平原河道節(jié)制閘數(shù)字化監(jiān)測問題探討

◎ 宋秋英 齊河縣水利局

1.平原河道節(jié)制閘研究現(xiàn)狀

建國以來，我國已設(shè)計(jì)、制造各式閘門上萬座，閘門面積由50年代的20m2發(fā)展至今達(dá)300m2，設(shè)計(jì)水頭有25m提高到120m左右；總水壓力由1000噸（表孔閘門）和2000噸（深孔閘門）分別提高到3000噸和6000噸；閘門止水由一道P型止水發(fā)展至兩道P型止水、充壓止水、變形止水等。我國水利工作者在大江大河和重要水利樞紐工程中的閘門研究已積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

近二三十年來，由于氣候變化，降雨量減少，再加上工農(nóng)業(yè)用水量逐年增加，使得北方地區(qū)大部分河道上攔、截、蓄水建筑物處于閑置狀態(tài)，常年失修，造成鋼筋混凝土老化破損嚴(yán)重，鋼閘門大面積銹蝕和大撓度彎曲變形；有些地區(qū)因工業(yè)污水排放，河道污水中有害離子增多，使得鋼閘門等金屬構(gòu)件銹蝕老化速度加快。這些問題已成為平原河道上水工建筑物普遍存在的問題。

2.平原河道節(jié)制閘存在的主要問題

國內(nèi)對平原河道水閘的研究工作存在著嚴(yán)重滯后現(xiàn)象，隨著時(shí)代的發(fā)展，在這一領(lǐng)域存在的某些問題越來越突出。

（1）節(jié)制閘建筑物混凝土鋪蓋出現(xiàn)貫穿性裂縫，威脅工程安全；閘墩混凝土特別是水位變化區(qū)內(nèi)閘墩混凝土凍融損害嚴(yán)重，混凝土剝落面積大。（2）閘門銹蝕嚴(yán)重，承力構(gòu)件變?。怀辛Σ蛔?，導(dǎo)致各閘門不同程度地產(chǎn)生嚴(yán)重變形，造成漏水及啟閉困難；啟閉機(jī)及電氣設(shè)備老化，啟閉不靈活；大多啟閉機(jī)帶病運(yùn)行，啟閉時(shí)機(jī)器噪音大，運(yùn)轉(zhuǎn)不靈；大部分油絲繩老化、銹蝕，有斷絲現(xiàn)象。變壓器至節(jié)制閘的低壓輸電線路老化嚴(yán)重，已對行洪除澇安全造成威脅。（3）下游消能設(shè)施損壞嚴(yán)重。（4）閘后交通橋設(shè)計(jì)承載能力低，已不能適應(yīng)現(xiàn)代化交通需要。（5）滲壓、沉陷、位移等觀測設(shè)施失效或缺失。（6）原設(shè)計(jì)未考慮地震荷載。（7）水閘的監(jiān)測儀器設(shè)備老化、監(jiān)測手段落后，監(jiān)測數(shù)據(jù)處理技術(shù)落后等。

3.節(jié)制閘病害及檢測

平原河道節(jié)制閘閘門是水工建筑物的重要組成部分之一，平面鋼閘門是節(jié)制閘閘門常見形式之一，平面鋼閘門結(jié)構(gòu)形式簡單，啟閉靈活，但有著易銹蝕的缺點(diǎn)，在閘孔寬度較大，上游水位較高的條件下啟閉鋼閘門還容易造成鋼閘門變形等問題。閘門在啟閉過程中或閘門在局部開啟的情況下工作時(shí)，水處于流動(dòng)狀態(tài)而產(chǎn)生動(dòng)水壓力作用在閘門上。脈動(dòng)水壓力有時(shí)會引起強(qiáng)烈振動(dòng)，是造成閘門或閘墩破壞的主要原因之一。對閘門進(jìn)行數(shù)字化、可視化監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)河道攔、蓄、泄水調(diào)度的自動(dòng)化是解決這一問題的根本途徑之一。

在全面檢測和重新評價(jià)平原河道節(jié)制閘病害及其損害程度的基礎(chǔ)上，對主要構(gòu)件特別是鋼閘門進(jìn)行更換或采用新技術(shù)進(jìn)行維修，并最終建立完善的數(shù)字化監(jiān)測與調(diào)度系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行管理的自動(dòng)化控制和信息反饋。

