引水工程安全監(jiān)測及其自動化

楊志海

中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，中國·吉林 長春 130061

引水工程；安全監(jiān)測；自動化技術(shù)

1 引言

隨著中國人口的不斷增加，各地區(qū)對于水資源的需求不斷加大，但是，由于中國地理面積較大，地域分布廣闊，存在一些地區(qū)的水資源分布不均衡的情況。針對這種情況，中國提出引水工程建設(shè)項目，如：南水北調(diào)，優(yōu)化國家水資源分配，調(diào)整各地區(qū)的水資源情況，滿足各地區(qū)的人民生活需求與發(fā)展需求。引水工程的建設(shè)及應(yīng)用為中國整體社會水平的進(jìn)步做出了巨大的貢獻(xiàn)，其安全監(jiān)測技術(shù)是核心技術(shù)之一，能夠?qū)σこ痰倪\行情況進(jìn)行實施監(jiān)測，為相關(guān)部門及工作人員提供可靠數(shù)據(jù)。近年來，陸續(xù)有地區(qū)將先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)應(yīng)用于引水工程中，有效實現(xiàn)了引水工程的自動化安全監(jiān)測功能，節(jié)省了大量的人力物力，促進(jìn)了引水工程的建設(shè)及發(fā)展。

2 引水工程安全監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用背景

中國的淡水資源較為缺乏，且地理面積較大，占地廣闊，地勢豐富，這就導(dǎo)致了中國的水資源分布不均衡的情況，尤其是西北地區(qū)與沿海城市，嚴(yán)重缺乏淡水資源。[1]20世紀(jì)80年代之后，中國政府為了解決這一問題，啟動了調(diào)水工程建設(shè)，至今為止已經(jīng)成功建設(shè)了多項引水工程項目，如：中國山西省萬家寨的“引黃入晉”工作、“東深供水”工程、“引灤入津”工程、“引黃濟青”工程、“引大入秦”工程、“黑河引水”工程、“景泰川引水”工程等，且均獲得良好成果。

引水工程是一項具有較強綜合性的工程項目，且沿線地域較長，涉及內(nèi)容較多：輸水工程、水源工程、水電工程及供水建設(shè)工程等。因此，引水工程的安全問題至關(guān)重要，開展安全監(jiān)測工程，對引水工程的安全問題進(jìn)行監(jiān)測與管理，能夠有效實現(xiàn)引水工程的輸水、量水及供水的全過程監(jiān)測管理；引進(jìn)信息技術(shù)之后，初步實現(xiàn)了自動化管理，進(jìn)一步提高了引水工程的安全水平。

3 引水工程安全監(jiān)測技術(shù)分析

3.1 引水工程基本特征

相較于普通的水利工程，引水工程具有以下幾點特征：

第一點，普通水利工程的樞紐工程占地面積較大，一般會占用上百米或者數(shù)千米，而引水工程則呈現(xiàn)線狀分布，能夠跨越數(shù)千米地域，且需要面對多種不同的復(fù)雜地勢形態(tài)、地質(zhì)條件，如：沙漠、河流、公路、山川、平原等。

第二點，引水工程涉及到的建筑物形態(tài)較多，如：水庫、水壩、水閘、泵站、調(diào)壓井、渡槽、管道、隧洞、倒虹吸管、穩(wěn)壓塔等等。在引水工程為各地區(qū)的城市供水時，還需要建設(shè)配套的凈水設(shè)施、配水設(shè)施等供水工程部分，實現(xiàn)城市內(nèi)部供水目的[2]。

第三點，除了上述建筑物，引水工程中還包括較多的輸水建筑物，串聯(lián)各個節(jié)點，對引水工程線路進(jìn)行統(tǒng)一管理。[3]若其中一個節(jié)點出現(xiàn)了問題，則會引起輸水系統(tǒng)的非正常運行情況，因此，安全監(jiān)測技術(shù)是引水工程中的必然應(yīng)用技術(shù)。

3.2 安全監(jiān)測技術(shù)設(shè)計基本原則

引水工程主要由輸水系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、配水系統(tǒng)及蓄水系統(tǒng)共同組成，要保證引水工程的安全性，就要設(shè)置一定的監(jiān)測設(shè)備，對引水工程的全過程進(jìn)行監(jiān)測與管理，實現(xiàn)實時監(jiān)控。因此，在進(jìn)行安全監(jiān)測設(shè)計時，工作人員要嚴(yán)格遵循“可靠”、“科學(xué)”、“先進(jìn)”、“經(jīng)濟”等原則，滿足引水工程的監(jiān)測管理需求。

工作人員進(jìn)行設(shè)計要考慮到引水工程的施工期間與運行期的監(jiān)測需求，還要從整體角度入手，保證設(shè)計科學(xué)性，一方面要滿足引水工程建設(shè)過程中的安全監(jiān)測需求，要滿足建設(shè)完成后的安全監(jiān)測需求；另一方面要滿足監(jiān)測的智能化與自動化需求，引進(jìn)適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)技術(shù)與數(shù)字技術(shù)，提高監(jiān)測水平。此外，工作人員在設(shè)計過程中選擇的監(jiān)測點，要能夠清晰反映出建筑物及相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的運行狀態(tài)，且對關(guān)鍵部位進(jìn)行相互校核。

