堤防工程自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)研究

徐 俊，翟 鐸，朱如東，周艷先，王曉娟，李 益

（南京市滁河河道管理處，江蘇南京 210044）

堤防工程是保障沿河兩岸人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全、經(jīng)濟(jì)社會(huì)穩(wěn)定發(fā)展的重要防洪屏障［1］。我國堤防堤線長(zhǎng)，工程類型多、分布廣，運(yùn)行條件差異大［2］。為及時(shí)掌握堤防工程安全運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)應(yīng)對(duì)因水壓力等荷載對(duì)工程造成的不利影響，對(duì)堤防工程進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)十分必要［3］。相關(guān)學(xué)者針對(duì)堤防工程安全監(jiān)測(cè)等方面開展了探索研究以及應(yīng)用示范［4-8］?，F(xiàn)階段，堤防工程安全監(jiān)測(cè)普遍采用人工觀測(cè)與堤防巡檢相結(jié)合的工作方式，勞動(dòng)強(qiáng)度較大，工作效率較低，實(shí)時(shí)性有待進(jìn)一步增強(qiáng)。針對(duì)堤防工程安全監(jiān)測(cè)薄弱環(huán)節(jié)，本文以滁河流域馬汊河堤防工程為研究對(duì)象，開展堤防工程位移與滲流自動(dòng)化監(jiān)測(cè)研究，構(gòu)建安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)堤防工程安全運(yùn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

1 工程概況

滁河源于安徽省肥東縣梁園丘陵山區(qū)，干流基本平行于長(zhǎng)江，自西南向東北流經(jīng)安徽省合肥市、巢湖市、滁州市和江蘇省南京市，于南京市六合區(qū)大河口匯入長(zhǎng)江。馬汊河為滁河流域的分洪道，河道全長(zhǎng)13.6 km，沿河分布5個(gè)街道以及南京江北新區(qū)新材料科技園，是保障沿河兩岸安全的重要防洪屏障。根據(jù)兩岸地形，馬汊河分洪道分為上、中、下3段。上游段小頭李至葛新橋，長(zhǎng)約6.18 km，堤防為2級(jí)；中游段葛新橋至湛水路橋，長(zhǎng)約6.06 km，為切嶺段，河道兩岸主要為丘陵崗地；下游段湛水路橋至入江口，長(zhǎng)約1.39 km，堤防為2級(jí)。

堤防工程管理單位在馬汊河沿河共埋設(shè)觀測(cè)工作基點(diǎn)6 個(gè)，沉降位移觀測(cè)樁28 個(gè)，斷面觀測(cè)樁30 個(gè)，定期對(duì)馬汊河堤防垂直位移、過水?dāng)嗝?、水下地形等進(jìn)行人工測(cè)量，并對(duì)水位等工程運(yùn)行情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。為全面排查堤防安全隱患，分別于2011 年、2018 年、2022 年針對(duì)河道不同堤段開展了堤防隱患探查和安全評(píng)價(jià)，結(jié)果表明堤防總體情況較好，局部存在異常探測(cè)信號(hào)或滲水情況。

2 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)施

2.1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目選擇

堤防工程的主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、承載能力強(qiáng)，堤壩問題主要表現(xiàn)為穩(wěn)定破壞以及滲透破壞。通過自動(dòng)化儀器監(jiān)測(cè)堤防整體或局部的變形量，及時(shí)掌握其在特殊環(huán)境條件下的變形、滲流性態(tài)，及早發(fā)現(xiàn)堤防異常情況并進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)尤為重要。依據(jù)《堤防工程安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程》（SL/T794—2020）、《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50286—2013）、《土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（SL551—2012）等相關(guān)要求，充分考慮堤防工程的特點(diǎn)，確定馬汊河堤防工程的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)以變形監(jiān)測(cè)和滲流監(jiān)測(cè)為主要內(nèi)容。

2.2 監(jiān)測(cè)設(shè)備及點(diǎn)位布設(shè)

2.2.1 設(shè)備供電及網(wǎng)絡(luò)

馬汊河河道管理范圍較一般堤防大，上、下游段均為河道中心線兩側(cè)各135 m，中游段為河道中心線兩側(cè)各190 m?？紤]自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)施需沿河分散布設(shè)，因此除上游局部堤段外，中游段、下游右岸、上游段大部分堤段均無供電及有線網(wǎng)絡(luò)接入的條件，需采用太陽能供電及無線網(wǎng)絡(luò)傳輸。

2.2.2 設(shè)備兼顧靈敏度、耐久性、經(jīng)濟(jì)性

對(duì)于不同監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，傳感器的種類、型號(hào)很多，監(jiān)測(cè)方式各異，應(yīng)從先進(jìn)性、環(huán)境適應(yīng)性、長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性、價(jià)格等方面進(jìn)行綜合比選。不能盲目選用進(jìn)口設(shè)備，也不能僅考慮價(jià)格因素而選用低端產(chǎn)品或老舊型號(hào)。

