渠道凍脹參量自動化監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用
——以甘肅景電二期工程為例

李曉洋

（甘肅省水利廳信息中心，730000，蘭州）

甘肅省景電二期工程地處北方季節(jié)性凍土區(qū)，輸水總干渠全長100 km，是景電二期灌區(qū)的骨干性輸水主干線，在保障灌區(qū)供水安全、承擔(dān)工程輸水任務(wù)、確保工程效益得到正常發(fā)揮方面具有非常重要的地位和作用。景電灌區(qū)輸水干渠沿線土質(zhì)主要為強(qiáng)凍脹性土，一旦遇水極易崩解，土體物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生顯著改變，加之在基土凍脹與消融的持續(xù)作用下渠道斷面失穩(wěn)變形，常常發(fā)生嚴(yán)重的襯砌結(jié)構(gòu)凍脹破壞以及邊坡土體消融滑塌現(xiàn)象。研究集成先進(jìn)的信息化監(jiān)測技術(shù)手段，測量渠道凍脹過程水分、溫度與凍脹量關(guān)系，認(rèn)識并掌握凍脹規(guī)律，有針對性制定防凍脹措施，優(yōu)化渠道防凍脹襯砌結(jié)構(gòu)，是灌區(qū)建設(shè)與管理的關(guān)鍵性技術(shù)問題。

一、渠道凍脹自動化監(jiān)測概述

渠道基土是否會發(fā)生凍脹現(xiàn)象主要取決于三個基本條件，即基土負(fù)溫、土壤顆粒組成、一定的含水量。這三個條件必須同時具備，缺一不可，互為前提條件，相互聯(lián)系且相互影響。在生產(chǎn)實(shí)踐中，如果能夠設(shè)法減少或削弱其中任一因素，都會產(chǎn)生防止或減緩凍脹的實(shí)效。

對于襯砌渠道，其凍脹變形及襯砌體發(fā)生破壞的物理力學(xué)變化過程十分復(fù)雜，不僅有渠道基土凍脹，還涉及基土在凍脹過程中與襯砌結(jié)構(gòu)的相互作用。準(zhǔn)確識別在凍脹過程中的各種環(huán)境因素、基土與襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變及變形規(guī)律，有助于人們正確認(rèn)識襯砌渠道的凍脹機(jī)理和襯砌體破壞原因，進(jìn)而正確地進(jìn)行渠道抗凍脹工程設(shè)計(jì)和襯砌結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

選取地下水位較高且凍脹強(qiáng)烈的景電二期總干渠蘭化渠段作為監(jiān)測對象，在該段已改造完成的渠道設(shè)立監(jiān)測斷面?？蓪?shí)時準(zhǔn)確地掌握該段渠道的基土與襯砌體溫度、水分、凍脹量等凍脹參量，研究渠道變形產(chǎn)生的原因和發(fā)展趨勢，從而驗(yàn)證防凍脹措施合理性與可靠性，并根據(jù)渠道凍脹、運(yùn)行情況采取精準(zhǔn)保護(hù)措施。

二、渠道凍脹自動化監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.渠道凍脹監(jiān)測項(xiàng)目

根據(jù)景電灌區(qū)渠道凍脹研究需要，主要監(jiān)測項(xiàng)目有：凍土溫度監(jiān)測、土壤含水量監(jiān)測、凍脹位移監(jiān)測、地下水位監(jiān)測。

工程實(shí)際應(yīng)用中，按所在地域渠道凍脹研究現(xiàn)實(shí)需要，還可以增設(shè)必要的監(jiān)測項(xiàng)目。

2.渠道凍脹自動化監(jiān)測系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

根據(jù)渠道凍脹現(xiàn)場監(jiān)測需求，設(shè)計(jì)配置自動監(jiān)測系統(tǒng)，為監(jiān)測項(xiàng)目提供實(shí)時測量和數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)不間斷的實(shí)時監(jiān)測和存儲處理。

