棄渣場(chǎng)自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建

李 堅(jiān)，陸進(jìn)彬，趙利鵬，雷嘯天，楊 剛

(1.云南省滇中引水工程有限公司，云南 昆明 650000；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

棄渣場(chǎng)廣泛存在于鐵路、公路、水電等行業(yè)，是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的重要附屬設(shè)施，其往往具有渣量大、棄渣水土流失危害嚴(yán)重等特點(diǎn)[1-4]，例如，2015年深圳光明新區(qū)紅坳棄土場(chǎng)滑坡災(zāi)難引發(fā)公眾廣泛關(guān)注棄渣場(chǎng)邊坡穩(wěn)定與安全[5-6]；張建龍[7]對(duì)全國(guó)17座抽水蓄能電廠中48個(gè)棄渣場(chǎng)的運(yùn)維狀態(tài)開(kāi)展了調(diào)查，其中13個(gè)棄渣場(chǎng)在后期運(yùn)營(yíng)中存在質(zhì)量不平衡現(xiàn)象，并有國(guó)家專(zhuān)項(xiàng)資金進(jìn)行支持，占總量31%，僅有3個(gè)棄渣場(chǎng)有監(jiān)控系統(tǒng)。

滇中引水工程輸水總干線上存在大量的隧道洞渣需要堆填處理，土石方開(kāi)挖總8824.49萬(wàn)m3，土石方回填總量1630.34萬(wàn)m3，棄渣總量為7194.15萬(wàn)m3，其中四華道班棄渣場(chǎng)是棄渣量最大、堆高較高的棄渣場(chǎng)，屬于重點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)象。本文以此為依托，基于GPS、柔性測(cè)斜儀和滲壓計(jì)等監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)渣場(chǎng)表面變形、深部變形和滲壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以建立自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并進(jìn)一步介紹了自主研發(fā)的DBMS信息采集系統(tǒng)和工程安全監(jiān)測(cè)信息管理及決策分析軟件的工程應(yīng)用，研究結(jié)果可供相似的棄渣場(chǎng)工程的安全監(jiān)測(cè)借鑒使用。

1 水文地質(zhì)概況

據(jù)麗江市氣象站1971—2000年的實(shí)測(cè)資料，常年平均氣溫12.7℃，最高氣溫為18.4℃，常集中在6月份，最低氣溫為6.0℃，集中在1月份，常年極端最低氣溫為-11℃，極端最高氣溫為32℃；年降水量平均為753.7mm，且年內(nèi)分配不均。降水汛期為5—10月，占全年降水量的91.3%。其大地構(gòu)造單元位于松潘-甘孜褶皺系內(nèi)，區(qū)域構(gòu)造背景復(fù)雜，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍，且位于中甸-麗江-大理地震活動(dòng)帶西側(cè)緣[8-9]。場(chǎng)址區(qū)8km范圍分布有全新世活動(dòng)的龍?bào)?喬后斷裂，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性差，曾在進(jìn)場(chǎng)路發(fā)生過(guò)塌方。四華道班棄渣場(chǎng)堆高130m，棄渣量255.8萬(wàn)m3，工程等級(jí)2級(jí)，棄渣組成以灰?guī)r為主，夾雜砂礫卵石，是滇中引水工程水源工程中的棄渣量最大、堆高較高的棄渣場(chǎng)，屬于重點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)象。

2 安全監(jiān)測(cè)內(nèi)容

四華道班棄渣場(chǎng)的最大堆高處布設(shè)了一個(gè)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)斷面，在該監(jiān)測(cè)斷面上各隔一級(jí)馬道布設(shè)了一個(gè)表面位移測(cè)點(diǎn)，總計(jì)7個(gè)表面位移測(cè)點(diǎn)。在重點(diǎn)監(jiān)測(cè)斷面左、右邊各60m處各布置了一個(gè)普通監(jiān)測(cè)斷面，在重點(diǎn)監(jiān)測(cè)斷面上各隔一級(jí)馬道布設(shè)1個(gè)表面位移測(cè)點(diǎn)，總計(jì)布設(shè)表面位移測(cè)點(diǎn)8個(gè)，共布置了15個(gè)表面位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。在重點(diǎn)控制斷面處布置了4個(gè)測(cè)斜和測(cè)壓管道，對(duì)渣場(chǎng)滑動(dòng)變形和浸潤(rùn)線變形實(shí)施控制。在棄渣場(chǎng)旁適當(dāng)位置布設(shè)一個(gè)視頻監(jiān)控點(diǎn)，以能覆蓋棄渣場(chǎng)的整個(gè)臨空面為宜，主要監(jiān)控棄渣場(chǎng)臨空坡面的變形情況。

2.1 渣場(chǎng)變形監(jiān)測(cè)

表面變形包括水平位移與豎向位移，各測(cè)點(diǎn)采用全站儀進(jìn)行交會(huì)法測(cè)量和三角高程法測(cè)量。表面水平位移監(jiān)測(cè)如圖1所示。