2.2.3 點(diǎn)位布設(shè)應(yīng)有針對(duì)性

馬汊河按地形地貌特點(diǎn)分為有堤段與切嶺段2 種情況。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)施作為現(xiàn)有觀測(cè)方式的有效補(bǔ)充手段，不應(yīng)盲目布設(shè)，而是應(yīng)結(jié)合其特點(diǎn)及堤防安全管理需求，凸顯其在汛期高水位、極端天氣情況下的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和預(yù)警作用，有針對(duì)性地進(jìn)行布設(shè)。

2.3 監(jiān)測(cè)設(shè)備選擇

2.3.1 變形監(jiān)測(cè)設(shè)備

土石壩自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備通常采用測(cè)地型GNSS接收機(jī)，用于精密大地測(cè)量和精密工程測(cè)量，這類儀器主要采用載波相位觀測(cè)值進(jìn)行相對(duì)定位，定位精度高。按接收機(jī)的載波頻率分為單頻、雙頻及多頻接收機(jī)，馬汊河堤防變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)選用R51一體機(jī)，對(duì)比其他GNSS接收機(jī)有如下特點(diǎn)：

（1）采用北斗二代與GPS/GLONASS 三系統(tǒng)全頻點(diǎn)GNSS模塊，兼容伽利略衛(wèi)星系統(tǒng)；

（2）MEMS 傳感與GNSS 結(jié)合（觸發(fā)加報(bào)），支持CORS 虛擬基站及RTK，優(yōu)化組合算法，剔除誤報(bào)，支撐中長(zhǎng)期預(yù)警與短臨預(yù)警；

（3）高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，TF卡可以無限擴(kuò)展，可實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；

（4）具有正負(fù)極性反接保護(hù)，寬電壓供電；

（5）支持遠(yuǎn)程診斷、遠(yuǎn)程設(shè)置，支持遠(yuǎn)程重啟、遠(yuǎn)程注冊(cè)，方便用戶遠(yuǎn)程對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)操作，減少用戶維護(hù)成本；

（6）低功耗設(shè)計(jì)，系統(tǒng)功耗約降低30%，極大減小搭載的太陽能供電系統(tǒng)配比，降低供電系統(tǒng)成本；

（7）一體式設(shè)計(jì)，高度集成化，簡(jiǎn)化安裝工藝。

2.3.2 滲流監(jiān)測(cè)設(shè)備

堤壩滲流檢測(cè)主要是指堤壩在上下游水位差的作用下產(chǎn)生的滲流場(chǎng)監(jiān)測(cè)，包括滲流壓力、滲流量和水質(zhì)觀測(cè)，其中滲流壓力監(jiān)測(cè)是堤防安全監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

（1）滲壓計(jì)

常用滲壓計(jì)有壓阻式、差動(dòng)電阻式、電感式和鋼弦式等幾種類型。近些年，國產(chǎn)鋼弦式滲壓計(jì)由于生產(chǎn)工藝、材料性能方面的提升，其質(zhì)量和長(zhǎng)期穩(wěn)定性顯著提升，已在國內(nèi)外工程中大量使用。對(duì)比國內(nèi)外使用量較大的滲壓計(jì)類型，馬汊河堤防滲流監(jiān)測(cè)選用SXX-35 型鋼弦式滲壓計(jì)作為監(jiān)測(cè)設(shè)備。

（2）滲流監(jiān)測(cè)采集設(shè)備

采集設(shè)備應(yīng)具有自檢和遠(yuǎn)程診斷功能，優(yōu)先采用低功耗、高可靠性的設(shè)備。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)電力及通訊的接入條件，所選設(shè)備應(yīng)具有多種電源和通信接口，采用太陽能或蓄電池不間斷電源供電，并采用無線公網(wǎng)通信。應(yīng)具有特殊工況和應(yīng)急條件下，保證系統(tǒng)供電、通信和數(shù)據(jù)可靠性的具體措施。應(yīng)具有可靠的防雷擊、抗干擾能力以及防人為破壞的設(shè)計(jì)。

2.4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)

根據(jù)馬汊河不同河段地形地貌、工程特點(diǎn)、建設(shè)期記錄、隱患探查數(shù)據(jù)分析，按具體情況綜合分析考慮監(jiān)測(cè)點(diǎn)位（斷面）布設(shè)。一是上游堤防曾經(jīng)出現(xiàn)過散浸或疑似散浸等隱患堤段，二是上游堤防穿堤建筑物結(jié)合部堤頂路出現(xiàn)過裂縫或邊坡有輕微沉陷的堤段，三是歷次工程建設(shè)期間出現(xiàn)過滑坡的堤段，四是日常巡查發(fā)現(xiàn)坡面經(jīng)常性滲水的堤段，五是近期隱患探查存在異常的堤段。根據(jù)對(duì)上述點(diǎn)位現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況及出險(xiǎn)后的危害程度分析，考慮在上游堤防段優(yōu)先布設(shè)監(jiān)控點(diǎn)位，監(jiān)控點(diǎn)位布設(shè)如圖1所示。

