高寒地區(qū)引調(diào)水工程安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

相 楠

(遼寧西北供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110003)

1 研究背景

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，我國水資源形勢發(fā)生深刻變化，水安全狀況日趨嚴(yán)峻，水利的內(nèi)涵不斷豐富，水利對(duì)全局的影響更為重大，地位更加凸顯。為解決我國水資源時(shí)空分布不均和城市、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生態(tài)缺水等問題，各地開展了一系列引調(diào)水工程，如南水北調(diào)工程[1]、引黃工程、引漢濟(jì)渭、引江濟(jì)淮、引大濟(jì)湟、滇池補(bǔ)水工程以及各省市內(nèi)的調(diào)水工程。調(diào)水工程的結(jié)構(gòu)形式大致可以分為明渠、渡槽、管道和隧洞等，其安全監(jiān)測的內(nèi)容也有較大差異。本文以高寒地區(qū)的管道和隧洞調(diào)水工程為研究對(duì)象，討論其安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括設(shè)計(jì)原則、監(jiān)測項(xiàng)目、設(shè)備防寒措施、監(jiān)測效果等。

2 高寒地區(qū)管道調(diào)水工程安全監(jiān)測特點(diǎn)

高寒地區(qū)自然條件惡劣，給安全監(jiān)測工程也提出了更高的要求。相對(duì)于大壩和水庫安全監(jiān)測，高寒地區(qū)管道調(diào)水工程安全監(jiān)測特點(diǎn)主要有幾個(gè)方面：

(1)工程線路長，動(dòng)輒十幾公里甚至上百公里，監(jiān)測點(diǎn)布置分散。

(2)隧洞部分距離長、無線信號(hào)差，監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸難度大。

(3)野外環(huán)境下，監(jiān)測設(shè)備維護(hù)難，必須考慮防盜措施；測點(diǎn)分散，220V常規(guī)供電造價(jià)高。

(4)高寒地區(qū)冬季易遭受極低氣溫，檢修井、氣閥井等構(gòu)筑物布置溫度監(jiān)測，室外的監(jiān)測采集等設(shè)備必須考慮防寒措施。

(5)野外環(huán)境惡劣，考慮設(shè)備防盜，監(jiān)測采集設(shè)備一般選擇置于設(shè)備桿上，空野環(huán)境下電源防雷要求高。

3 安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前調(diào)水工程尚無專門的安全監(jiān)測設(shè)計(jì)規(guī)范以供參考，設(shè)計(jì)階段主要依據(jù)混凝土壩和土石壩監(jiān)測規(guī)范。但監(jiān)測的目的仍以“安全”為主，設(shè)計(jì)遵循“實(shí)用、可靠、先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)”的原則[2]。監(jiān)測設(shè)計(jì)主要根據(jù)工程的運(yùn)行性質(zhì)、地質(zhì)條件和工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過監(jiān)測手段獲取影響工程安全不穩(wěn)定因素的數(shù)據(jù)資料，以此對(duì)工程的工作性態(tài)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，確定其運(yùn)行的安全性。

大壩工程往往從安全監(jiān)測項(xiàng)目出發(fā)，考慮監(jiān)測設(shè)計(jì)；對(duì)于調(diào)水工程而言，其結(jié)構(gòu)形式更多樣，根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)形式設(shè)置監(jiān)測項(xiàng)目更合理。以東北某調(diào)水工程為例，介紹其安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以供參考。工程線路長360余公里，沿線主要由輸水隧洞、壓力管道、連接井、穩(wěn)壓構(gòu)筑物、管道鎮(zhèn)墩和管道排氣閥井等組成。

該工程從監(jiān)測結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)出發(fā)，布置監(jiān)測項(xiàng)目：

(1)隧洞監(jiān)測項(xiàng)目包括內(nèi)外水壓監(jiān)測、結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測、施工縫和結(jié)構(gòu)縫的變形監(jiān)測、溫度監(jiān)測；

(2)管道監(jiān)測項(xiàng)目包括結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測、結(jié)構(gòu)縫變形監(jiān)測、結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測、溫度監(jiān)測；

(3)連接井、穩(wěn)壓構(gòu)筑物水位監(jiān)測；

(4)管道排氣閥井室內(nèi)溫度監(jiān)測。

3.1 隧洞監(jiān)測

(1)設(shè)備選型

調(diào)水工程隧洞長度在幾公里甚至十幾公里范圍，監(jiān)測儀器數(shù)據(jù)傳輸是難點(diǎn)。常規(guī)振弦式和差阻式監(jiān)測儀器傳輸距離在3～5km以內(nèi)，傳輸距離過長數(shù)據(jù)穩(wěn)定性不能得到保證，而且水環(huán)境下長期運(yùn)行儀器損耗較大。光纖式監(jiān)測儀器適應(yīng)十幾公里的信號(hào)傳輸，而且光纖抗干擾能力強(qiáng)、耐腐蝕[3]。光纖式監(jiān)測儀器的穩(wěn)定性不如振弦式和差阻式，而且市場上光纖式傳感器產(chǎn)品良莠不齊。在選擇光纖式監(jiān)測儀器時(shí)，一定要選擇在其他工程應(yīng)用效果好的產(chǎn)品，必須進(jìn)行嚴(yán)格的現(xiàn)場率定，確保每支儀器合格。