系統(tǒng)基本功能：①依據(jù)渠道凍脹研究需求和設(shè)計(jì)的監(jiān)測參量，在符合特定的工作環(huán)境要求的新型監(jiān)測器件中，選配監(jiān)測項(xiàng)目所需的各種傳感器和附屬設(shè)備；②配備渠道凍脹遠(yuǎn)程監(jiān)測支持系統(tǒng)、現(xiàn)場供電電源、傳輸線路及端口、防雷保護(hù)設(shè)施等。滿足渠道凍脹監(jiān)測環(huán)境要求，保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、可靠性，采取有效措施，盡可能地減少傳輸信號受到外界干擾；③渠道凍脹監(jiān)測各個參量經(jīng)由無線信號傳輸?shù)姆绞浇邮盏奖O(jiān)測中心；④通過渠道凍脹監(jiān)測軟件，對現(xiàn)場實(shí)時監(jiān)測的渠道各測點(diǎn)數(shù)據(jù)參量進(jìn)行存儲和數(shù)據(jù)處理。

三、渠道凍脹自動化監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

渠道凍脹監(jiān)測系統(tǒng)主要由現(xiàn)場埋設(shè)不同種類的監(jiān)測傳感器、設(shè)計(jì)開發(fā)的渠道凍脹遠(yuǎn)程監(jiān)測單元與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、后方數(shù)據(jù)存儲處理與分析系統(tǒng)三部分組成。

1.凍脹監(jiān)測傳感器

土壤溫度傳感器：采用埋設(shè)單點(diǎn)溫度傳感器方式對渠基土實(shí)時監(jiān)測。

土壤水分傳感器：在渠基分層均勻布置土壤水分傳感器，以達(dá)到能夠?qū)崟r監(jiān)測不同位置、不同深度土壤含水量目的。本次監(jiān)測選定FDR型土壤水分傳感器。

土壤液位傳感器：采用埋設(shè)土壤液位傳感器的方式監(jiān)測地下水位。

凍脹位移傳感器：凍脹位移監(jiān)測采用分層凍脹監(jiān)測方案，便于準(zhǔn)確掌握不同深度的凍脹量。為實(shí)現(xiàn)凍脹位移實(shí)時監(jiān)測，采用在渠基土體內(nèi)分層埋設(shè)位移傳感器方式進(jìn)行監(jiān)測。

2.遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)

渠道凍脹遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)主要由前端傳感器、現(xiàn)場監(jiān)測供電系統(tǒng)、監(jiān)測數(shù)據(jù)通信接口、系統(tǒng)防雷保護(hù)器件、現(xiàn)場防護(hù)機(jī)箱等組成。渠道現(xiàn)場埋設(shè)的不同類型的傳感器監(jiān)測信號線，分項(xiàng)依次接入到數(shù)據(jù)輸入模塊中，監(jiān)測信號經(jīng)過防雷保護(hù)模塊后，進(jìn)入傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)采集通道，再經(jīng)無線傳送接收處理系統(tǒng)連接后，方可進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)存儲與處理。

3.無線傳輸系統(tǒng)

由于本監(jiān)測項(xiàng)目測點(diǎn)與監(jiān)測中心距離遠(yuǎn)，采用無線傳輸系統(tǒng)進(jìn)行信號傳送與接收。無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要依賴數(shù)據(jù)傳送處理模塊，通過無線GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳送通信，將實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)測中心固定端電腦或服務(wù)器上接收處理。

4.前端監(jiān)測電源系統(tǒng)

可選擇現(xiàn)地電源就近接線供電和太陽能供電兩種供電方式：如現(xiàn)場有電源，直接可連接到監(jiān)測系統(tǒng)中，通過直流轉(zhuǎn)換電源，提供監(jiān)測傳感器和遠(yuǎn)程監(jiān)測單元主機(jī)供電；如現(xiàn)場沒有電源，可采用太陽能供電系統(tǒng)。各傳感器的電纜延長線采用標(biāo)準(zhǔn)多芯屏蔽電纜，并由鋼管護(hù)管保護(hù)，連接到機(jī)箱。需考慮防雷接地保護(hù)。

5.監(jiān)測設(shè)備機(jī)箱

考慮到本監(jiān)測項(xiàng)目超低溫惡劣環(huán)境，在該監(jiān)測斷面穩(wěn)固干燥處布設(shè)1個固定監(jiān)測機(jī)箱，用于安放監(jiān)測采集單元、傳輸設(shè)備、供電設(shè)備及電池等。

