黃河焦作河段壩岸監(jiān)測系統(tǒng)選址與布設(shè)

浮俊超 張磊 李凱 梁新怡

摘要：黃河壩岸險情監(jiān)控報警報險系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用改變了“防守靠人力、巡查靠人眼、決策靠電話”的防汛工作狀況。通過系統(tǒng)選址與布設(shè)的論述及運(yùn)用實例分析，認(rèn)為安裝選址優(yōu)先考慮在壩身有問題和受河勢影響容易發(fā)生險情的壩岸，且安裝時采樣點(diǎn)宜選取在沿根石臺外沿或相應(yīng)黃河花園口站流量4000m3/s（沁河武陟站流量500m3/s）水位線位置處。系統(tǒng)的推廣與應(yīng)用有效降低了人工查險的勞動強(qiáng)度和工作風(fēng)險，提高了黃河沿岸河務(wù)工作的管理水平和工作效率。

關(guān)鍵詞：選址；布設(shè)；壩岸監(jiān)測系統(tǒng)；焦作河段；黃河

中圖分類號：TV871.3；TV882.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A Doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.09.009

1 概述

黃河壩岸險情監(jiān)控報警報險系統(tǒng)（簡稱壩岸監(jiān)測系統(tǒng)）是焦作黃河河務(wù)局（簡稱焦作局）等單位自行研發(fā)的新型系統(tǒng)。2015年9月至2017年5月，焦作局在大玉蘭控導(dǎo)工程開展了壩岸監(jiān)測系統(tǒng)的研究，旨在實現(xiàn)壩岸險情實時監(jiān)測及工程現(xiàn)場信息采集，根據(jù)黃河壩岸險情發(fā)生、發(fā)展機(jī)理，應(yīng)用現(xiàn)代化信息技術(shù)將黃河防洪工程的信息采集、傳輸、報警、報險等功能有機(jī)融合，實現(xiàn)險情的遠(yuǎn)程實時監(jiān)測和報警，為險情的及時、有效搶護(hù)及保障防洪工程安全提供重要的技術(shù)手段。研發(fā)了基于高分子聚合物的傳感系統(tǒng)，可將險情數(shù)據(jù)實時上傳至監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對防洪工程險情的遠(yuǎn)程實時監(jiān)測，險情發(fā)生后可持續(xù)保持險情監(jiān)測能力；研發(fā)了壩岸監(jiān)測系統(tǒng)，可實現(xiàn)不同部位自動報警，并與視頻監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動進(jìn)行遠(yuǎn)程險情確認(rèn)，能自動生成出險時間、地點(diǎn)、部位、現(xiàn)場圖片等相關(guān)信息的險情數(shù)據(jù)包，且具備多級審核功能；研制了新型移動信息采集裝置，可針對突發(fā)險情進(jìn)行實時監(jiān)測，實現(xiàn)現(xiàn)場環(huán)境信息采集、數(shù)據(jù)傳輸、音視頻轉(zhuǎn)播等功能。該系統(tǒng)探索出一種信息化與治黃業(yè)務(wù)深度融合的“互聯(lián)網(wǎng)+”模式，改變了“防守靠人力、巡查靠人眼、決策靠電話”的防汛工作狀況，已在河南黃（沁）河多處防洪工程得到應(yīng)用，取得了顯著的社會經(jīng)濟(jì)效益，推廣應(yīng)用前景廣闊，曾獲河南黃河河務(wù)局2016年度科技進(jìn)步一等獎，獲黃委2017年度科技進(jìn)步二等獎。在壩岸險情監(jiān)測方面，獲得國家實用新型專利4項，另有2項國家發(fā)明專利申請已被受理。

根據(jù)測算，該系統(tǒng)單壩安裝成本約10萬元，與同類系統(tǒng)相比具有明顯的價格優(yōu)勢。但是，黃河壩垛護(hù)岸工程僅焦作段就有695座[1]，如果每道壩岸工程都安裝該系統(tǒng)，那么投資將非常巨大，會給河務(wù)部門造成很大的經(jīng)濟(jì)壓力，是很難實現(xiàn)的。因此，在哪些地方安裝、哪些地方不需要安裝以及如何布設(shè)，成為值得考慮的問題。

