峽江水利樞紐泄水閘實時監測系統設計

萬迪文 馮新紅 余鵬翔 馬光飛

摘要：泄水閘對水利水電工程的安全運行具有重要意義，為實現設備運行狀態的實時監測，以峽江水利樞紐工程的弧形泄水閘為例，通過需求分析確定了在線監測的內容及監測方法，利用有限元分析、現代傳感技術和數據傳輸技術，建立了泄水閘實時監測系統。系統包括監測設備層、信息感知層、現場數據采集層等，采用B/S架構，實現傳感器管理、運行狀態展示、數據分析、安全性評價和運維管理等功能，實現了泄水閘結構應力、振動、運行姿態、液壓啟閉機振動和液壓油清潔度的在線監測，為水工金屬結構數字化安全運維技術提供參考。

關鍵詞：泄水閘； 在線監測； 實時監測系統； 峽江水利樞紐

中圖法分類號：TV663

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.07.019

文章編號：1006-0081（2023）07-0111-05

0 引 言

水利水電工程泄水閘是調節、控制水位和流量的主要設備，是水工建筑物的重要組成部分。泄水閘運行正常與否，不僅直接關系到水工建筑物自身安全，還關系到下游人民生命財產的安全。

目前中國存在大量的現役鋼結構泄水閘，由于設計、制造、安裝及運行管理等方面原因，部分金屬結構設備存在運行隱患，且泄水閘運行工況復雜多變，長期水下作業，隱患不易發現和排除。近年來，由于水工泄水閘運行故障引發的水利樞紐工程事故時有發生，如邢林生等［1］列舉了國內外多個由于水工閘門失效造成重大事故的案例，并提出了應對措施，但這些措施都是從規范管理的角度出發，并未對設備的狀態進行監測。余嶺等［2］根據閘門定檢中發現的實際問題和事故分析，闡述了對水工鋼結構實施智能健康診斷的必要性和迫切性，提出了利用智能傳感器進行水工鋼結構健康診斷的展望。胡木生等［3］詳細介紹中國水工金屬結構管理和監測技術的現狀，提出了在線監測系統的主要測量參數，但并未對具體參數監測方法和實現過程進行說明。本文結合工程實例，詳細介紹了鋼結構泄水閘實時監測系統的監測內容、監測方法、測點選擇以及系統架構和軟件功能，為水工金屬結構數字化安全運維技術提供參考。

1 工程概況

峽江水利樞紐工程位于贛江中游的峽江縣巴邱鎮上游峽谷河段，距巴邱鎮約6 km，是一座以防洪、發電、航運為主，兼有灌溉等綜合利用功能的大（1）型水利樞紐工程。壩址控制流域面積約62 710 km2，水庫總庫容11.87×108 m3，電站安裝9臺水輪發電機組，裝機容量360 MW。樞紐工程主要建筑物沿壩軸線從左到右依次是：左岸擋水壩段、船閘、門庫壩段、泄水閘、廠房壩段、右岸擋水壩。軸線總長845 ｍ，設計壩頂高程51.2 ｍ（黃海高程，下同），泄水系統由18孔泄水閘組成，水閘為寬頂堰開敞型，孔口尺寸16.0 m×17.0 m，閘底高程30.0 m，泄水閘工作閘門屬大（3）型，接近超大型，為贛江上最大的泄水閘門，門型為弧形鋼閘門，采用2×3 200 kN液壓式啟閉機驅動［4］。

2010年7月峽江水利樞紐工程主體工程開工，2017年12月通過竣工驗收，是172項節水供水重大水利工程中第一個整體工程竣工驗收項目，并獲得2017～2018 年度中國水利優質（大禹）工程獎、2018～2019 年度中國建設工程魯班獎及第十九屆中國土木工程詹天佑獎。

2 監測系統現狀和需求

現階段，中國水利水電工程中對于鋼結構泄水閘的檢測主要分為兩類：① 在設備制造和安裝過程中的出廠檢測，包括制造過程質量檢測和安裝過程質量檢測，主要是對材料、焊接質量、防腐質量和制作安裝尺寸等進行檢測，目的是保證產品和設計一致；② 在運行過程中的安全檢測，包括日常巡檢和定期安全檢測，日常巡檢以人工目測為主，主要是對閘門的門體、吊桿、支撐結構、止水和液壓啟閉啟漏液等外觀進行檢查，定期安全檢測主要是依據SL 101-2014《水工鋼閘門和啟閉機安全檢測技術規程》等規范要求，利用檢測儀器，對在役設備進行檢驗或測定，并根據結果做出判別。這些檢測手段對設備的健康運行起到了較大作用，但仍存在以下缺點：① 以人工檢測為主，受個人經驗影響大；② 為周期性檢測，監測數據不連續，實時性差；③ 受工作環境限制，數據采集不全面，存在漏檢誤判的風險；④ 受環境影響大，監測安全風險大，工作量大、效率低。