圖1 表面水平位移監(jiān)測(cè)流程圖

深部變形監(jiān)測(cè)采用柔性測(cè)斜儀系統(tǒng)(由柔性測(cè)斜儀裝置、自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集儀等部分組成)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)觀測(cè)。監(jiān)測(cè)原理如圖2所示。

圖2 測(cè)量原理示意圖

2.2 滲壓測(cè)量

采用電測(cè)水位計(jì)和振弦式儀器進(jìn)行滲壓測(cè)量。電測(cè)水位計(jì)探頭從測(cè)壓管管口緩慢放入，連續(xù)測(cè)讀2次，2次測(cè)讀誤差不大于1cm。振弦式儀器觀測(cè)流程如圖3所示。

圖3 振弦式儀器觀測(cè)流程

3 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建方案

基于上述GPS、柔性測(cè)斜儀和滲壓計(jì)對(duì)渣場(chǎng)表面變形、深部變形和滲壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以此構(gòu)建自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。

擬建的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為一種高效、快速、可靠的手段，能24h實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)和分析變形數(shù)據(jù)，對(duì)棄渣場(chǎng)的位移進(jìn)行周期性規(guī)律變化的趨勢(shì)分析，對(duì)未來(lái)時(shí)間內(nèi)的位移作出預(yù)判，系統(tǒng)大致由5部分組成：①數(shù)據(jù)前端采集部分；②數(shù)據(jù)通訊部分；③控制室數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析、管理、告警部分；④設(shè)備防雷部分；⑤系統(tǒng)供電部分，如圖4所示。

圖4 自動(dòng)化系統(tǒng)組成示意圖

3.1 信息收集裝置

信息收集裝置由GNSS接收機(jī)、滲壓計(jì)、柔性測(cè)斜儀組成。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)的傳輸是實(shí)現(xiàn)邊坡變形檢測(cè)全智能化的重要環(huán)節(jié)，同時(shí)也是工程現(xiàn)場(chǎng)與地面控制中心之間的重要聯(lián)系紐帶。本項(xiàng)目數(shù)據(jù)通信方式擬采用GPRS無(wú)線進(jìn)行傳輸，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(孔)獨(dú)立使用一個(gè)GPRS傳輸模塊。

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)能全天候運(yùn)行和長(zhǎng)距離的數(shù)據(jù)傳輸，保障測(cè)點(diǎn)同控制室數(shù)據(jù)通訊正常，數(shù)據(jù)通信速率一般在10～60kbps之間或者更高，視數(shù)據(jù)量最終確定。GPRS通訊方式如圖5所示。

圖5 GPRS通訊方式示意圖

3.3 電源裝置

設(shè)備供電方式一般有太陽(yáng)能供電和電力網(wǎng)絡(luò)線路供電2種，由于棄渣場(chǎng)不具備電力網(wǎng)絡(luò)線路供電條件，本項(xiàng)目所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用太陽(yáng)能系統(tǒng)供電，而后方控制中心采用220V交流電供電。所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)采用太陽(yáng)能供電系統(tǒng)，保證在連續(xù)陰雨天的情況下能保證GNSS能連續(xù)正常工作7個(gè)工作日。

控制中心的服務(wù)器配置UPS，保障控制中心停電的情況下，服務(wù)器仍能持續(xù)工作30min。

太陽(yáng)能系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能組件、太陽(yáng)能充電控制器、蓄電池組件、逆變器、直流及交負(fù)載等構(gòu)成，可直接提供12、24、48V的直流，還可提供220、380V的交流電源，如圖6所示。

圖6 太陽(yáng)能供電系統(tǒng)示意圖

3.4 防雷系統(tǒng)

所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)均布設(shè)避雷針，饋線避雷器，電源避雷器。

建立對(duì)信息收集裝置、數(shù)據(jù)傳輸、電源裝置具有防護(hù)功能的防雷接地系統(tǒng)。GNSS裝置的直擊雷防護(hù)，配置避雷針和接地系統(tǒng)，連接電流低于10Ω。GNSS系統(tǒng)的感應(yīng)及避水防護(hù)方面，應(yīng)安裝天線饋線與電源回路之間的感應(yīng)避雷器，接地電流低于4Ω。但現(xiàn)場(chǎng)情況由于沒(méi)有地網(wǎng)，很難保證達(dá)到，所以將在現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)簡(jiǎn)易地網(wǎng)，以達(dá)到保證GNSS安全為前提。具體防雷措施有：

(1)基站天線有防直擊雷的防護(hù)，避雷針與地網(wǎng)作了可靠相連。天線饋線嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)選擇其接點(diǎn)。

(2)在電力線進(jìn)入之前，安裝電力線的電涌防護(hù)裝置。

(3)天線的防雷：將避雷針利用加工的角鋼固定在觀測(cè)墩上，既滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求，又更好的保護(hù)GNSS天線設(shè)備，而且能保證避雷針同觀測(cè)墩有效的穩(wěn)定性，架設(shè)高度為2m，用扁鋼同地網(wǎng)焊接，然后接入地網(wǎng)，要求直擊雷引出線的接地點(diǎn)與設(shè)備接地引下線的接地點(diǎn)距離不應(yīng)小于10m，接地之前對(duì)地網(wǎng)進(jìn)行電阻測(cè)試。