2 安裝選址與布設(shè)

2.1 選址

該系統(tǒng)安裝的目的是實現(xiàn)壩岸險情實時監(jiān)測及工程現(xiàn)場信息采集，融監(jiān)控、報警、報險功能于一體，使險情發(fā)生發(fā)展可感知、工程運(yùn)行情況可掌控、指揮調(diào)度可協(xié)同。因此，安裝選址需要考慮的主要因素就是壩岸險情發(fā)生的原因。

根據(jù)近幾年焦作局險情統(tǒng)計情況可以看出，焦作黃河河道工程常見的險情主要分為根石坍塌、坦石坍塌、壩基坍塌和壩檔坍塌后潰4種類型，險情的成因主要有以下幾個方面。

（1）壩岸自身問題。壩岸自身不穩(wěn)定是造成險情發(fā)生的內(nèi)在因素。壩岸從總體結(jié)構(gòu)來看，可分為根石和壩身兩部分，其中根石是壩岸穩(wěn)定的基礎(chǔ)，壩岸工程的穩(wěn)定程度直接取決于壩岸根石的穩(wěn)定與完整程度。根石傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)是散拋石塊裹護(hù)根石土胎，在水流沖刷下，一部分根石容易離開壩體造成走失，若根石走失嚴(yán)重而未被及時發(fā)現(xiàn)和搶護(hù)，則壩身將會發(fā)生裂縫、蟄陷、墩蟄或滑塌等險情，最終導(dǎo)致壩岸出險。新建的壩岸工程尚未遇到過大水或搶過險的壩岸，由于根石少且根基多數(shù)座落在淤積的泥沙上，因此一旦著溜淘刷，就會因根石埋深不足導(dǎo)致壩基不斷下切，從而發(fā)生根石坍塌等險情。根石自身安放條件不足，如深度不夠、斷面不足等，在水流沖刷下易形成沖刷坑，造成護(hù)根石蟄動，導(dǎo)致根石坍塌險情。由險情統(tǒng)計可以看出，壩岸發(fā)生的根石坍塌等險情中60%以上是由壩岸根石走失引起的。

（2）河勢影響。畸形河勢是黃河下游河勢演變的一種特殊的自然現(xiàn)象[2]，其平面表現(xiàn)形式多為橫河、斜河，其水流軸線與規(guī)劃流路軸線的夾角一般大于65°，往往形成S形、Z形、Ω形等河勢。畸形河勢的發(fā)生和發(fā)展易造成現(xiàn)有水流不能按照工程治導(dǎo)線行進(jìn)，使控導(dǎo)工程失去控制主溜、穩(wěn)定河勢的作用，也極易出現(xiàn)重大工程險情。

根據(jù)2017年汛后黃河河勢查勘報告，焦作河段河勢預(yù)估變化及應(yīng)對措施為：①逯村、開儀、化工控導(dǎo)工程河勢不會有太大變化。化工3-16壩、38-41壩容易出險，需對易出險壩道進(jìn)行加固。②大玉蘭控導(dǎo)工程受橫河河勢影響，1-10壩、30-36壩出險概率增大，急需進(jìn)行根石加固或?qū)υ摱魏拥纼?nèi)河心灘進(jìn)行治理，消除隱患。③如果來水量變小，那么駕部控導(dǎo)河勢基本不變，河勢可能會下挫至38壩以下靠河；如果來水量變大，那么河勢可能上提至27-45壩靠溜，極易形成險情；東安控導(dǎo)48壩處淘刷嚴(yán)重，背河部分灘地塌灘，建議對塌灘嚴(yán)重部位進(jìn)行應(yīng)急處理，以確保壩后防汛道路和灘區(qū)灘地安全。④嘉應(yīng)觀7-9垛的修建進(jìn)一步緩解了該處的不利河勢。現(xiàn)主溜沖刷8-9垛，隨著水流對東營、御壩灘區(qū)的繼續(xù)沖刷，主溜可能繼續(xù)靠北岸移動，河勢仍然會下挫，灘岸繼續(xù)向北、向東坍塌，急需在9垛下首修建10-13垛，以有效控制該段河勢流路，減少灘岸坍塌。⑤老田庵控導(dǎo)工程中小流量河勢相對穩(wěn)定，若來大水，則31-35壩將受主溜持續(xù)沖刷，出險概率將進(jìn)一步增大。

