福州溪源泄洪洞工程自動化監(jiān)測方案及預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用

舒國庫

(廣州創(chuàng)科工程質(zhì)量檢測有限公司， 廣東 廣州 510000)

安全監(jiān)測作為一項工程安全保證措施，在施工期進行安全監(jiān)測，能夠及時掌握工程建筑物結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化信息；并且提供工程在各種不利情況下工程性能評價和工程安全評估所必需的資料；掌握工程工況，控制施工質(zhì)量、進度、安全，指導(dǎo)施工、監(jiān)控施工；檢驗設(shè)計的正確性，監(jiān)測成果作為工程資料來驗證工程設(shè)計的正確性[1-2]。

本文針對福州溪源泄洪洞工程制定自動化監(jiān)測方案并建立預(yù)警系統(tǒng)，實現(xiàn)了對泄洪洞工程變形、滲流、應(yīng)力等參數(shù)的監(jiān)測，能夠?qū)崟r可靠的將相關(guān)數(shù)據(jù)進行保存、分析，發(fā)現(xiàn)異常情況。

1 項目概況

溪源泄洪洞主體工程地理位置在福州市閩侯縣上街鎮(zhèn)、竹岐鄉(xiāng)，該工程主要包括進水口、隧洞段、淺埋式鋼管段和出水建筑物等四部分。在地理位置分布上，進水口處于水庫大壩左側(cè)堤岸上游約300 m，出水建筑物主要集中于竹岐蘇洋村周邊地帶，防止洪澇災(zāi)害是溪源泄洪洞工程的主要功能。泄洪洞流量設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)是310 m3/s，所能承受的最大靜水頭106.72 m。在洞式進水口的前端位置設(shè)計了一定長度的明渠段，泄洪洞隧洞段設(shè)計斷面為圓形，長度為6572.60 m，內(nèi)徑尺寸為6.60 m，襯砌所使用的鋼筋混凝土厚0.35 m；淺埋式鋼管段斷面設(shè)計同樣為圓形，長度為500 m左右，內(nèi)徑6 m作用，使用26 mm厚的鋼襯，1 m厚回填混凝土；出口工作閘室段長度為30 m左右，泄洪洞水平長度7000 m左右。事故檢修閘門井設(shè)計在進水口下游約100 m隧洞處，平板閘門孔口為6 m×6 m的方形；工作弧形門設(shè)計在出口工作閘室段，孔口尺寸為4.20 m×5.35 m的矩形，出口挑流泄槽緊隨其后，消力池及明渠段設(shè)計在下游；檢修井設(shè)計在隧洞段出口，尺寸為4 m×4 m的方形，抽水泵、進入孔以及控制閥均在檢修井中布置；管理樓和連接道路處位于泄洪洞出口附近[3]。

2 重點施工監(jiān)測布設(shè)

2.1 泄洪洞監(jiān)測

鉆爆隧洞沿線根據(jù)地形地質(zhì)條件，在鉆爆隧洞地質(zhì)條件較薄弱部位共設(shè)置3個監(jiān)測斷面，如圖1。

2.1.1 變形監(jiān)測

在斷面1-1和斷面2-2隧洞頂拱及左側(cè)分別布置1支測縫計和2個收斂測點，且在隧洞地質(zhì)條件較差的斷面右側(cè)增設(shè)1支測縫計和1套四點式位移計，共計6支測縫計、6個收斂點和2套四點式位移計。測縫計用于監(jiān)測襯砌與圍巖接縫處的開合度變化情況，進行實時在線自動化監(jiān)測，收斂測點用于施工期收斂計變形監(jiān)測。斷面1-1監(jiān)測儀器電纜引至就近施工支洞內(nèi)的MCU自動采集單元，通過GPRS模塊傳輸至信息管理中心，斷面2-2監(jiān)測儀器電纜引至就近檢修閘井的MCU自動采集單元，通過GPRS模塊傳輸至信息管理中心。

圖1 泄洪洞監(jiān)測布置縱剖面圖

2.1.2 滲流監(jiān)測

在斷面3-3隧洞左側(cè)布置1支滲壓計，且在隧洞地質(zhì)條件較差的斷面右側(cè)增設(shè)1支滲壓計，共計2支滲壓計，用于監(jiān)測襯砌的外水壓力情況，進行實時在線自動化監(jiān)測。

2.1.3 應(yīng)力監(jiān)測

為了實時有效的監(jiān)測圍巖的支護應(yīng)力，將錨桿應(yīng)力計分別置于斷面1-1和斷面2-2隧洞頂拱和左側(cè)處，且在隧洞地質(zhì)條件較差的斷面右側(cè)增設(shè)1支錨桿應(yīng)力計，應(yīng)力監(jiān)測圖如圖2。