（1）平面鋼閘門安全檢測。外觀形態(tài)檢測，包括外形尺寸、損傷、變形、銹蝕檢測；平面鋼閘門啟閉時(shí)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力變形測試。

（2）銹蝕厚度檢測。對閘門各主要銹蝕構(gòu)件進(jìn)行銹蝕厚度檢測，采用的儀器有：CTS-30袖珍數(shù)字式測厚儀、CTG-10涂層厚度測定儀。

（3）無損探傷。檢查閘門的主要受力焊縫是否有疲勞裂紋，意外事故引起的裂紋等缺陷，對主要受力焊縫采用水平定位法和深度定位法進(jìn)行超聲波探傷。采用的儀器有：ST-88 頻率探測儀。

（4）閘門結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形檢測。采用XL3403G型靜態(tài)應(yīng)變測量系統(tǒng)：主要由箔式電阻應(yīng)變片、XL2101電阻應(yīng)變儀和微機(jī)三個(gè)硬件部分和支持軟件組成。

（5）啟門力檢測。

4.信息化監(jiān)測管理系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)功能

“平原河道節(jié)制閘信息化監(jiān)測管理系統(tǒng)”（以下簡稱“信息系統(tǒng)”）將平原河道的閘門、啟閉機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)、強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果、運(yùn)行觀測記錄及安全檢測結(jié)果借助微機(jī)進(jìn)行處理，它包含了如下資料數(shù)據(jù)：節(jié)制閘的鋼閘門、閘室、閘墩、閘底板等部件的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；輸水、泄水、攔污等功能基本參數(shù)；河道主要建筑物動(dòng)態(tài)運(yùn)行的可視化界面；平面閘門結(jié)構(gòu)校核計(jì)算結(jié)果及可視化應(yīng)力位移圖；啟閉機(jī)電氣設(shè)備、供電系統(tǒng)檢測結(jié)果；平原河道多年水位、氣溫的月數(shù)據(jù)（月最高、最低、平均值）。

“信息系統(tǒng)”具有以下功能：檢索資料目錄；瀏覽工程布置圖動(dòng)態(tài)運(yùn)行狀況；查詢閘門及啟閉機(jī)檔案；查詢供電系統(tǒng)及備用電源信息；管理、查詢閘門、啟閉機(jī)運(yùn)行、維護(hù)與問題處理信息；記錄水庫水位、氣溫變化情況，動(dòng)態(tài)生成曲線；查詢閘門校核計(jì)算結(jié)果及啟閉機(jī)電氣部分安檢結(jié)果；提供平原河道自動(dòng)化調(diào)度數(shù)據(jù)信息。

4.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

（1）數(shù)據(jù)采集與處理：借助數(shù)字化展開采集和處理作業(yè)；能夠?qū)?shù)據(jù)指令進(jìn)行傳輸，還可以實(shí)現(xiàn)圖像瀏覽，并且會對水情數(shù)據(jù)展開有效的收集。從而達(dá)到數(shù)據(jù)通訊：能夠和相關(guān)部門進(jìn)行通信，完成計(jì)算機(jī)和關(guān)聯(lián)設(shè)備的數(shù)據(jù)通信。

（2）在事故報(bào)警方面：當(dāng)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，能夠展開實(shí)時(shí)監(jiān)視作業(yè)，對出現(xiàn)的事故展開記錄存檔。

（3）在控制和調(diào)節(jié)方面：通常是7孔節(jié)制孔閘門，還有戶內(nèi)變電所的電氣設(shè)備。小水電控制單元在小水電控制屏完成，并與監(jiān)控主機(jī)相連接。根據(jù)上下游水位、流量關(guān)系曲線，自動(dòng)控制閘門開高；根據(jù)上下游水位、自動(dòng)限流、限水位控制；實(shí)現(xiàn)節(jié)制閘設(shè)備的自動(dòng)控制，滿足“無人值班，少人值守”的要求。實(shí)現(xiàn)控制室內(nèi)集中數(shù)據(jù)顯示、分析、處理；實(shí)現(xiàn)集中和分散控制。