(4)感應(yīng)雷保護(hù)：感應(yīng)雷的保護(hù)使用城區(qū)內(nèi)監(jiān)控站的保護(hù)方法，不采用城市電網(wǎng)的無(wú)須加裝電源變壓器。本防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)以下2個(gè)角度考慮為主，電源線防雷、通信接收器防雷。電器設(shè)備應(yīng)安裝天饋線電涌保護(hù)裝置、電力線電涌防護(hù)裝置以及通信線(數(shù)據(jù)線)電涌保護(hù)裝置。

3.5 中心控制系統(tǒng)

中心控制系統(tǒng)擬采用自主研發(fā)的DBMS信息采集系統(tǒng)和工程安全監(jiān)測(cè)信息管理及決策分析軟件。系統(tǒng)主要包含系統(tǒng)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)查詢(xún)、過(guò)程曲線、數(shù)據(jù)錄入、儀器管理、巡視檢查等功能。通過(guò)設(shè)置采集計(jì)算機(jī)，系統(tǒng)能夠部署在不同的采集計(jì)算機(jī)上進(jìn)行分布式數(shù)據(jù)采集。

對(duì)于圖形分析，其子模塊可繪制滿足管理及分析需要的各類(lèi)圖形及表格，包括多個(gè)物理量的綜合過(guò)程線圖、相關(guān)圖(包絡(luò)圖)、分布圖等。利用這些分析方法，可以將同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同方向的測(cè)值在一張圖上表現(xiàn)出來(lái)，例如表面監(jiān)測(cè)點(diǎn)的X向累計(jì)位移、Y向累計(jì)位移、H向累計(jì)位移以及水平合位移；可分析某部位的水位對(duì)該部位變形的影響，即將水位過(guò)程線與該部位的變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析；可將相同部位不同監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的儀器進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析，如：分析應(yīng)力和變形之間的關(guān)聯(lián)性；能對(duì)同一工程部位、同一個(gè)斷面內(nèi)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)資料進(jìn)行比較分析。系統(tǒng)能夠進(jìn)行多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)同時(shí)間的安全監(jiān)測(cè)資料對(duì)比分析，其中時(shí)程分布圖描述的是監(jiān)控點(diǎn)資料總量隨時(shí)間變動(dòng)情況的曲線圖，能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工程部位、監(jiān)測(cè)斷面、裝置型號(hào)、監(jiān)測(cè)時(shí)間等因素加以隨機(jī)綜合，查詢(xún)出所需要的監(jiān)控點(diǎn)信息曲線。

3.6 輔助預(yù)警分析

輔助預(yù)警包括閾值管理和閾值組合管理，其中閾值管理用于設(shè)置并管理各種監(jiān)測(cè)儀器的預(yù)警閾值，閾值組合管理用于將設(shè)置好的閾值綁定到特定的安全等級(jí)上，即：可以設(shè)置測(cè)點(diǎn)安全、關(guān)注、預(yù)警和危險(xiǎn)所對(duì)應(yīng)的數(shù)值范圍。選擇測(cè)定并設(shè)置截止時(shí)間后，系統(tǒng)將對(duì)各測(cè)點(diǎn)截止時(shí)間前一次數(shù)據(jù)成果進(jìn)行閾值評(píng)判。以此將監(jiān)測(cè)對(duì)象的安全狀態(tài)分為4個(gè)等級(jí)：安全、關(guān)注、預(yù)警和危險(xiǎn)。處理措施如圖7所示。

圖7 輔助預(yù)警安全等級(jí)處理措施

安全管理等級(jí)分別是安全(綠)、注意警示級(jí)別(藍(lán))、注意檢查級(jí)(黃)、公司內(nèi)部會(huì)商級(jí)(橙)。對(duì)不同等級(jí)警情分別采用以下方法進(jìn)行管理，但范圍不限：①注意警示級(jí)別，必須在規(guī)定時(shí)間內(nèi)核實(shí)、確定；②注意檢查級(jí)，必須及時(shí)進(jìn)行查看、確認(rèn)；③公司內(nèi)部會(huì)商級(jí)，在現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)認(rèn)定必要時(shí)，將對(duì)公司相關(guān)各方專(zhuān)題開(kāi)展專(zhuān)項(xiàng)會(huì)評(píng)估。

4 結(jié)論

(1)本文以四華道班棄渣場(chǎng)安全監(jiān)測(cè)為依托，研究了一種基于無(wú)人駕駛直升機(jī)傾斜攝影檢測(cè)技術(shù)、GNSS土壤與地表相對(duì)位置監(jiān)測(cè)、深部位移監(jiān)測(cè)、地下水滲壓動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等監(jiān)測(cè)技術(shù)的綜合自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

(2)進(jìn)一步介紹了自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信息收集裝置、數(shù)據(jù)傳輸、電源裝置、防雷系統(tǒng)以及中心控制系統(tǒng)。

(3)基于自主研發(fā)的DBMS信息采集系統(tǒng)和工程安全監(jiān)測(cè)信息管理及決策分析軟件，提出了輔助預(yù)警分析及相關(guān)措施。