(2)施工注意點(diǎn)

常規(guī)振弦式和差阻式監(jiān)測儀器也可以在長距離隧洞里應(yīng)用，信號(hào)電纜可采取就近引入永久檢修洞或打孔上引至山頂，必須注意的是監(jiān)測斷面距離永久檢修洞和山頂?shù)木嚯x不宜超過2km。打孔上引至山頂?shù)姆椒ㄊ┕るy度大，山頂防雷難度大，需慎重考慮。

光纖式傳感器的施工難點(diǎn)是熔接損耗和光纜敷設(shè)損耗的控制。熔纖時(shí)務(wù)必保證環(huán)境的清潔，熔接損耗控制在0.02dB以內(nèi)。光纜易折，敷設(shè)時(shí)控制光纜動(dòng)態(tài)彎曲半徑≤20D，靜態(tài)彎曲半徑≤15D(D為光纜外徑)，建議加管保護(hù)。長距離敷設(shè)時(shí)，2～3km測試一次總通道衰減，要滿足光纖解調(diào)允許值。

3.2 管道和水位監(jiān)測

管道監(jiān)測主要對(duì)其拐彎處的鎮(zhèn)墩進(jìn)行結(jié)構(gòu)監(jiān)測。連接井、穩(wěn)壓構(gòu)筑物主要監(jiān)測水位高程。其監(jiān)測內(nèi)容不同，但傳輸、供電、設(shè)備選型和布置、防雷以及防寒內(nèi)容一致。

3.2.1傳輸方式選擇

工程線路動(dòng)輒十幾公里甚至上百公里，監(jiān)測點(diǎn)布置分散，采用有線傳輸?shù)某杀咎撸液笃诰S護(hù)和更換不便。隨著無線傳輸技術(shù)的成熟，目前主要采用無線方式進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸，比如GPRS、4G、GSM等。在選擇無線傳輸方式前，需對(duì)監(jiān)測區(qū)域無線信號(hào)進(jìn)行測評(píng)，部分山區(qū)和偏遠(yuǎn)區(qū)域GPRS信號(hào)差，而且GPRS信號(hào)穿透能力不足。如今移動(dòng)無線信號(hào)發(fā)展很快，4G覆蓋率很高，信號(hào)穿透力相對(duì)較好，可以嘗試4G的通訊方式。

3.2.2供電系統(tǒng)

調(diào)水工程線路長、測點(diǎn)分散，集中供電成本高。工程一般采用低功耗采集設(shè)備，因此可選擇太陽能系統(tǒng)供電，并配置蓄電池單元。為避免陰雨和冬季雪層覆蓋的情況，蓄電池功率在電源中斷時(shí)需保證安全監(jiān)測正常運(yùn)行7天以上。

3.2.3設(shè)備選型和布置

鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)監(jiān)測儀器建議選擇振弦式，巡測的時(shí)間短，較之差阻式在野外環(huán)境的抗老化能力更好。由于在野外環(huán)境，監(jiān)測設(shè)備盡量布置在線桿上，安裝高度超過3.5m，可減少人為破壞和偷盜。

3.2.4防雷系統(tǒng)

采集站系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)按設(shè)備類型、運(yùn)行及接地方式、安裝地點(diǎn)環(huán)境條件等因素合理制定防雷措施。系統(tǒng)防雷應(yīng)從外部設(shè)備開始，至電源及信號(hào)設(shè)備受電端子，采用分級(jí)防護(hù)，并與建筑物的防雷、接地及通信系統(tǒng)兼容協(xié)調(diào)配合。監(jiān)測設(shè)備的工作接地、保護(hù)接地、防雷接地共同合用一組接地體的聯(lián)合接地方式。

(1)接地網(wǎng)

野外采集站在各自現(xiàn)地自建接地網(wǎng)，接地極采用銅包鋼接地極建造，并采取降低電阻的措施如化學(xué)降阻劑等。接地體頂面的埋設(shè)深度不小于冰凍層深度，接地連接必須采用焊接方式，并做好防腐處理。野外采集站接地電阻均不大于10Ω。

(2)電源、通信口系統(tǒng)防雷

設(shè)備桿塔應(yīng)設(shè)置電源防雷和通訊防雷設(shè)施，安裝避雷器及接地設(shè)備，桿塔上的監(jiān)測設(shè)備箱、太陽能電池?zé)粼O(shè)備應(yīng)在避雷針的保護(hù)范圍內(nèi)。野外采集站電源、通訊線路抗8/20μs雷電沖擊。