隨著計算機和現代傳感技術的發展，能夠對與鋼結構泄水閘安全運行相關的結構應力、振動、運行姿態和液壓啟閉機工況等內在參數進行連續實時監測。鋼結構泄水閘實時監測系統就是通過對閘門關鍵參數的實時監測，實現閘門狀態的實時反映，對閘門狀態進行預報和預警，實現對其健康趨勢的預演，為編制預案提供支撐，提高水利工程的防災害應變能力和智慧化水平。

3 系統設計和實現

3.1 監測內容和方法

峽江水利樞紐泄水閘實時監測系統，實時采集弧形閘門主要構件的運行數據，通過數據傳輸與處理，實現對弧形閘門結構應力、流激振動、運行姿態和液壓啟閉機運行狀態的實時監測。

（1） 閘門流激振動監測。弧形鋼閘門發生事故的因素很多，如水工結構布置不當、制造安裝要求不嚴、運用管理經驗不足、閘門支臂剛度較差等。但通過對事故的統計分析發現，因支臂失穩、發生扭曲致使整個閘門失事是直接表現，而特定工況下水流脈動的隨機荷載會引起共振，嚴重的振動是支臂失穩的重要原因［5］。

由于弧形鋼閘門的固有頻率較低，可以通過在閘門支臂的重要位置布置壓電式加速度傳感器，把水力作用引起的閘門震動轉換成電信號，經過AD轉換成二進制數據、進行數據組織、存儲、運算處理，實現閘門振動頻率、振幅的實時檢測。

（2） 閘門結構應力檢測。閘門結構應力是閘門受力的直接表現，是閘門強度破壞的重要判斷依據。由于閘門長期處于水下，不能直觀判斷閘門的狀態，通過應力傳感器實時采集閘門結構的應力數據，可以分析和判斷閘門結構的安全性。應力傳感器的種類較多，可根據安裝部位和使用條件選擇表面應變傳感器或焊接式應變傳感器。

（3） 閘門運行姿態監測。閘門姿態監測主要包括傾斜監測和開度監測。在閘門啟閉的過程中，由于液壓啟閉機雙缸同步，可能存在閘門傾斜，造成閘門啟閉力異常增大，嚴重時可能會導致閘門卡死。閘門運行過程中傾斜姿態監測是利用高精度角度傳感器，可在傾斜角度達到預設值時，給出姿態預警，提醒操作人員緊急處理，消除隱患。

閘門開度是閘門的重要工況條件，開度大小決定了閘門的流量、流速和門卡漩渦對閘門的影響。閘門的開度通常采用閘門開度傳感器（位移傳感器）來進行測量，根據實現的測量原理，常用的有拉繩位移傳感器、磁致伸縮位移傳感器和靜磁柵絕對編碼器等。

（4） 液壓啟閉機振動監測。液壓系統為閘門啟閉提供動力，主要包括動力裝置、控制調節裝置、輔助裝置等，動力裝置是指液壓泵，實現電能、機械能、液壓能的轉化，通過監測管道系統壓力，可以較好地判斷當前的工作狀態，但無法對系統故障進行預判［6］。液壓油泵及其驅動電機本質上屬于旋轉機械，利用加速度傳感器來監測振動情況，通過數據分析實現故障診斷和健康評估。

（5） 液壓油清潔度在線檢測。液壓啟閉機在長期工作過程中，外部的塵土、設備內部的磨損顆粒以及液壓油氧化變質而產生的膠狀物等都會污染液壓油，液壓油污染后會加劇液壓元件磨損和表面疲勞，使內漏增加，降低液壓系統的工作可靠性和系統效率，嚴重的可能造成油泵或電磁閥卡死、管路堵塞，使系統無法正常運行［7］。液壓油清潔度在線檢測是通過在液壓管路中安裝油液在線檢測儀，該儀器采用光阻法（遮光式）原理記錄單位體積內不同大小顆粒物的數量，能夠實時掌握液壓油的污染程度并分析液壓系統的磨損趨勢。

3.2 硬件系統設計

3.2.1 測點選擇

通過有限元軟件對閘門進行建模，其中對主梁、邊梁、縱梁、翼緣板、支臂腹板、支臂翼板均采用板殼單元進行模擬，次梁及支臂撐桿采用梁單元模擬，通過計算閘門在最大載荷作用下的應力與變形，得到強度和剛度的分析結果如圖1所示。通過模態分析，確定了閘門振動特性。

通過對模擬仿真情況分析，確定閘門測點總布置如圖2所示，流激振動監測點及監測內容詳見表1，應力監測點及監測內容見表2，運行姿態監測點及監測內容見表3，液壓啟閉機振動監測點及監測內容見表4。

3.2.2 系統組成

峽江水利樞紐泄水閘實時監測系統由監測設備層、信息感知層、現場數據采集層、上位機層和云服務層組成。其中，監測設備層包括監測的對象，即弧形鋼閘門和液壓啟閉機；信息感知層包括應力、加速度、傾角和油液清潔度等傳感器，實現狀態信號和電信號的轉化；現場數據采集層主要包括數據傳輸網絡、數據采集卡和工控機等，實現現場數據的采集和清洗；上位機層包括數據服務器、中控室電腦和展示大屏等，實現數據的分析和展示；云服務層主要包括WEB服務器及相關網絡設備等組成，在條件許可下實現數據云服務，系統框架圖如3所示。