從焦作黃河河勢圖和大玉蘭控導(dǎo)工程險情統(tǒng)計表（見表1）可以看出，發(fā)生險情的壩岸多為各工程靠河且容易發(fā)生大溜頂沖、回溜淘刷和邊溜沖刷的地方。如2014-2017年大玉蘭控導(dǎo)工程受河心灘影響出現(xiàn)橫河河勢，河心灘挑溜至28壩，使28壩以下壩岸靠大溜，工程出險頻繁。在29-35壩迎水面形成強(qiáng)回溜，致使丁壩迎水面、壩前頭等部位根坦石下蟄發(fā)生一般或較大險情。由表1還可以看出，2016年安裝壩岸監(jiān)測系統(tǒng)后由于發(fā)現(xiàn)險情及時，做到了“搶早、搶小”，因此搶險用石較少，節(jié)約了一定投資。

綜上所述，系統(tǒng)安裝選址應(yīng)優(yōu)先考慮在壩身有問題（根石不穩(wěn)固）或者受河勢影響容易發(fā)生險情的壩岸工程處。

2.2 系統(tǒng)布設(shè)

該系統(tǒng)沿根石臺外沿或相應(yīng)黃河花園口站流量4000m3/s（沁河武陟站流量500m3/s）水位線位置，每間隔1～3m距離布設(shè)一個采樣點(diǎn)，以特制傳導(dǎo)線連接采樣點(diǎn)，用拉力傳感器監(jiān)測傳導(dǎo)線拉力，并將數(shù)據(jù)上傳至YRAP-D（黃河險情數(shù)據(jù)采集協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置，焦作局自行研發(fā)的一種新型數(shù)據(jù)采集設(shè)備），實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)監(jiān)測。當(dāng)有根石臺且根石臺高程低于相應(yīng)黃河花園口站流量4000m3/s（沁河武陟站流量500m3/s）水位線時，采樣點(diǎn)布設(shè)在根石臺外沿處；當(dāng)無根石臺或根石臺高程高于相應(yīng)黃河花園口站流量4000m3/s（沁河武陟站流量500m3/s）水位線時，則布設(shè)在相應(yīng)黃河花園口站流量4000m3/s（沁河武陟站流量500m3/s）水位線位置處。之所以選擇這個高程設(shè)置，原因主要有以下幾個方面。

（1）花園口站流量達(dá)到4 000m，/S（沁河武陟站流量達(dá)到500m3/s），是黃河（沁河）防汛由一般戒備狀態(tài)到高度戒備狀態(tài)的一個轉(zhuǎn)折點(diǎn)。根據(jù)黃河水情信息查詢及會商系統(tǒng)近幾年的數(shù)據(jù)，黃河花園口站發(fā)生超4000m3/s流量的概率較小，采樣點(diǎn)布設(shè)在此位置線，完全可以監(jiān)測到此流量下發(fā)生的各種險情，此時即使河勢工情觀測次數(shù)較少，通過該系統(tǒng)也不會漏掉任何險情，可以做到險情的“搶早、搶小”。當(dāng)預(yù)報花園口站發(fā)生流量4000m3/s（沁河武陟站流量500m3/s）洪水時，按照《河南黃河防汛應(yīng)急預(yù)案》要求，河南省防指將發(fā)布Ⅳ級（藍(lán)色）汛情預(yù)警，河勢工情觀測需增加觀測次數(shù)，可以不借助于該系統(tǒng)進(jìn)行觀測。