圖1 自動(dòng)化監(jiān)控點(diǎn)位布設(shè)示意

2.4.1 變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)位

在上游5 個(gè)泵站位置布設(shè)5 個(gè)GNSS 變形監(jiān)測(cè)站和1個(gè)參考站。變形監(jiān)測(cè)站分別位于左岸萬莊泵站（K0+300 m）、大橫溝泵站（K1+950 m）、右岸馬汊河泵站（K0+150 m）、祝莊泵站（K1+980 m）、馬汊河農(nóng)場(chǎng)站（K3+410 m）。參考站位于葛塘積石基地院內(nèi)。

2.4.2 滲流監(jiān)測(cè)點(diǎn)位

在左岸K0+73 m、K1+736 m、K2+398m 及右岸K0+136.5 m、K2+166.6 m、K3+424 m 布設(shè)6 個(gè)滲流監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)斷面布設(shè)3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別位于堤壩迎水面（Up-1）、背水面（Up-2）及背水面坡腳（Up-3），滲流監(jiān)測(cè)斷面示意如圖2所示。

圖2 滲流監(jiān)測(cè)斷面示意（單位：m）

3 自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

將變形和滲流自動(dòng)化監(jiān)測(cè)納入馬汊河信息管理平臺(tái)，開發(fā)包含基礎(chǔ)數(shù)據(jù)一張圖、堤防檢查監(jiān)測(cè)、運(yùn)行管理、安全管理、視頻監(jiān)控、預(yù)報(bào)預(yù)警等模塊功能的馬汊河堤防巡檢監(jiān)測(cè)與防汛預(yù)警系統(tǒng)，建立統(tǒng)一的馬汊河河道信息管理平臺(tái)（如圖3所示）。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)模塊包括監(jiān)測(cè)站點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備、電源及防護(hù)設(shè)備、數(shù)據(jù)服務(wù)器、數(shù)據(jù)采集與解算軟件等，系統(tǒng)示意如圖4 所示。系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，每個(gè)測(cè)量斷面設(shè)置1 個(gè)監(jiān)測(cè)站，在管理單位設(shè)置數(shù)據(jù)服務(wù)器及監(jiān)測(cè)主站。馬汊河堤防安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)模塊主要由滲流監(jiān)測(cè)和變形監(jiān)測(cè)2個(gè)部分組成。

圖3 馬汊河信息管理平臺(tái)界面

圖4 馬汊河堤防自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

3.1 滲流監(jiān)測(cè)模塊

滲流監(jiān)測(cè)模塊由數(shù)據(jù)采集部分、供電部分、通信部分和數(shù)據(jù)接收軟件等組成。數(shù)據(jù)采集部分用于采集堤壩測(cè)壓管內(nèi)水位數(shù)據(jù)，由振弦式滲壓計(jì)、傳感器防雷模塊、數(shù)據(jù)采集模塊等組成。供電部分用于數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)中心供電，由太陽能電池板、蓄電池、充電控制器、防雷設(shè)施組成。通信部分由4G數(shù)傳模塊組成，用于數(shù)據(jù)采集模塊、控制中心之間的數(shù)據(jù)通信。采集的數(shù)據(jù)通過4G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)焦芾韱挝唬偻ㄟ^UDP映射端口傳輸至采集軟件數(shù)據(jù)庫。通過對(duì)滲流數(shù)據(jù)的處理分析實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，2023年7月1日馬汊河堤防左岸K1+736 m監(jiān)測(cè)成果如圖5所示。

圖5 馬汊河堤防滲流監(jiān)測(cè)成果

3.2 變形監(jiān)測(cè)模塊

GNSS 變形監(jiān)測(cè)模塊由數(shù)據(jù)采集部分、控制中心部分、供電部分、通信部分和數(shù)據(jù)解算軟件部分等組成。數(shù)據(jù)采集部分主要由天線和接收機(jī)組成，用于采集GNSS原始數(shù)據(jù)，分為GNSS參考站和GNSS監(jiān)測(cè)站?？刂浦行牟糠钟糜诮邮铡⒋鎯?chǔ)、處理，分析參考站、監(jiān)測(cè)站的GNSS數(shù)據(jù)，供電部分用于向參考站、監(jiān)測(cè)站、數(shù)據(jù)中心供電，由太陽能電池板、蓄電池、充電控制器、防雷設(shè)施組成。通信部分用于參考站、監(jiān)測(cè)站、控制中心之間的數(shù)據(jù)通信。由4G數(shù)傳模塊組成，采集的數(shù)據(jù)通過4G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)焦芾韱挝?，再通過TCP/IP映射端口傳輸至解算軟件數(shù)據(jù)庫。通過對(duì)GNSS數(shù)據(jù)的處理分析實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，成果如圖6所示。

圖6 馬汊河堤防變形監(jiān)測(cè)成果

利用智能化監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)堤防工程的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)安全監(jiān)測(cè)，能夠解決傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)方式強(qiáng)度大、效率低、實(shí)時(shí)性不強(qiáng)等問題，是保證堤防工程安全運(yùn)行的重要手段，也是豐富堤防管理理念，提升安全保障水平及河道現(xiàn)代化管理水平的重要舉措。