一體化智能遙測系統(tǒng)在閘站工程測壓管監(jiān)測的實踐應(yīng)用

蔣 濤，戴慶云，王 磊

(江蘇省秦淮河水利工程管理處，江蘇 南京 210022)

測壓管又稱豎管式孔隙水壓力計，由奧地利土力學(xué)科學(xué)家阿瑟卡薩格蘭德于1949年創(chuàng)用，20世紀(jì)60年代在國內(nèi)大壩滲流監(jiān)測中得以應(yīng)用。為此，原水電部于1965年頒布SDJ/ SG751-1965《水工建筑物測壓管水位觀測試行技術(shù)規(guī)范》，之后未見修訂[1]。測壓管引入我國后，主要以管中水位高度來體現(xiàn)滲透壓力大小，在水工建筑物原體監(jiān)測中，測壓管通常用于監(jiān)測地下水位、堤壩浸潤線、孔隙水壓力、繞閘(站)壩滲流、壩基滲流壓力、混凝土閘壩揚(yáng)壓力、隧洞涵洞的外水壓力等，在土石壩滲流監(jiān)測應(yīng)用尤為較多，其結(jié)構(gòu)簡單，取材方便，技術(shù)要求不高，便于制造和安裝且價格便宜，缺點是易受人為破壞、降水量影響，固體和沉淀物的淤積堵塞，長期監(jiān)測費時費力，也存在滯后時間長[2]。

揚(yáng)壓力是影響水閘、泵站等水工建筑物抗滑穩(wěn)定的重要因素。測壓管是水閘、泵站常用的揚(yáng)壓力觀測設(shè)備。2011年出臺的江蘇省地方標(biāo)準(zhǔn)《水利工程觀測規(guī)程》[3]明確將水閘、泵站閘基揚(yáng)壓力和側(cè)岸繞滲作為常規(guī)觀測項目，新建投入使用后每月觀測15～20次；運(yùn)用3個月后，每月觀測4～6次；運(yùn)用5年以上且工程垂直位移和地基滲透壓力分布均無異常情況下，可每月觀測2～3次。在進(jìn)行滲流觀測時，同步觀測上下游水位、降水、溫度等相關(guān)數(shù)據(jù)。定期開展測壓管水位觀測和成果資料整編，分析水位變化趨勢和主要影響因素，驗證工程設(shè)計的準(zhǔn)確性，是基層水管單位承擔(dān)的主要技術(shù)管理任務(wù)之一[4]。

1 工程概況

秦淮新河水利樞紐位于南京市雨花臺區(qū)天后村秦淮新河入江口處。該樞紐由1座大型節(jié)制閘、1座大型泵站和1座船閘(船閘目前由交通部門管理)共同組成，采用閘、站結(jié)合的布置形式。節(jié)制閘位于樞紐北側(cè)，于1980年建成，2001年進(jìn)行加固改造，設(shè)計泄洪流量為800 m3/s，校核流量為1 100 m3/s，Ⅱ級水工建筑物，共12孔閘門，每孔凈寬6 m。閘門為直升式平板門，分上、下扉門聯(lián)動啟閉。泵站位于樞紐南側(cè)，于1982年建成，2002年進(jìn)行加固改造，為雙向灌排兩用泵站，Ⅱ級水工建筑物，安裝直徑1.7 m雙向臥式軸流泵5臺套，總裝機(jī)容量3 150 kW，正反向設(shè)計流量50 m3/s,正向(灌溉)設(shè)計揚(yáng)程2.5 m，反向(排澇)設(shè)計揚(yáng)程2.0 m，平面“S”型流道。

按照江蘇省水利廳下達(dá)的省屬水利工程觀測任務(wù)書要求，秦淮新河樞紐須定期開展?jié)B流監(jiān)測觀測，樞紐5塊閘底板共布設(shè)4組8個測壓管(見圖1)，上游4個設(shè)置在工作便橋，下游4個設(shè)置在公路橋，共計8個測壓管觀測點，均為5.08 cm鍍鋅管，實際內(nèi)徑4 cm。測壓管水位于工程建成后始測，采用人工萬用表配合測繩實測，基本達(dá)到人員固定、設(shè)備固定、測次固定、時間固定“四固定”。2016年，秦淮新河樞紐031、041號測壓管因管內(nèi)堵塞，重新埋置，并按規(guī)范要求進(jìn)行了注水法靈敏度試驗，目前4組測壓管觀測正常。