4 引水工程安全監(jiān)測技術(shù)及其自動化應(yīng)用

4.1 水庫大壩安全監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用

在水庫大壩中引用安全監(jiān)測技術(shù)，其主要目的是為了明確水庫大壩中的工程等級，結(jié)合工程等級及相關(guān)規(guī)定，調(diào)整大壩整體情況，如：滲流監(jiān)測、變形監(jiān)測、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測及溫度監(jiān)測。[4]其中變形監(jiān)測主要就是對大壩的水平位移與垂直位移情況進(jìn)行監(jiān)測，還要對大壩壩基與壩肩巖體的變形情況進(jìn)行監(jiān)測；滲流監(jiān)測主要是對大壩的壩基揚壓力、滲透壓力、繞壩壓力等進(jìn)行監(jiān)測；而盈利應(yīng)變監(jiān)測與溫度監(jiān)測主要是對水庫大壩的壩體應(yīng)力應(yīng)變情況、溫度情況及接縫情況進(jìn)行監(jiān)測。

4.2 水閘安全監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用

在引水工程水閘系統(tǒng)中應(yīng)用安全監(jiān)測技術(shù)，包括：進(jìn)水閘系統(tǒng)、節(jié)水閘系統(tǒng)、退水閘系統(tǒng)及分水閘系統(tǒng)等。工作人員需要結(jié)合引水工程的實際情況，結(jié)合引水工程的范圍、規(guī)模、投資、建設(shè)等級、地質(zhì)條件、水文情況、工程施工及運行條件等多種復(fù)雜因素進(jìn)行綜合設(shè)置。一般情況下，分為一般項目監(jiān)測與針對性的項目監(jiān)測，安全監(jiān)測功能設(shè)置包括：水位監(jiān)測、變形監(jiān)測、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測、滲流監(jiān)測、溫度監(jiān)測等。

4.3 渡槽部位安全監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用

在引水工程渡槽系統(tǒng)中應(yīng)用安全監(jiān)測技術(shù)，工作人員要分別在渠道連接的進(jìn)口與出口段、槽身、槽身支撐結(jié)構(gòu)等從處進(jìn)行加測。[5]渡槽的基本結(jié)構(gòu)具體可以分為三種類型，第一種：渡槽的槽身就是引水工程的輸水系統(tǒng)，同時也是引水工程的承重結(jié)構(gòu)；第二種：渡槽的槽身在拱式支撐結(jié)構(gòu)之上，且槽身的縱向方向不受力；第三種：槽身的支撐結(jié)構(gòu)在排架之上，而排架在拱圈之上。

4.4 泵站安全監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用

在引水工程泵站系統(tǒng)應(yīng)用安全監(jiān)測技術(shù)，主要就是針對引水工程的地上泵站、地下泵站處安裝監(jiān)測設(shè)備。針對地上泵站安全監(jiān)測系統(tǒng)，工作人員需要設(shè)置泵站建筑變形監(jiān)測設(shè)施、機組結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變設(shè)施、振動監(jiān)測設(shè)施及滲流監(jiān)測設(shè)施等；針對地下泵站安全監(jiān)測系統(tǒng)，[6]工作人員要在主廠房、副廠房、交通洞、豎井等處安裝安全監(jiān)測設(shè)施，進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測、機組結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測及振動監(jiān)測等。

4.5 涵洞及壓力管道安全監(jiān)測

在涵洞及壓力管道系統(tǒng)中應(yīng)用安全監(jiān)測技術(shù)，工程人員可以分別在施工期間與運行期間進(jìn)行安全監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用，綜合考慮安全監(jiān)測的安裝情況。工作人員可以在圍巖、襯砌處進(jìn)行監(jiān)測，對應(yīng)力應(yīng)變、溫度、裂縫、外水壓力等進(jìn)行監(jiān)測。箱涵是引水工程的主要結(jié)構(gòu)之一，工作人員要對箱涵進(jìn)行安全監(jiān)測，如：變形監(jiān)測、土壓力監(jiān)測、滲流監(jiān)測等。

4.6 引水工程安全監(jiān)測自動化發(fā)展

一般情況下，引水工程的規(guī)模較大，建筑物往往會穿越大片區(qū)域，經(jīng)過多種復(fù)雜的地形，安全監(jiān)測網(wǎng)點較為秘籍。因此，為了保證引水工程安全監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定，保證安全監(jiān)測的有效性，需要引進(jìn)先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)安全監(jiān)測自動化。水利工程的安全監(jiān)測自動化技術(shù)能夠適應(yīng)多種不同的環(huán)境，支持多種不同的技術(shù)及設(shè)備，如：數(shù)據(jù)采集裝置、遙感監(jiān)測儀器、通信網(wǎng)絡(luò)、通信系統(tǒng)、監(jiān)測管理系統(tǒng)等，現(xiàn)階段，中國的安全監(jiān)測自動化技術(shù)已經(jīng)逐漸趨向成熟，被廣泛應(yīng)用于引水工程中。技術(shù)人員可以引進(jìn)現(xiàn)場通信技術(shù)，建立現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)，明確監(jiān)測分布點，保證各分布點之間相對獨立，提高安全監(jiān)測技術(shù)的快捷性。技術(shù)人員可以在引水工程中建立監(jiān)測管理站，對多個階段的引水系統(tǒng)進(jìn)行集中管理，將每一個單獨的監(jiān)測站作為以太網(wǎng)中的單獨的網(wǎng)點，通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)全部工程范圍的管理[7]。

5 結(jié)語

綜上所述，引水工程是一項規(guī)模較大的工程，對中國社會的進(jìn)步與發(fā)展具有重要貢獻(xiàn)。在引水工程的安全監(jiān)測過程中，技術(shù)人員利用相應(yīng)的技術(shù)手段，分別實現(xiàn)了水庫大壩安全監(jiān)測、水閘安全監(jiān)測、渡槽部位安全監(jiān)測、泵站安全監(jiān)測、涵洞及壓力管道安全監(jiān)測，并且引進(jìn)了先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，初步實現(xiàn)了安全監(jiān)測的自動化發(fā)展，在推動我國水資源科學(xué)分配的道路上又邁出了一大步。