圖2 泄洪洞應(yīng)力監(jiān)測圖

在斷面1-1和斷面2-2隧洞頂拱及左側(cè)分別布置1支鋼筋計，且在隧洞地質(zhì)條件較差的斷面右側(cè)增設(shè)1支鋼筋計，共計6支鋼筋計，用于監(jiān)測襯砌的鋼筋應(yīng)力狀態(tài)，進行實時在線自動化監(jiān)測。

2.2 泄洪洞與G70福銀高速交叉

在泄洪洞與G70福銀高速交叉邊坡和G70福銀高速表面布置7個垂直位移測點，垂直位移采用水準(zhǔn)法，利用精密水準(zhǔn)儀進行監(jiān)測，如圖3。在變形影響區(qū)域外布置2個水準(zhǔn)起測基點，并在便于觀測的堅實基礎(chǔ)上布置一組(3個)水準(zhǔn)基點進行校核。

圖3 泄洪洞與G70福銀高速交叉監(jiān)測布置縱剖面

2.3 泄洪洞出水口監(jiān)測項目

2.3.1 變形監(jiān)測

在泄洪洞出水口表面布置15個垂直位移測點，a-a斷面布置2個沉降板，垂直位移采用水準(zhǔn)法[4]，利用精密水準(zhǔn)儀進行監(jiān)測。在變形影響區(qū)域外布置2個水準(zhǔn)起測基點，并在便于觀測的堅實基礎(chǔ)布置一組(3個)水準(zhǔn)基點進行校核。在出水口工作閘室段布置2個ABS測斜管，利用活動測斜儀進行監(jiān)測。

2.3.2 滲流監(jiān)測

在泄洪洞檢修閘井處布置1個流速儀，下游側(cè)布置1根水位標(biāo)尺，并在附近布置1套雷達水位計，對水位變化情況，進行實時在線自動化監(jiān)測，流速儀監(jiān)測儀器電纜引至檢修閘井的MCU自動采集單元，通過GPRS模塊傳輸至信息管理中心，雷達水位計監(jiān)測儀器電纜引至工作閘室的MCU自動采集單元，通過GPRS模塊傳輸至信息管理中心[5]。如圖4。

圖4 泄洪洞出水口滲流監(jiān)測

2.3.3 應(yīng)力監(jiān)測

在泄洪洞出水口斷面1-1、斷面a-a、斷面b-b和斷面c -c的鋼管頂拱及左側(cè)各布置2個鋼板計，共計16支錨桿應(yīng)力計，用于監(jiān)測鋼管的支護應(yīng)力狀態(tài)，進行實時在線自動化監(jiān)測。

斷面1-1監(jiān)測儀器電纜引至就近檢修閘井的MCU自動采集單元，通過GPRS模塊傳輸至信息管理中心；斷面a-a、斷面b-b和斷面c -c監(jiān)測儀器電纜引至就近綜合管理樓，直接傳輸至信息管理中心。

3 自動化監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)要求

3.1 自動化系統(tǒng)布置原則

系統(tǒng)布置需要滿足滿足以下條件：實時可靠、實用先進、易于拓展、維護簡單、環(huán)境適應(yīng)性、安全性等要求[4]。

能及時采集自動化監(jiān)測項目的數(shù)據(jù)，實時對其進行分析處理，監(jiān)測攔河閘及連接段等建筑物的運行工作性態(tài)；安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)要求能夠?qū)?shù)據(jù)進行全面的備份及恢復(fù)；從韶關(guān)市乳源瑤族自治縣水庫供水工程(原水管道部分)安全監(jiān)測實施項目工程需要出發(fā)，各樞紐建筑物關(guān)鍵監(jiān)測點的評判、監(jiān)測數(shù)據(jù)處理、綜合信息管理等是系統(tǒng)的基礎(chǔ)功能；使用開源性統(tǒng)接口及軟件，方便后期實現(xiàn)系統(tǒng)的升級、擴展、更改等；為了更簡單的添加硬件模塊、增加軟件引用等功能盡量采用模塊化設(shè)計[6]。

3.2 自動化系統(tǒng)建設(shè)功能

系統(tǒng)需要能夠?qū)λ褂玫母黝悅鞲衅鬟M行數(shù)據(jù)監(jiān)測、采集、處理，既能實現(xiàn)中央控制又能實現(xiàn)自動控制，滿足“無人值班”的要求，各測值具有越限報警功能。傳感器的數(shù)據(jù)既可以暫存于測控裝置中又可以上傳到監(jiān)測中心進行分析計算處理等工作[7]。