圖1 秦淮新河水利樞紐測壓管布置圖

2017年，江蘇省秦淮河水利工程管理處進(jìn)行測壓管水位自動監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計和實施，對秦淮新河節(jié)制閘測壓管加裝一體化智能遙測系統(tǒng)，與上位機(jī)相連，完成對樞紐工程測壓管水位的自動監(jiān)測。改造后自動監(jiān)測系統(tǒng)取代了原先的人工監(jiān)測，有效保證了監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。通過此次改造，將新工藝、新技術(shù)真正用于工程日常管理之中，提高了樞紐工程的安全系數(shù)，保障了工程效益的充分發(fā)揮。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)、設(shè)備選型

傳統(tǒng)測壓管的測量方法有測深鐘法、測釬法和電測水位計法。

(1)測深鐘法。用柔性好、伸縮率低的繩索系于測深鐘頂上，慢慢放入豎管內(nèi)，空心圓柱體接觸管內(nèi)水面時即發(fā)生錘擊面的響聲，當(dāng)即拉緊測繩，并重復(fù)幾次，以測錘口剛接觸水面為準(zhǔn)，然后量讀管口至管中水面的距離。測壓管水位高程等于測壓管管口高程減管口至測壓管水面的距離。

(2)測釬法。用長1 m左右，直徑為6.5 mm的圓鋼，涂以白色粉末，估計測釬接觸面后，立即提出，并量取管口到測釬浸水部分的長度。

(3)電測水位計法[5]。一般由提匣、吊索和測頭三部分構(gòu)成，提匣內(nèi)裝干電池、微安表(或其他指示器)和手搖滾筒。滾筒上纏電線(常兼作吊索)，此種電線應(yīng)力求柔軟堅韌，不易受溫度影響。吊索每隔1 m應(yīng)有一長度標(biāo)志，電線末端接測頭。觀測時，將測頭徐徐放入管內(nèi)，待指示器反應(yīng)后，將吊索稍許上提，到指示器不起反應(yīng)時再上下數(shù)次，趁指示器開始反應(yīng)的瞬間，捏住吊索與管口相平處的吊索，量讀管口至管中水面間的距離。測壓管水位高程等于測壓管管口高程減管口至管中水面間的距離再減測頭入水所引起的水位壅高量。電測水位計可以采用萬用表自制配合測繩進(jìn)行觀測，也可以采用廠家定制的如HY.SWJ-1 電測水位計進(jìn)行觀測。

以上3種傳統(tǒng)的測壓管測量方法均存在測量數(shù)據(jù)精確性較差，耗費大量人力、物力和時間，對測量數(shù)據(jù)保存要求高，數(shù)據(jù)對比不直觀等缺陷。

當(dāng)前水利工程測壓管自動監(jiān)測應(yīng)用較多且技術(shù)較為成熟的主要有浮子式水位計、超聲波水位計和靜壓投入式水位計。

(1)浮子式水位計的工作原理是利用浮子感應(yīng)水位。浮子漂浮在水位測井內(nèi)隨水位升降。懸掛浮子的懸索繞過水位輪,另一端懸掛一平衡錘,自動控制懸索的位移,在水位升降時懸索帶動水位輪旋轉(zhuǎn),從而將水位的升降轉(zhuǎn)換為水位輪的旋轉(zhuǎn),再傳遞給水位記錄部分或編碼輸出。浮子式水位計精度高，使用壽命長，但考慮到測壓管或觀測井深度，不適合超過30 m水深工況，且浮子在測壓管中與鍍鋅鋼管管壁的靈敏度直接影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，尤其是浮子直徑一般為3 cm，測壓管內(nèi)徑為4 cm，如果管壁粗糙(工程建造年份長可能有銹斑)，加上閘門啟閉震動影響等因素，那么數(shù)據(jù)難以保證準(zhǔn)確可靠且校測工作量大，浮子式水位計在三河閘等工程有運(yùn)用，在實際運(yùn)用中自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)與人工測量數(shù)據(jù)誤差率較大，浮子靈敏度還不夠[6]，不具備在水閘工程中推廣應(yīng)用條件。

(2)超聲波水位計是以水體為超聲波傳播媒介,測深時將超聲波換能器放置于水下一定位置,換能器到水底的深度可以根據(jù)超聲波在水中的傳播速度和超聲波信號發(fā)射出去到接收回來的時間間隔計算。超聲波水位計精度最高，但是安裝麻煩且受周圍環(huán)境和測壓管壁垂直度影響，目前在國內(nèi)使用較少。

