提高水庫安全監(jiān)測(cè)手段 保障工程安全運(yùn)行

楊麗濤

河北省崗南水庫事務(wù)中心 河北 石家莊 050400

水庫作為水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，在防洪、供水、灌溉、發(fā)電等方面起著重要作用，但是水庫大壩建成后以后，承受洪水、暴雨、地震、風(fēng)吹雨淋、凍融剝蝕及人為破壞等因素影響，有可能產(chǎn)生壩體滲漏、變形、破壞等現(xiàn)象，對(duì)大壩存在的隱患和不及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，就會(huì)影響大壩安全，甚至演變成潰壩的災(zāi)難性事故。因此，必須加大水庫大壩的監(jiān)測(cè)力度，運(yùn)用先進(jìn)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)，建立安全監(jiān)測(cè)預(yù)警裝置，使大壩正常運(yùn)用和使用。

1 工程簡(jiǎn)介

崗南水庫位于河北省平山縣崗南鎮(zhèn)附近的滹沱河干流上，是海河流域子牙河系兩大支流之一滹沱河中下游重要的大（I）型水利樞紐工程，是河北省管轄的第一大水庫，控制流域面積15900km2，水庫總庫容17.04億m3。水庫以防洪、供水為主，結(jié)合發(fā)電，與下游28公里處的黃壁莊水庫聯(lián)合控制流域面積23400km2，是“一保京津、二保鐵路通信干線、三保油田、四保自己”的關(guān)鍵性工程，是省會(huì)石家莊市和下游人民生命財(cái)產(chǎn)安全的重要防洪屏障，同時(shí)擔(dān)負(fù)著向石家莊市城市生活和下游工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)供水的任務(wù)，在我省經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用，其地理位置和作用都十分重要。

2 大壩安全監(jiān)測(cè)存在的問題

目前崗南水庫開展的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括巡視檢查、變形觀測(cè)、滲流觀測(cè)、庫區(qū)泥沙淤積測(cè)量。巡視檢查包括日常巡視檢查、年度巡視檢查和特別巡視檢查。變形觀測(cè)包括水平位移觀測(cè)、垂直位移觀測(cè)。滲流觀測(cè)包括壩體滲流、壩基滲流、繞壩滲流、滲流量及混凝土揚(yáng)壓力觀測(cè)。

2.1 水庫大壩安全監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀

目前水庫測(cè)壓管水位觀測(cè)主要靠人工觀測(cè)，外業(yè)觀測(cè)環(huán)境惡劣、工作量大。采用導(dǎo)電米繩測(cè)量，手段落后，誤差較大，在大壩壩體穩(wěn)定的條件下，浸潤(rùn)線變化程度很小，沒有精密設(shè)備，無法準(zhǔn)確捕捉其微量變化。且當(dāng)測(cè)壓管水位出現(xiàn)異常時(shí)，因測(cè)壓管水位突變是瞬時(shí)產(chǎn)生的，人工定時(shí)加密觀測(cè)措施，不能準(zhǔn)確測(cè)出測(cè)壓管水位的最高值，給資料分析和判斷帶來困難。

部分早期除險(xiǎn)加固安裝的振弦式滲壓計(jì)實(shí)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，是將滲壓計(jì)封在管內(nèi)，浸潤(rùn)線出現(xiàn)問題時(shí)，不能隨時(shí)進(jìn)行人工對(duì)比校核，維修困難，重新布設(shè)人工測(cè)壓管，投入大；數(shù)據(jù)采集傳輸電纜和供電電纜預(yù)埋在壩體內(nèi)，工程量大，破壞壩體，且維修不便；測(cè)壓管分布廣，施工難度大，費(fèi)用高。

