水工建筑物安全監測自動化技術探討

李毅，張文珍，倪國安

（江蘇省淮陰第二抽水站管理所，江蘇淮安 223001）

1 研究背景

江蘇省淮陰第二抽水站管理所位于淮安市區西南頭河與二河堤交匯處的二河東堤堤腳下，地理位置為東經118°58′，北緯33°33′。工程是南水北調東線應急工程之一，屬于江水北調三梯級泵站，承擔向洪澤湖和淮北地區補水的任務。設計流量100 m3/s，設計揚程4.4 m。淮陰二站站身剖面圖如圖1 所示。

圖1 淮陰二站站身剖面圖

2 目前已有安全監測情況

目前淮陰第二抽水站安全監測項目主要包括現場檢查和表面變形監測2 種方式。

現場檢查[1]是最直接、最方便的檢查建筑物安全運行的方法，采用觀察或借助簡單工具，通過建筑物外觀展示出來的異常現象推斷建筑物內部存在的問題。但這種方法對于檢查人的經驗要求較高，責任心要求較高。現場檢查又可以詳細分為日常檢查、定期檢查和專項檢查3 種形式，如表1 所示。

表1 現場檢查

泵站表面變形監測是目前大多數基層閘站管理所所能夠獨立完成的重要的觀測項目[2]，是用以判斷泵站正常工作的基本條件，淮陰第二抽水站表面變形監測情況如下。

工程觀測結果[3]：從淮陰二站2002 年5 月至2021年3 月28 日觀測數據來看，淮陰二站工程總體上呈上浮趨勢，經初步分析為近年長期干旱，上下游水位較往年偏低，受機組長期連續開機運行影響[3]。

從近年的河道斷面比較圖上可以看出，間隔沖淤量變化不大，上下游引河內無明顯變化。

水下檢查[4]：上游引河長290 m，顯示攔污柵附近底板淤積量少，10 cm 左右，已清理。其他位置底板部分存在淤積，淤積厚度30～50 cm，靠近邊坡淤積量較厚，河道中間淤積量相對較少，淤積物主要是樹枝、生活垃圾等。下游引河長510 m，顯示檢修閘門槽附近底板淤積量較少，10 cm 左右，已清理。其他底板部分存在淤積，淤積厚度40～100 cm，靠近邊坡淤積量較厚，河道中間淤積量相對較少，淤積物主要是樹枝、生活垃圾等。

3 監測自動化方案探討

由于每座泵站在建筑物結構、運行工況和工程環境等方面有著較大差異，僅依據工程等級劃分來進行監測項目設置和監測點布置有時難以完全達到安全運行監測的目的[5]。內部監測采用埋設儀器的方式來實現，相比外部監測更易于發現泵站異常。因此以提高水工建筑物安全為目的，在人工巡查、表面變形監測基礎上增加內部監測，一般監測項目包括滲流、應力應變和溫度以及環境量等。

本文針對淮陰第二抽水站泵站工程基本情況，對水平位移量、揚壓力、伸縮縫方向的水工建筑物內部變形監測進行初步分析探討。

3.1 水平位移監測

常用的水平位移監測采用方法是垂線法和引張線法[6]。針對淮陰第二抽水站等大型泵站工程，本文采用光電式引張線儀進行說明分析。

引張線法通過測量安裝儀器的部位與引張線線體之間的相對位移，反應待測部位與引張線線體兩端點的水平位移變化，這種方法主要有測量直觀以及精度較高和能夠進行人工測量等優點。

光電式引張線儀工作原理是光電式引張線儀采用非接觸光電感應原理，如圖2 所示。由一組平行光束將引張線線體投影至光電耦合器件CCD 上，CCD 將光信號轉換成電荷量輸出，經數字信號處理可以得到線體相對于坐標儀位置的物理值。測出不同時間的物理值變化，即可獲得坐標儀相對線體水平方向的位移變化。

圖2 引張線法原理圖

針對淮陰二站這種大型泵站工程，前期方案設計安裝6 臺設備，主要對底板、翼墻、清污機橋等建筑物進行監測。

光電式引張線儀采用AC220 V 供電，測量值采用RS485 現場總線輸出數字信號。多個坐標儀可采用如圖3 所示的方式連接，構成現場網絡。

圖3 現場網絡圖

通過安裝引張線儀，淮陰二站的監測項目數量增加，得到的監測數據也將累積得越來越多。通過構建現場網絡，將監測數據直接存入數據庫，通過數據處理系統對集中的數據進行處理，利用信息技術從大量數據中發現新的規律，從而提高建筑物前期施工和運行維護的水平。

3.2 揚壓力監測

滲流監測是水工建筑物安全監測的重要項目[1]，滲流監測由揚壓力和滲透壓力（壩體、壩基揚壓力）、滲漏量（包括壩基滲漏量和壩體滲漏量）等部分組成。本文針對淮陰第二抽水站工程具體情況著重探討揚壓力監測部分。

滲壓觀測方法包括測壓管法以及埋設滲壓計法。目前管理單位埋設有測壓管，滿足DB32/T 1713—2011《江蘇省水利工程觀測規程》要求。多年運行發現測壓管法具有可人工比測和儀器可更換等優點，但是也有容易存在多年運行后出現測壓管管中泥沙淤積、孔口破壞和測值讀數不準確等缺點。針對這種情況，考慮增加滲壓計，進一步對水工建筑物安全進行監測。

滲壓計在具體選用時根據淮陰第二抽水站工程等級及規程、泵站結構等情況分析，初步確定采用振弦式滲壓計，使用鉆孔埋設方式，直徑選擇108 mm。

同時，滲壓計的連接電纜應以軟管套護，并輔以鉛絲與測頭相連。埋設時，應自下而上依次進行，并以中粗砂封埋測頭。埋設過程中注意儀器設備的保護，同時考慮防雷及接地等問題。

滲壓計的增加能夠有效彌補測壓管目前存在的不足，提高自動化監測精準度，增加泵站監測數據，為泵站運行安全提供第一手資料。

3.3 伸縮縫監測

目前淮陰二站工程缺少裂隙監測方面內容，在裂隙初期并無察覺，待發現時已經影響運行安全。針對監測項目缺失的情況，考慮增加裂縫監測項目，通過埋設安裝測縫計進行監測，淮陰第二抽水站工程初步確定采用振弦式測縫計。

針對大型泵站的安全運行要求，后期還可以考慮對測縫計進行改造，經改裝加工部分配套附件可組成多點位移計、基巖變位計以及表面裂縫計等測量多方面內容的儀器。

4 結語

水工建筑物的安全風險[7]是在不斷動態變化過程中的，它與泵站所擔負的供排水任務以及上下游地區發展和區域環境要求、調度應急方案、救災設備等多種因素相關，利用安全鑒定材料以及常規運行檢查資料對建筑物進行系統的安全風險評估，對提高運行效益有著十分重要的意義。