(3)靜壓投入式水位計雖然不受深度影響，但存在零漂現(xiàn)象(零點漂移現(xiàn)象是指當(dāng)放大電路輸入信號為零時，由于受溫度變化或電源電壓不穩(wěn)等因素的影響，使靜態(tài)工作點發(fā)生變化，并被逐級放大和傳輸，導(dǎo)致電路輸出端電壓偏離原固定值而上下漂動的現(xiàn)象)，受溫度影響大，目前市場上已有的靜壓投入式水位計采用數(shù)字化溫補(bǔ)技術(shù)及非線性修正技術(shù)，可最大限度解決零漂現(xiàn)象。

綜合上述3種水位計的特點，結(jié)合工程實際情況，秦淮新河樞紐測壓管水位自動化監(jiān)測系統(tǒng)選用靜壓投入式水位計來監(jiān)測水位，將測量精度確保在±0.2%FS。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計

秦淮新河樞紐測壓管水位自動化監(jiān)測系統(tǒng)主要采用一體化智能水位遙測終端和靜壓投入式水位計實現(xiàn)自動觀測，再以應(yīng)用軟件和綜合數(shù)據(jù)庫為支撐環(huán)境，實現(xiàn)對各觀測點遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)定時測報、各種報表資料生成打印、現(xiàn)場及中心數(shù)據(jù)雙重保存?zhèn)浞?、歷史數(shù)據(jù)查詢、遠(yuǎn)程設(shè)備實時監(jiān)控及中心指令控制等各項功能。該系統(tǒng)包括閘站監(jiān)測站、智能遙測終端、自動化觀測管理平臺、工控計算機(jī)、管理計算機(jī)。其中閘站監(jiān)測站包括測壓管、避雷設(shè)備、靜壓投入式水位計、水位計通信線纜。智能遙測終端和靜壓投入式水位計之間設(shè)置有橋面柵欄，智能遙測終端、橋面柵欄、自動化觀測管理平臺位于橋面的同一側(cè)(見圖2)，智能遙測終端和自動化觀測管理平臺通過無線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。測壓管用水泥固定安裝在橋支架上，上端與橋面齊平，下端位于水平面以下，測壓管內(nèi)布置有水位計通信線纜，且測壓管內(nèi)可進(jìn)行人工測量以便對比數(shù)據(jù)。水位計通信線纜一端連接智能遙測終端，另一端穿過測壓管連接靜壓投入式水位計，避雷設(shè)備通過電線連接在靜壓投入式水位計接入口處，工控計算機(jī)、管理計算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)訪問自動化觀測管理平臺。

1-智能遙測終端 2-自動化監(jiān)測管理平臺 3-橋面柵欄 4-水位計通信線纜 5-橋面 6-測壓管 7-水平面 8-靜壓投入式水位計 9-避雷設(shè)備 10-橋支架圖2 測壓管自動化監(jiān)測現(xiàn)場安裝示意圖

智能水位遙測終端的內(nèi)部安裝有RTU、DTU、長效電池(自帶的鋰電池組可持續(xù)工作5～10年)、磁感應(yīng)裝置和天線(圖3)。DTU通過卡槽安裝在RTU上，長效電池通過電線連接RTU，磁感應(yīng)裝置通過電線連接RTU，天線通過線纜連接DTU，智能水位遙測終端通過天線和自動化觀測管理平臺進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸。

11-DTU 12-RTU 13-長效電池 14-磁感應(yīng)裝置 15-天線 16-防水防盜盒圖3 一體化智能遙測系統(tǒng)內(nèi)部模塊示意圖

RTU內(nèi)部模塊(圖4)包括DTU、ARM處理器、RTU主板、數(shù)據(jù)采集元器件、數(shù)據(jù)存儲元器件、接線端子座、電源控制開關(guān)、數(shù)據(jù)配置開關(guān)。DTU包括CDMA模塊、SIM卡座、DTU主板、天線延長線，CDMA模塊、SIM卡座，天線延長線均焊接在DTU主板上，DTU通過天線延長線連接天線，并且跟自動化觀測管理平臺進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸。

11-DTU 12-RTU 17-CDMA模塊 18-SIM卡座 19-DTU主板 20-天線延長線 21-ARM處理器 22-RTU主板 23-數(shù)據(jù)采集元器件 24-數(shù)據(jù)存儲元器件 25-接線端子座 26-電源控制開關(guān) 27-數(shù)據(jù)配置開關(guān)圖4 一體化智能遙測系統(tǒng)DTU/RTU內(nèi)部模塊示意圖

ARM處理器、數(shù)據(jù)采集元器件、數(shù)據(jù)存儲元器件、接線端子座、電源控制開關(guān)、數(shù)據(jù)配置開關(guān)均焊接在RTU主板上，RTU通過接線端子座外接水位計通信線纜，再通過水位計通信線纜連接靜壓投入式水位計。