進行監(jiān)視、數(shù)據(jù)輸入/輸出、顯示并打印結(jié)果、分析當(dāng)前狀態(tài)、查看歷史數(shù)據(jù)在監(jiān)測服務(wù)器、監(jiān)測工作站上就可以實現(xiàn)；依靠自動化監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集并且掌握各監(jiān)測目標(biāo)的工作狀態(tài)，主要包括在線監(jiān)測建筑物狀態(tài)、離線數(shù)據(jù)分析、制作圖表、數(shù)據(jù)預(yù)測、數(shù)據(jù)庫管理并進行遠程服務(wù)等[8]，同時應(yīng)為測控裝置假裝存儲器以及斷電保護模塊，能夠暫存并且保證數(shù)據(jù)自動覆蓋。

監(jiān)測系統(tǒng)的各個設(shè)備、功能模塊、運行狀態(tài)等需要進行定期檢查，進行系統(tǒng)測試及維護；對系統(tǒng)、設(shè)備提示的故障信息準(zhǔn)確掌握，方便維修。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠與筆記本電腦相匹配的借口，方便利用計算機對測控裝置的數(shù)據(jù)進行讀取，即使設(shè)備故障也可以保證數(shù)據(jù)完整[9]。另外也要保證實現(xiàn)人工將數(shù)據(jù)錄入到軟件中去；提高設(shè)備所在網(wǎng)絡(luò)的安全性，設(shè)計多級用戶權(quán)限、多級用戶密碼。保障系統(tǒng)安全運行。

4 構(gòu)建自動化監(jiān)測系統(tǒng)

4.1 自動化監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)采用集中式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由泄洪洞、泄洪洞出水口及監(jiān)測自動化軟件組成。監(jiān)測儀器電纜敷設(shè)引至就近MCU自動采集單元，對應(yīng)通道接入自動測量模塊，數(shù)據(jù)集中通過GPRS模塊發(fā)送至中控室。安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)采用交流220 V電源或太陽能30 W系統(tǒng)供電，交流220 V 電源由工程統(tǒng)一完成配置和線纜敷設(shè)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5。

圖5 監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

4.2 監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)安裝

泄洪洞(施工支洞)安裝1個自動化采集單元，配裝2個數(shù)據(jù)采集模塊，1套采集裝置MCU，光端機2個，配裝1個16通道測量模塊接入1-1監(jiān)測斷面，測縫計、錨桿應(yīng)力計、鋼筋計、四點位移計，采用太陽能30 W系統(tǒng)供電，數(shù)據(jù)通過GPRS模塊從就近施工支洞發(fā)送至中控室。

泄洪洞出水口安裝1個自動化采集單元，配裝2個數(shù)據(jù)采集模塊，2套采集裝置MCU，配裝1個16通道測量模塊接入斷面2-2、斷面3-3和斷面a-a中的斷面1-1監(jiān)測，測縫計、滲壓計、錨桿應(yīng)力計、鋼筋計、四點位移計、鋼板計，采用交流220 V電源供電，數(shù)據(jù)通過GPRS模塊發(fā)送至中控室。斷面a-a、斷面b-b及斷面c-c監(jiān)測數(shù)據(jù)通過電纜直接接入中控室。

福州地區(qū)大學(xué)新校區(qū)防洪排澇體系溪源泄洪洞工程管理樓機房安裝安全監(jiān)測系統(tǒng)服務(wù)器和監(jiān)測數(shù)據(jù)接收GPRS模塊，中控值班室安全監(jiān)測系統(tǒng)工作站，配套福州地區(qū)大學(xué)新校區(qū)防洪排澇體系溪源泄洪洞工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)管理軟件。

5 自動化預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

5.1 設(shè)計遵循原則

在工程一定范圍內(nèi)安裝聯(lián)動警示設(shè)備，以便在出現(xiàn)問題的時候能夠快速通知相關(guān)人員，采取有效措施應(yīng)對；同時還應(yīng)該定期對設(shè)備進行集中的監(jiān)控、維護和管理，達到對泄洪洞進行全方位的監(jiān)控以及對監(jiān)控信息作出有效應(yīng)對?；诖私ㄔO(shè)自動化網(wǎng)絡(luò)視頻與廣播技術(shù)的預(yù)警系統(tǒng)。