2.2 工程巡查手段落后

目前開展工程巡查主要是巡查人員通過眼看、耳聽、手摸、鼻嗅、腳踩等直觀方法，輔以錘、釬、鋼卷尺、放大鏡等簡(jiǎn)單工具器材，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行查看。因水庫庫區(qū)及工程區(qū)線長(zhǎng)面廣、工程管護(hù)范圍大，水庫日常巡查（包括工程巡查、安保巡查、水政巡查等）任務(wù)繁重；巡查手段落后，人工巡查只能對(duì)水面以上及人員能到達(dá)的部位進(jìn)行巡查，建筑物水下部分、壩體內(nèi)部變形及滲流破壞情況及人員難以到達(dá)的巡查危險(xiǎn)的部位等無法進(jìn)行巡查，往往這些部位是容易形成安全隱患的部位，存在巡查盲區(qū)且信息化手段比較落后；長(zhǎng)期運(yùn)用，不具備檢查條件的部位，只能根據(jù)運(yùn)行情況判斷是否存在隱患，不能直觀的檢查到，隱患發(fā)展情況不能及時(shí)掌握，突發(fā)事件風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警能力薄弱；檢查問題部位不能準(zhǔn)確的勘測(cè)、計(jì)量、定位和判斷，工作效率和準(zhǔn)確性低；測(cè)量工作簡(jiǎn)單，雨后，滲水來自壩體、雨水還是地表匯聚水無法判斷。

3 提高監(jiān)測(cè)手段建議

3.1 采用一體化自動(dòng)化測(cè)壓管

按照“施工方法簡(jiǎn)便，便于自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集和人工比對(duì)”的原則，建議安裝一體化自動(dòng)化測(cè)壓管。本系統(tǒng)由水位傳感器（投入式滲壓計(jì)）、采集設(shè)備（智能采集模塊）、無線通信模塊（GPRS）、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、單點(diǎn)數(shù)據(jù)采集管理軟件（V1.0）等組成。水位監(jiān)測(cè)站將采集的水位信息由無線通信模塊GPRS，通過移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)傳送到裝有單點(diǎn)數(shù)據(jù)采集管理軟件的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，用戶通過訪問數(shù)據(jù)庫服務(wù)器下載數(shù)據(jù)、通過軟件客戶端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、管理、繪圖、輸出等操作。

采用一體化自動(dòng)測(cè)壓管實(shí)現(xiàn)定時(shí)觀測(cè)，定時(shí)采集，提供最全面的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，能有效解決工作環(huán)境惡劣、工作量大等問題，提高工作效率；充分利用舊測(cè)壓管，將滲壓計(jì)固定好，便于進(jìn)行人工對(duì)比校核；智能采集模塊將測(cè)量、傳輸、供電功能集成在模塊內(nèi)，傳輸距離無限，可實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)和群點(diǎn)的任意組合；通訊方式采用無線方式的移動(dòng)GPRS通信，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，減少施工成本及工作量；測(cè)量數(shù)據(jù)直接傳輸給計(jì)算機(jī)，系統(tǒng)組網(wǎng)簡(jiǎn)便快捷經(jīng)濟(jì)；適用于崗南水庫測(cè)點(diǎn)比較分散的地方。

