埋后一旦損壞無法更換，建議今后可考慮采用在測壓管中投入滲壓計的方式來進行揚壓力監(jiān)測■