預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計遵循以下原則：具有穩(wěn)定性，系統(tǒng)和硬件需要配套相應(yīng)的監(jiān)控操作系統(tǒng)和相應(yīng)的硬件結(jié)構(gòu)，能夠在環(huán)境比較復(fù)雜、可靠性要求較高的環(huán)境中運行；具有經(jīng)濟性，充分利用其他監(jiān)控領(lǐng)域中成功應(yīng)用的中間件和模塊，保證先進性并可以向上兼容拓展[9]；使用模塊化、結(jié)構(gòu)化的設(shè)計理念，在需要對系統(tǒng)功能進行添加的時候只需要模塊化的增加即可，并且減少投入；具有實用性，系統(tǒng)能夠滿足用戶的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控需要，可以與報警設(shè)備進行聯(lián)動、并實現(xiàn)查看歷史、遠程控制、多畫面實時監(jiān)控[9]；保證系統(tǒng)安全，平臺視頻監(jiān)控系統(tǒng)安全性在管理中是關(guān)鍵問題之一，必須保障數(shù)據(jù)安全，還應(yīng)具備較強的抗干擾性[9]。同時人機接口功能強，界面采用全中文顯示，功能強，操作方便，簡潔、靈活，便于二次開發(fā)。計算機系統(tǒng)和泄洪洞計算機系統(tǒng)及上級調(diào)度之間可進行通訊，實現(xiàn)遙信、遙測、遙調(diào)功能[9]。

5.2 預(yù)警監(jiān)控布設(shè)

根據(jù)泄洪洞建筑特點，監(jiān)視點主要設(shè)置在中控室、管理樓大門、出口工作閘門、出水口水位尺等重要部位，安裝高清網(wǎng)絡(luò)攝像機以及高清網(wǎng)絡(luò)一體化攝像機。

5.3 水庫廣播系統(tǒng)

該工程廣播系統(tǒng)由信號源、智能廣播機、放大和處理設(shè)備、傳輸線路和揚聲器組成。該廣播系統(tǒng)的特點主要有多種預(yù)警方式，實現(xiàn)遠程管理，預(yù)警任務(wù)設(shè)置靈活，信息自動上報，拾音及時準(zhǔn)確，現(xiàn)場取證錄音，防盜報警。采用數(shù)控電源時序器對所有設(shè)備進行供電，保障系統(tǒng)安全。可以擴展遠程尋呼控制、市話插播、消防報警等功能。

主要設(shè)備組成，揚聲器、音柱頻率響應(yīng)60～15 kHz;靈敏度-45±3 dB；輸出阻抗200 HM；電源供應(yīng)AC220 V帶電源適配器1個；入侵報警控制器1套；人工直播插入話筒或音源1套；控制器1套；低噪聲放大器1站；擴聲系統(tǒng)設(shè)備1臺；揚聲器、音柱2個；管內(nèi)配600 m。

5.4 計算機網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)

系統(tǒng)的軟件、硬件、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)必須成熟、可靠、安全，品控優(yōu)良且能夠提供長期的技術(shù)支持。部頒 《水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)基本技術(shù)條件》(DL/T 578—2008)所要求的各項指標(biāo)據(jù)需要滿足。采用模塊化、結(jié)構(gòu)化設(shè)計理念，使得系統(tǒng)更加容易拓展，隨時隨地的增加功能并擴充規(guī)模。

接地點使用電站公用接地網(wǎng)接地。計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用“一點接地”方式。本計算機監(jiān)控系統(tǒng)和電站設(shè)備公用一接地網(wǎng)(接地電阻不大于 4 Ω)，不考慮計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用單獨的接地方式。在機房內(nèi)設(shè)置接地匯流牌，并在銅牌上分布設(shè)置銅接線柱便于使用。

視頻監(jiān)控設(shè)備組成有網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器1套；服務(wù)器顯示設(shè)備1臺；監(jiān)控攝像機1臺；監(jiān)控攝像機3臺；雙絞線纜200 m；避雷器8個；光電轉(zhuǎn)換器4個；光纖300 m；軟件1套。

6 總 結(jié)

本文通過對福州溪源泄洪洞工程自動化監(jiān)測方案及預(yù)警系統(tǒng)布設(shè)研究，根據(jù)自動化監(jiān)測系統(tǒng)的方便可靠、必要性，對項目進行了自動化監(jiān)測布設(shè)，達到了自動化監(jiān)測的目的；同時設(shè)置了基于視頻監(jiān)控和廣播的自動化預(yù)警系統(tǒng)。

對于泄洪洞工程的自動化監(jiān)測主要在洞室的應(yīng)力變形上，滲漏往往是隧洞監(jiān)測的重點，自動化監(jiān)測滲漏往往不能代替人工經(jīng)驗上滲漏對洞室變形的影響，這也是自動化監(jiān)測不足的地方，也是今后研究的重點。