4.3 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在結(jié)構(gòu)方面，只要使用分層結(jié)構(gòu)，主題架構(gòu)是遠(yuǎn)方、站控室、現(xiàn)地3級，而在控制權(quán)方面則是保持一致。

（1）在遠(yuǎn)控級設(shè)方面，主要在平原河道站里，借助光纖實(shí)現(xiàn)和節(jié)制閘控制系統(tǒng)的有效連接，從而展開信息采集工作，并完成調(diào)度指令的上傳下達(dá)，而在必要的時(shí)候則是要展開遠(yuǎn)程控制，而且需要注意的是，還能夠?qū)﹂l門等相關(guān)設(shè)施的具體情況傳輸至遠(yuǎn)控級。以現(xiàn)地監(jiān)控而言，能夠和監(jiān)控工作站實(shí)現(xiàn)連接，主要借助以太網(wǎng)展開。

（2）而在站控級方面，主要設(shè)置在節(jié)制閘控制室里，借助網(wǎng)絡(luò)對節(jié)制閘方面的及時(shí)信息展開有效的傳送，傳輸至遠(yuǎn)方。借助監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，從而和現(xiàn)地控制級打造有效的通信，而且借助工作站的監(jiān)測，能夠?qū)ΡO(jiān)控界面展開掌握，進(jìn)而可以得到設(shè)施設(shè)備的詳細(xì)情況，以及所需要的具體參數(shù)。

（3）而以現(xiàn)地控制級而言，其為系統(tǒng)最后一級，同時(shí)亦為最被重視的一級控制，其能夠向下接收不同的信息，實(shí)現(xiàn)對設(shè)施整體參數(shù)的有效收集整合；而向上則是能夠?qū)崿F(xiàn)上級命令的接受，需要注意的是，也能夠?qū)崿F(xiàn)信息在第一時(shí)間的上傳。

4.4 平原河道節(jié)制閘計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)功能

（1）監(jiān)控工作站。所謂的監(jiān)控主機(jī)，通常為監(jiān)控上位機(jī)。它的主要作用為：能夠?qū)崿F(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能，并和調(diào)度系統(tǒng)中心進(jìn)行有效的聯(lián)網(wǎng)，借助網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)調(diào)度的接受，而相關(guān)的調(diào)度指令往往會存有密碼，亦能夠向上發(fā)送相關(guān)的資信。

（2）而在現(xiàn)地控制單元方面。通常由控制單元LCU等構(gòu)成。而對控制閘門運(yùn)行而言，控制單元為級別最高、最為關(guān)鍵的自動(dòng)控制單元，如若監(jiān)控主機(jī)發(fā)生問題的話，亦或者為出現(xiàn)監(jiān)控脫離的情況，其亦可以很好地保障閘門運(yùn)轉(zhuǎn)，以及實(shí)現(xiàn)程序控制等。在現(xiàn)地控制單元層面，主要借助太網(wǎng)方式展開，借由交換機(jī)開展和監(jiān)控主機(jī)的有效通訊，且接受上級所下發(fā)的指令，并且還可以傳輸不同設(shè)施的具體情況以及收集的信息。

5.意義

建立系統(tǒng)完善的監(jiān)測體系，對節(jié)制閘進(jìn)行長時(shí)間的運(yùn)行監(jiān)測，為信息化管理系統(tǒng)的建立獲取大量數(shù)據(jù)。借助信息化管理技術(shù)對所有基礎(chǔ)資料及數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化處理，達(dá)并借助現(xiàn)代通訊手段傳輸?shù)街醒肟刂剖?，達(dá)到管理自動(dòng)化調(diào)度及時(shí)有效的目的。對平面鋼閘門實(shí)施全過程的運(yùn)行監(jiān)測，給出平原河道節(jié)制閘調(diào)度及安全運(yùn)行信息化、數(shù)字化技術(shù)方案。結(jié)合金屬結(jié)構(gòu)銹蝕研究的最新成果，通過大量現(xiàn)場及室內(nèi)試驗(yàn)，給出經(jīng)濟(jì)上合理、技術(shù)上可行的平面鋼閘門維修加固技術(shù)方案，給節(jié)制閘的安全運(yùn)行提供技術(shù)支撐。