系統采用分層分布式結構，由上位機層和現地工作層組成，其中上位機層包括狀態數據服務器、顯示器、網絡設備等。現地層設備包括各種傳感器、傳感器單元、數據采集單元、工控機、附件等。現地層設備以工控機和數據采集單元為核心，采用模數轉化、485通訊和CAN通訊等多種數據采集模式，實現現場監測數據的實時采集。上位機層和現地工作層之間采用光纖通訊實現數據高速穩定傳輸。上位機層實現數據匯總，不僅接收閘門、液壓啟閉機實時監測數據，還實現與其他信息系統聯通，獲取其他相關工況數據，如水位、流量、壓力、水溫、水質、含沙量和液壓啟閉機運行參數等，用于綜合分析。

3.3 軟件系統設計

峽江水利樞紐泄水閘實時監測軟件系統采用B/S架構，主要包括：傳感器管理、運行狀態展示、數據分析、安全性評價和運維管理等模塊，同時軟件具有開放的數據接口，可為上級業務中臺提供數據支撐。

（1） 傳感器管理模塊。傳感器管理模塊主要是對所有傳感器進行管理，包括通道、數據類型以及是否正常工作等。

（2） 運行狀態展示模塊。運行狀態展示模塊可實現閘門和液壓啟閉機狀態的實時展示，全面實景展示設備狀態和故障的預警信息等，軟件界面如圖4所示。

（3） 數據分析模塊。數據分析模塊對傳感器收集的數據進行接收和處理，通過濾波、傅里葉變化等技術提取特征值，并對數據進行存儲，實現對歷史數據的查詢。

（4） 安全性評價模塊。安全性評價模塊可以設置預警規則，建立預警判斷規則和安全評估模型，如通過比較測量的應力σ與不同工況下有限元計算應力值σfini以及許用應力值［σ］和材料屈服強度σs的關系來評價判斷結構安全性；通過監測閘門振幅A，判別振動危害程度，給出預警報警信號；通過實時監測閘門的傾斜角度β，在達到預警范圍時及時報警；通過監測液壓油泵的機械振動，根據振動烈度V判斷危害程度；根據液壓油中不同粒徑顆粒物的多少來測定液壓油的清潔度，以此分析啟閉機液壓系統的磨損趨勢。系統綜合所有監測數據和預警規則，實現對閘門和啟閉機的健康度評估，實現閘門和啟閉機的故障預報和預警，以及通過長期數據積累，實現健康狀態預測。

（5） 運維管理模塊。雖然有了實時監測系統，但是定期的運維巡察必不可少。使用實時監測系統后，巡察的周期拉長，巡察內容有所不同，要增加對監測設備的巡察和校準。運維管理模塊具有巡察線路規劃、任務發布和結果處理等功能，能及時把發現的問題輸入系統。

4 結 語

泄水閘實時監測系統研究一直是水工金屬結構研究領域的熱點問題，當前仍處于起步探索階段。峽江水利樞紐泄水閘實時監測系統的探索性實踐，有效提高了水工金屬結構設備的運行管理水平，該系統利用高精度傳感器實時采集閘門和啟閉機的狀態數據，通過高效的數據傳輸網絡，搭建了故障判斷模型和安全評估模型的數據分析展示平臺。該系統實現了泄水閘和啟閉機的關鍵數據全面采集，首次對啟閉機液壓油的清潔度進行在線監測，為數字孿生工程提供全面數據支撐。軟件系統在設備狀態數據實時展示的基礎上，增加了日常運維功能，實現了在線監測和日常運維的有機統一，方便了設備運維，提高了設備運行可靠性，為水利樞紐日常運行管理提供參考。

參考文獻：

［1］ 邢林生，周建波.水電站水工閘門運行事故及對策［J］.水力發電，2012，38（8）：70-73.

［2］ 余嶺，萬祖勇，徐德毅，等.水工鋼結構智能健康診斷技術研究與進展［J］.長江科學院院報，2005（5）：65-69.

［3］ 胡木生，再麗娜.我國水工金屬結構管理現狀與檢測技術進展［J］.水利與建筑工程學報，2018，16（3）：1-6.

［4］ 應國華，楊貴海，徐禮鋒，等.峽江水利樞紐弧形閘門設計及關鍵技術研究［J］.江西水利科技，2022，48（3）：200-205.

［5］ 章繼光，王克成，賈新斌.我國低水頭弧形鋼閘門失事原因初探［J］.陜西水力發電，1987（1）：35-42.

［6］ 熊紹鈞.福爾瑟姆壩溢洪道閘門失事調查［J］.水利水電快報，1996（13）：12-14.

［7］ 王文濤，石清文.枕頭壩一級水電站泄洪閘弧形閘門流激振動研究［J］.人民長江，2021，52（增2）：216-219.

（編輯：唐湘茜，張 爽）