2.3 數(shù)據(jù)管理

測壓管水位壓力數(shù)據(jù)以數(shù)字信號形式傳遞到智能水位遙測終端，再傳至移動通信服務(wù)中心，服務(wù)中心將數(shù)據(jù)傳送至工程監(jiān)控系統(tǒng)GDMA接受前置模塊，再以應(yīng)用軟件和綜合數(shù)據(jù)庫為支撐環(huán)境，實現(xiàn)對各觀測點遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)定時測報。數(shù)據(jù)管理包括測壓管基本資料管理，測壓管實測數(shù)據(jù)管理和管道淤積、水位線等分析數(shù)據(jù)管理。觀測后確定測值正確才能錄入存入數(shù)據(jù)庫，定期(每3個月)對數(shù)據(jù)庫采用多個備份載體進(jìn)行輪流備份。

該系統(tǒng)可以功能模塊布設(shè)在管理處水利工程精細(xì)化管理系統(tǒng)內(nèi)，與精細(xì)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)無縫對接。其包含測量控制子模塊、數(shù)據(jù)管理子模塊、圖形報表子模塊3個子模塊，可以分析指定樁號的測壓管實測數(shù)據(jù)，提供測壓管水位過程線、淤積高程線、逐年相關(guān)線、特定水位下的過程線等圖表，可指定具體測點、日期進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)查詢，并根據(jù)查詢結(jié)果，在數(shù)據(jù)表格中體現(xiàn)出來(數(shù)據(jù)表格是將監(jiān)測返回的數(shù)據(jù)以表格的形式予以反映，并以日期加以限制)，還可指定具體日期或是具體時刻查看水位的趨勢。

3 應(yīng)用誤差原因分析

秦淮新河水利樞紐測壓管自動監(jiān)測系統(tǒng)投入運(yùn)行后，管理人員及時進(jìn)行自動化和人工對比觀測，發(fā)現(xiàn)部分監(jiān)測數(shù)據(jù)數(shù)值普遍較人工測量數(shù)據(jù)數(shù)值要高，主要原因為：

(1) 靜壓投入式水位計的工作原理是通過測量水壓來計算水深，再通過管口高程來推算測壓管水位。測壓管由閘地板引出，設(shè)計管底標(biāo)高0 m(吳淞高程)，但測壓管通過多年使用，管內(nèi)可能會存在流沙、雜石等物質(zhì)，其管底高程可能超過0 m，通過實際測量發(fā)現(xiàn)管底高程均高出0 m，故對靜壓投入式水位計測量成果進(jìn)行調(diào)差計算，調(diào)差后精度滿足要求。

(2)051#和052#測壓管布置臨近秦淮新河泵站側(cè)，在初始測量時，上位機(jī)數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)相差2 cm左右，考慮測量時泵站處于運(yùn)行期，泵站產(chǎn)生震動對測量有一定影響，實測1個月后，上位機(jī)數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)逐步統(tǒng)一，誤差不超過1 cm，數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定。2019年，管理人員定期實測進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)基本吻合，誤差在規(guī)定允許范圍內(nèi)。

4 結(jié) 語

近年來，由于遙測系統(tǒng)具有全自動、低功耗、高精度、長周期和可升級等諸多優(yōu)點，在水利工程上得到廣泛應(yīng)用，特別是江蘇水文遙測系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，省級以上報汛站全部實現(xiàn)水雨情自動報汛，相比之下，我省工程觀測滲流監(jiān)測的遙測系統(tǒng)應(yīng)用還不夠廣，大量水利工程單位還采用原始的人工監(jiān)測。該測壓管水位自動化監(jiān)測系統(tǒng)是首次在國內(nèi)閘站一體化工程測壓管水位自動化觀測系統(tǒng)中應(yīng)用，一方面可以實時監(jiān)測，自動傳輸數(shù)據(jù)，為工程滲流觀測提供更多的決策參考數(shù)據(jù)；另一方面預(yù)留人工測量通道，最終實現(xiàn)水位的自動化監(jiān)測與手工測量對比校核。此外，每個測壓管監(jiān)測點均安裝了避雷設(shè)備，以減少雷擊。但建成初期，要加強(qiáng)實測比對，通過實測校對測量精度，同時要分析不穩(wěn)定因素存在的原因，消除不利因素才能確保自動監(jiān)測精度。

該測壓管水位自動化監(jiān)測系統(tǒng)具有可升級性，未來可以升級研究，增加雨情水情數(shù)據(jù)采集，對自動采集觀測數(shù)據(jù)的存儲、分析、整理、加工會隨著測壓管觀測資料采集自動化程度的提高同步進(jìn)行，可在全省水利工程測壓管觀測工作中推廣使用。