3.2 建立工程區(qū)視頻全覆蓋

工程區(qū)視頻監(jiān)控全覆蓋，可以實(shí)時(shí)掌握水庫運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)水庫24小時(shí)全天候、全方位管理模式?？梢詫?shí)現(xiàn)的主要功能包括：一是在運(yùn)行管理方面，通過采用高清或超高清攝像頭，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸監(jiān)控區(qū)域高清視頻，通過應(yīng)用監(jiān)控分析軟件，可實(shí)時(shí)監(jiān)控大壩、溢洪道、輸泄水洞等擋水、輸泄水建筑物的運(yùn)行情況、水面漂浮物情況、工程設(shè)施偷盜破壞情況，水事違法情況、庫區(qū)人員、車輛、牲畜等入侵情況，手機(jī)等無線設(shè)備安裝對(duì)應(yīng)的App后，實(shí)現(xiàn)手機(jī)等無線設(shè)備實(shí)時(shí)查看，并實(shí)現(xiàn)異常情況報(bào)警功能，向預(yù)設(shè)手機(jī)發(fā)送預(yù)警信息，并可以根據(jù)需要將視頻實(shí)時(shí)傳輸至手機(jī)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理。還可在攝像頭附近配備音頻系統(tǒng)，對(duì)違法車輛、人員發(fā)出警告，及時(shí)驅(qū)離。二是在汛期，還可與防汛會(huì)商大屏系統(tǒng)連接，便于防汛會(huì)商時(shí)實(shí)時(shí)查看水情、工情，便于指揮決策。且遇大洪水、大暴雨等惡劣天氣，人工上壩查險(xiǎn)風(fēng)險(xiǎn)較大，視頻監(jiān)控作用更為突出。三是采用視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可以克服工作時(shí)間、空間限制，實(shí)現(xiàn)節(jié)假日和夜間監(jiān)控全覆蓋。由于崗南水庫面積較大，對(duì)監(jiān)控尚難覆蓋的區(qū)域，或監(jiān)控能夠覆蓋，但距離較遠(yuǎn)清晰度較差的區(qū)域，可通過無人機(jī)巡查，通過靜態(tài)攝像頭和動(dòng)態(tài)無人機(jī)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)覆蓋工程區(qū)全方位、立體、實(shí)時(shí)監(jiān)控。四是應(yīng)用監(jiān)控系統(tǒng)與人工結(jié)合，可降低繁瑣的日常工作量，把時(shí)間精力集中到重點(diǎn)問題的解決上，提高工程管理效率。五是監(jiān)控視頻可以作為檔案資料保留，記錄工程運(yùn)行變化情況，為管理者判斷決策提供依據(jù)，記錄違法過程、跟蹤拍攝違法車輛車牌號(hào)等信息，為水政執(zhí)法和安保管理提供支撐，也可為今后水庫封閉管理、智能管理提供基礎(chǔ)設(shè)施和建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。

3.3 壩體物探技術(shù)應(yīng)用

地質(zhì)雷達(dá)法是一種采用窄脈沖寬帶高頻電磁波信#探測(cè)地下介質(zhì)分布的技術(shù)方法，具有快速、無損、連續(xù)探測(cè)和實(shí)時(shí)顯示的特點(diǎn)。

地質(zhì)雷達(dá)法通過天線連續(xù)拖動(dòng)的方式向地下發(fā)射高頻電磁波，電磁波信號(hào)在物體內(nèi)部傳播時(shí)遇到存在電性差異（如介電常數(shù)差異）的介質(zhì)界面時(shí)，發(fā)生反射、透射和折射。界面兩側(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)差異越大，反射的電磁波能量也越大，反射的電磁波被與發(fā)射天線同步移動(dòng)的接收天線接收后，通過雷達(dá)主機(jī)精確記錄反射回的電磁波的雙程走時(shí)、振幅與相位等運(yùn)動(dòng)特征，獲得地下介質(zhì)的斷面掃描雷達(dá)圖像，通過對(duì)雷達(dá)圖像進(jìn)行處理和圖像解譯，達(dá)到識(shí)別地下目標(biāo)物的目的，

通過地質(zhì)雷達(dá)法檢測(cè)，可以查明壩體密實(shí)程度、土質(zhì)疏松部位、富水部位、可能的滲漏水位置，對(duì)水庫壩體、庫區(qū)周圍可能存在的沉降變形、滲流隱患的區(qū)域進(jìn)行探測(cè)，為崗南水庫的安全運(yùn)營(yíng)、養(yǎng)護(hù)維修提供參考依據(jù)，保障水庫安全。