(3)傳感器防雷

對(duì)于來自振弦式傳感器電纜引線上感應(yīng)的雷擊影響，在數(shù)據(jù)采集箱中對(duì)接入野外監(jiān)測儀器的各數(shù)據(jù)采集模塊的測量通道前直接加裝傳感器接口防雷器。傳感器輸入口防雷電感應(yīng)500～1500W。

3.2.5防寒措施

目前國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中對(duì)電氣設(shè)備的工作溫度要求一般是不低于-10℃。我國東北和高原地區(qū)冬季易遭受極低氣溫，最低溫低于-30℃，對(duì)采集設(shè)備和供電設(shè)備是一種考驗(yàn)。高寒地區(qū)安全監(jiān)測設(shè)備必須考慮防寒防凍措施。采集和通訊設(shè)備加保護(hù)箱，要求密閉和加熱模塊，應(yīng)對(duì)極低氣溫。電源蓄電池加密封箱埋于防凍層以下。

3.3 管道排氣閥井室溫度監(jiān)測

高寒地區(qū)溫度監(jiān)測是安全監(jiān)測的重要部分，尤其是排氣閥井室內(nèi)溫度監(jiān)測。如排氣閥井保溫效果不好，室內(nèi)溫度在零度以下，排氣閥水汽凝結(jié)成冰，影響氣體排出，將危及整個(gè)管道的安全運(yùn)行。另外，出于野外防盜考慮，一旦排氣閥井被打開，室內(nèi)溫度變化也可通過溫度監(jiān)測儀器反映。

安全監(jiān)測系統(tǒng)組成和結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 安全監(jiān)測系統(tǒng)組成和結(jié)構(gòu)

3.4 滲漏監(jiān)測

本工程未開展?jié)B漏監(jiān)測工作，針對(duì)管道和隧洞以及明渠調(diào)水工程的滲漏監(jiān)測，本文討論分布式光纖滲漏監(jiān)測的可行性。

調(diào)水工程滲漏不僅是對(duì)水資源的浪費(fèi)，而且危及工程安全。因此，對(duì)滲漏的實(shí)時(shí)監(jiān)測具有重大意義，能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地探測出滲漏位置，在事態(tài)未擴(kuò)大之前指導(dǎo)相關(guān)單位進(jìn)行維護(hù)和修補(bǔ)。分布式光纖通過監(jiān)測滲流點(diǎn)溫度變化來判斷滲流[4]，工程造價(jià)相對(duì)便宜，造價(jià)3～5萬元/km。管道工程可在管道接縫處布置一個(gè)測點(diǎn)，沿線敷設(shè)分布式光纖，在配電室位置安裝采集終端監(jiān)測滲流，而且光纖采集頻率高，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測。目前分布式光纖產(chǎn)品已逐漸成熟，但其測量精度偏低，其監(jiān)測效果和滲漏點(diǎn)判定對(duì)工程經(jīng)驗(yàn)的依賴性較大；實(shí)施前必需設(shè)計(jì)滲漏試驗(yàn)，檢驗(yàn)分布式光纖的監(jiān)測效果。

4 工程應(yīng)用效果

該調(diào)水工程于2016年底完成自動(dòng)化系統(tǒng)，經(jīng)歷了3年的冬季運(yùn)行。尤其在-30℃氣溫下，管道和水位監(jiān)測數(shù)據(jù)采集傳輸正常。監(jiān)測系統(tǒng)供電系統(tǒng)整體運(yùn)行良好，未遭遇雷擊損壞設(shè)備的情況。

隧洞監(jiān)測光纜最長19km，光纖總通道最大損耗20～30dB，滿足光纖解調(diào)儀50dB以內(nèi)的允許值。光纖監(jiān)測儀器完好率100%。

管道排氣閥溫度監(jiān)測采用GPRS無線傳輸，部分測點(diǎn)信號(hào)弱，而且穿透性差，數(shù)據(jù)傳輸經(jīng)常中斷，良好率在95%以上，部分井室監(jiān)測到零度以下的情況，根據(jù)監(jiān)測情況對(duì)井室保溫進(jìn)行了處理，保證了排氣閥的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)論

為有效解決高寒地區(qū)引調(diào)水工程安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，在尚無專門的安全監(jiān)測設(shè)計(jì)規(guī)范以供參考的情況下，對(duì)調(diào)水工程安全監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則、監(jiān)測項(xiàng)目、監(jiān)測效果進(jìn)行探討，深入研究設(shè)備選型、通訊方式、供電方式以及防雷、防寒措施等內(nèi)容，最終提出一套由隧洞監(jiān)測、管道和水位監(jiān)測、管道排氣閥井室溫度監(jiān)測、滲漏監(jiān)測四方面組成的高寒地區(qū)引調(diào)水工程安全監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并取得了良好的工程實(shí)際應(yīng)用，為同類型工程安全監(jiān)測設(shè)計(jì)提供借鑒。但仍存在很多的不足之處，希望在今后的工作中總結(jié)監(jiān)測注意要點(diǎn)，創(chuàng)造出更大的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。