（2）當(dāng)根石臺高程低于黃河花園口站流量4000m3/s（沁河武陟站流量500m3/s）水位線時，采樣點(diǎn)應(yīng)布設(shè)在根石臺外沿處。若布設(shè)在相應(yīng)黃河花園口站流量4000m3/s（沁河武陟站流量500m3/s）水位線處或根石臺以上其他位置，則由于根石臺有一定寬度，因此對于根石臺以下位置發(fā)生的險情，布設(shè)的采樣點(diǎn)將無法感應(yīng)，系統(tǒng)將失效。

3 實例運(yùn)用

3.1 焦作大玉蘭控導(dǎo)工程

2010年至今，大玉蘭控導(dǎo)工程出現(xiàn)兩段畸形河勢，分別為2010-2013年大溜頂沖1-7壩、2014-2017年大溜頂沖29-35壩。2015年9月，在該工程正式啟動了壩岸監(jiān)測系統(tǒng)項目，并在30-34壩共安裝5套該系統(tǒng)。2016年3月31日7時50分，大玉蘭控導(dǎo)34壩迎水面發(fā)生較大險情，系統(tǒng)監(jiān)測到34壩迎水面出險并自動報警，首次實現(xiàn)了在真實防汛環(huán)境中的險情報警功能。該系統(tǒng)自動錄制了出險及搶險視頻（見圖1），這是黃河上首次以監(jiān)控視頻方式完整記錄出險全過程。

2016年6月5日20時3分，大玉蘭控導(dǎo)工程出現(xiàn)降雨量50mm以上的暴雨，系統(tǒng)監(jiān)測到33壩迎水面及圓頭出現(xiàn)險情，并自動報警，在惡劣天氣下實現(xiàn)了真實環(huán)境中的險情報警功能，見圖2、圖3。3.2其他工程

（1）2017年4月，在武陟第一黃河河務(wù)局沁河老龍灣險工7垛安裝1套該系統(tǒng)，截至目前系統(tǒng)運(yùn)行正常，未發(fā)生任何險情。

（2）2017年5月，在蘭考黃河河務(wù)局蔡集控導(dǎo)工程9壩安裝1套該系統(tǒng)，截至目前系統(tǒng)運(yùn)行正常，未發(fā)生任何險情。

（3）2017年5月，在長垣黃河河務(wù)局大留寺控導(dǎo)24壩安裝1套該系統(tǒng)。當(dāng)年6月16-17日，分別通過系統(tǒng)監(jiān)測到24壩受大溜頂沖發(fā)生的根石坍塌一般險情各1次，做到了險情的“搶早、搶小”。截至目前，該系統(tǒng)運(yùn)行正常。4結(jié)語

綜上所述，壩岸監(jiān)測系統(tǒng)的安裝首先考慮在壩身有問題和受河勢影響容易發(fā)生險情的壩岸，且安裝時采樣點(diǎn)宜選取在沿根石臺外沿或相應(yīng)黃河花園口站流量4000m3/s（沁河武陟站流量500m3/s）水位線位置處。

通過系統(tǒng)的推廣與應(yīng)用，很好地實現(xiàn)了工程險情的“搶早、搶小”，節(jié)約了投資，改變了“防守靠人力、巡查靠人眼、決策靠電話”的防汛工作局面，有效降低了人工查險的勞動強(qiáng)度和工作風(fēng)險，提高了黃河沿岸河務(wù)工作的管理水平和工作效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]焦作市防汛抗旱指揮部.焦作黃（沁）河防洪預(yù)案[2].焦作.焦作市防汛抗旱指揮部黃河防汛辦公室，2017.2.

[2]胡春宏，陳緒堅，陳建國.黃河水沙空間分布及其變化過程研究[J].水利學(xué)報，2008，39（5）：518-527.