四、監(jiān)測設(shè)備布設(shè)及安裝

按監(jiān)測設(shè)計(jì)方案及安裝規(guī)程要求，在渠道表面進(jìn)行鉆孔后，依次布設(shè)安裝溫度傳感器、土壤液位傳感器、土壤水分傳感器和凍脹位移傳感器。為測得渠基土的沉降過程，本次監(jiān)測放置了分層凍脹位移傳感器。水分傳感器間隔按設(shè)計(jì)方案放置，以便連續(xù)測量設(shè)計(jì)深度內(nèi)的水分場。土體較深位置溫度變化幅度小，所以傳感器布置間距上密下疏。渠基土內(nèi)傳感器布置方案見圖1。

1.溫度傳感器布設(shè)

溫度監(jiān)測共設(shè)4組埋設(shè)鉆孔，每孔深度為4 m，孔內(nèi)以50 cm等間距布置9個溫度傳感器。為固定傳感器相對位置不變，需要將溫度探頭連接成串并套入直徑20 mm的PVC管中，最后放入溫度孔。

2.土壤水分傳感器布設(shè)

水分傳感器按監(jiān)測設(shè)計(jì)方案布設(shè)在一定深度渠床范圍內(nèi)。水分傳感器安裝要符合安裝規(guī)程要求，達(dá)到與土體緊密接觸，采用先固定后填充原狀土的安裝形式。

3.液位傳感器布設(shè)

水位測量點(diǎn)選渠底和渠頂。液位傳感器安裝時，為了防止泥沙堵塞監(jiān)測孔，鉆好觀測孔后，放入底部帶堵頭的PPR管，管長4 m，直徑110 mm，管身靠近底部1 m長度內(nèi)按梅花狀鉆孔，再用無紡布和鐵絲網(wǎng)包裹。放入PPR管后，將管外壁周圍空隙用原狀土填實(shí)，放入液位傳感器。

4.凍脹位移傳感器布設(shè)

鉆孔到設(shè)計(jì)深度后，先放入帶防凍結(jié)套筒的延長測桿使測桿底部法蘭底座與孔底土體平面接觸，并回填原狀土后壓實(shí)，露出延長桿頭部；最后將帶套筒的位移傳感器對準(zhǔn)頭部套入延長桿，頂部法蘭盤固定于襯砌板下部土體。

五、系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)踐

監(jiān)測系統(tǒng)自2017年1月至2020年5月持續(xù)對渠道典型斷面溫度場、水分場、位移場數(shù)據(jù)進(jìn)行全程監(jiān)測。通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，準(zhǔn)確掌握該襯砌渠道在整個凍脹周期及接續(xù)年份變化規(guī)律，同時對襯砌結(jié)構(gòu)抗凍脹性能及技術(shù)特性做出準(zhǔn)確評價。

圖1 傳感器布置方案示意圖

監(jiān)測表明：①受太陽輻射和坡向因子的影響，景電灌區(qū)渠道陰坡和陽坡的凍結(jié)深度和凍脹量呈非對稱性，一般陽坡低于陰坡，所以在渠道陰坡重點(diǎn)采取防凍脹措施；②在渠道主要凍融期1—3月，渠道陰坡1/2處與陽坡1/2處是含水率變化峰值點(diǎn)，渠道底部因積水、回歸水、地下水位高等因素含水率更高，應(yīng)重點(diǎn)觀測渠道1/2坡處和渠道底部的凍脹因子，尤其是陰坡面；③地下水位高、春季農(nóng)田灌溉回歸水、渠基土土質(zhì)等都是導(dǎo)致渠基土含水率增高而產(chǎn)生凍脹破壞的主要因素，因此可根據(jù)渠道所處的周邊環(huán)境，針對性采取防凍脹措施。為控制工程量，當(dāng)凍結(jié)深度較大時，采取換填2/3凍結(jié)深度的渠基土，同時配合良好的排水和防滲措施，可顯著改善渠道防凍效果。

景電工程總干渠凍脹自動化監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用為渠道凍脹科學(xué)研究工作提供了重要手段，也為同類工程信息化監(jiān)測提供了經(jīng)驗(yàn)借鑒。 ■