3.4 水下機(jī)器人的應(yīng)用

水庫運(yùn)行60多年，水庫大壩和建筑物不同程度存在著損壞、老化，水下部分的安全檢查離不開探測(cè)和水下作業(yè)。潛水員只能用肉眼進(jìn)行觀察，僅靠口頭描述無法準(zhǔn)確判別工程傷情，不能將水下發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)傳輸?shù)經(jīng)Q策者手中，且水下作業(yè)條件、工具及潛水員經(jīng)驗(yàn)不足，致使無法進(jìn)行水下探傷和水下修復(fù)，人工水下作業(yè)受限。且水下環(huán)境惡劣危險(xiǎn)，尤其是發(fā)生暴雨洪水時(shí)，人工水下作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)較高。鑒于以上原因，引進(jìn)水下機(jī)器人進(jìn)行巡視和探測(cè)是必要的。

隨著科技的進(jìn)步，水下機(jī)器人越來越接近我們的工作和生活。目前，水下機(jī)器人配備有先進(jìn)的導(dǎo)航、定位、推進(jìn)和控制等設(shè)備，因而可以準(zhǔn)確的到達(dá)預(yù)定的位置，最重要的，它可以到達(dá)潛水員無法到達(dá)的深度，替代潛水員，水下的危險(xiǎn)環(huán)境不會(huì)危及人的生命安全，操作人員只要在水面進(jìn)行操作就可以了。

通過水下機(jī)器人遙控操作，可實(shí)現(xiàn)水下全方位掃描檢測(cè)，重點(diǎn)部位可以“駐足”觀測(cè)，不僅可以快速檢測(cè)到大壩的整體情況，而且可以仔細(xì)檢查局部病變的細(xì)節(jié)。機(jī)器人上搭載的的水下攝像機(jī)進(jìn)行大壩表面狀態(tài)如破損、裂縫等檢測(cè)，并用激光尺度儀對(duì)破損尺度進(jìn)行評(píng)估；用高分辨率圖像聲吶對(duì)堤壩表面進(jìn)行三維測(cè)量；用剖面聲吶對(duì)大壩內(nèi)部進(jìn)行三維檢測(cè)；機(jī)器人載體攜帶上述探測(cè)儀器進(jìn)行思維運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)大壩的全覆蓋掃描檢測(cè)，準(zhǔn)確分析大壩、水工建筑物結(jié)構(gòu)好壞情況。

3.5 專業(yè)檢測(cè)工程的應(yīng)用

為加強(qiáng)工程巡視檢查技術(shù)工作，應(yīng)為巡查人員配備專業(yè)的定位、測(cè)量等設(shè)備，以準(zhǔn)確描述發(fā)現(xiàn)的問題位置、工程量及計(jì)量特征（如滲漏水量及水溫）。手持GPS指全球移動(dòng)定位系統(tǒng)，是以移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)為支撐、以GPS智能手機(jī)為終端的GIS系統(tǒng)，主要功能為定位、導(dǎo)航和測(cè)面積。測(cè)距儀是一種測(cè)量長(zhǎng)度或者距離的工具，同時(shí)可以和測(cè)角設(shè)備或模塊結(jié)合測(cè)量出角度，面積等參數(shù)。測(cè)溫儀，是溫度計(jì)的一種，用紅外線傳輸數(shù)字的原理來感應(yīng)物體表面溫度，操作比較方便。以上工具操作簡(jiǎn)單、測(cè)量準(zhǔn)確、便于攜帶，人工巡查所必需的。

輸水洞、泄洪洞是水庫防洪、輸水的重要建筑物，對(duì)其進(jìn)行巡查需在無水情況下進(jìn)行，且閘門漏水現(xiàn)象嚴(yán)重，地下洞室黑暗且無任何信號(hào)，長(zhǎng)期運(yùn)行，地下洞室工程情況未知，給進(jìn)入洞室的檢查的人員帶來安全隱患，我們將繼續(xù)研本領(lǐng)域或其他領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，并與科研院所交流，探索地下洞室的檢查手段，提高工程巡查技術(shù)水平，為水庫安全運(yùn)行提供保障，為領(lǐng)導(dǎo)決策提供依據(jù)。