(惠安縣外走馬埭海堤管理處，福建 惠安 362100)

1 工程概況

福建省泉州外走馬埭海堤工程位于福建省湄洲灣南岸惠安縣境內(nèi)，地處惠安縣輞川、東橋、凈峰三鎮(zhèn)轄區(qū)內(nèi)。外走馬埭海堤于2004年8月開工，2009年3月14.011km的海堤工程整體完工，原設(shè)計(jì)為3級堤防，防潮標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，防洪標(biāo)準(zhǔn)10年一遇，保護(hù)對象為外走馬埭墾區(qū)。2012年下半年，福建省人民政府批準(zhǔn)在圍墾區(qū)內(nèi)成立泉惠石化工業(yè)區(qū)，墾區(qū)的用途發(fā)生了轉(zhuǎn)變，外走馬埭海堤工程防護(hù)對象變?yōu)閲壹壌笮褪貫橹鞯墓I(yè)園區(qū)，根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50201—2014)和《海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T 51015—2014)的要求，經(jīng)泉州市人民政府研究，決定將外走馬埭海堤工程防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)提升至200年一遇，工程等級為1級。海堤為土石混合堤，全線共設(shè)有四座水閘，分別為鯉魚島閘、大嶼島閘、板嶼閘、塘頭閘，水閘主要功能用于防潮、納潮及排澇。

海堤水閘是海岸帶的人工屏障，作為抵抗風(fēng)暴潮、特別是臺風(fēng)和高潮襲擊的第一道防線，其運(yùn)行狀態(tài)將會直接影響沿海地區(qū)及石化工業(yè)園區(qū)的安全。恰逢海堤工程提級加固，海堤、水閘的安全性得到進(jìn)一步提高。墾區(qū)的防洪排澇任務(wù)的執(zhí)行主要依靠沿堤四座水閘的調(diào)度實(shí)現(xiàn)，為全面掌握水閘運(yùn)行狀態(tài)，對其進(jìn)行有效的安全監(jiān)測顯得尤為重要。海堤、水閘的安全監(jiān)測內(nèi)容包括堤壩的表面位移、堤壩滲流、水閘的閘底板揚(yáng)壓力以及水閘的表面位移等，本文著重對工程涉及除險(xiǎn)加固和改擴(kuò)建的四座水閘表面位移監(jiān)測方法進(jìn)行闡述。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 工程運(yùn)行現(xiàn)狀

由于管理單位沒有參與原工程建設(shè)，從2009年3月海堤工程整體完工到2012年5月移交管理期間缺乏管理和養(yǎng)護(hù)，沒有水閘工程沉降、變形等觀測設(shè)施和監(jiān)測資料，無法全面掌握其性狀變化和安全狀態(tài)。2014年11月，外走馬埭海堤管理處委托南京水利科學(xué)研究院對板嶼排澇閘進(jìn)行安全鑒定，結(jié)果為三類閘，運(yùn)行指標(biāo)已達(dá)不到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，另外三座水閘未進(jìn)行安全鑒定。水閘局部閘墩、啟閉機(jī)房立柱、欄桿等部位的混凝土存在破損脫落、順筋裂縫、銹脹以及海水侵蝕等現(xiàn)象，存在極大的安全隱患，為保障海堤、水閘的安全運(yùn)行，全面掌握其性狀變化和安全狀態(tài)，亟須根據(jù)工程的實(shí)際對其安全情況進(jìn)行有效監(jiān)測，隨著外走馬埭海堤提級加固工程建設(shè)的進(jìn)行，對沿堤水閘進(jìn)行除險(xiǎn)加固和改擴(kuò)建，為實(shí)時(shí)監(jiān)控閘站的安全情況，在項(xiàng)目中采用引張線系統(tǒng)對水閘的表面位移進(jìn)行監(jiān)測，并針對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析預(yù)警，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常和判斷隱患位置，協(xié)助工程管理人員實(shí)時(shí)掌握工程安全狀況、及時(shí)處理問題。

2.2 引張線儀基本原理

引張線儀是引張線法中用來觀測水工建筑物水平位移變形的光電測量儀器。引張線法用于直線型建筑物(如直線大壩及水閘等)的水平位移觀測。在直線型建筑物的兩端建立引張線端點(diǎn)，端點(diǎn)之間懸掛一條施加張力的銦鋼絲，稱為“引張線”。利用引張線建立的標(biāo)準(zhǔn)直線將作為永久的測量標(biāo)志來測定水工建筑物各部位垂直于該標(biāo)準(zhǔn)直線方向上的水平位移。早期的引張線坐標(biāo)儀采用固定水平標(biāo)尺進(jìn)行人工測量以及之后升級換代的電測量方法，由于測量部件都需要附加在引張線上，從而改變了引張線的力學(xué)狀態(tài)，對前后測量數(shù)據(jù)有一定影響，不利于數(shù)據(jù)的銜接。

外走馬埭海堤水閘表面位移監(jiān)測系統(tǒng)選用以CCD器件(電荷耦合器件，Charge coupled Devices,簡稱CCD)為核心的光電一體化智能型自動觀測引張線坐標(biāo)儀，采用光電圖像傳感方法，實(shí)現(xiàn)對微量的位移進(jìn)行檢測，不用在引張線上外加任何測量部件，對引張線的工作狀態(tài)沒有任何影響，實(shí)現(xiàn)了非接觸式的測量，極大地提高了測量數(shù)據(jù)的可靠性和精確度。儀器采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)CCD器件的程控驅(qū)動、信號處理及識別、數(shù)據(jù)采集、計(jì)算和通訊等功能。引張線坐標(biāo)儀配合測點(diǎn)箱、端點(diǎn)箱、自動采集設(shè)備、計(jì)算機(jī)及相應(yīng)配套軟件組成一個(gè)完整的測量系統(tǒng)，利用現(xiàn)代電子、信息、通信及計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對水閘形變監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、自動、連續(xù)采集、傳輸、管理及分析，同時(shí)系統(tǒng)具備人工觀測功能。

引張線設(shè)備采用線陣高分辨率的CCD器件，實(shí)現(xiàn)了高分辨率、高精度、無電學(xué)漂移、寬測量范圍等技術(shù)指標(biāo)，儀器具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝靈活方便、防潮性能好、技術(shù)配套性好等特點(diǎn)。

2.3 系統(tǒng)布置

外走馬埭海堤沿線共設(shè)四座水閘，設(shè)備在水閘建設(shè)過程中，需與主體工程同步進(jìn)行并確定安裝位置，每座閘布設(shè)一套引張線系統(tǒng)，每個(gè)閘墩設(shè)置一個(gè)測點(diǎn)。工程改擴(kuò)建后各水閘孔數(shù)見下表：

水閘特性表

根據(jù)改擴(kuò)建后孔數(shù)，需配置引張線系統(tǒng)及相應(yīng)配套設(shè)備，包括引張線坐標(biāo)儀、測點(diǎn)箱、張緊端、固定端、銦鋼絲、保護(hù)管、人工讀數(shù)標(biāo)尺等，以及設(shè)備所需電源。張緊端及固定端選擇在水閘兩側(cè)邊墩相對穩(wěn)定的位置進(jìn)行布置，系統(tǒng)在每座水閘設(shè)置一套自動化采集設(shè)備，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集傳輸。

2.4 系統(tǒng)安裝方式

引張線機(jī)械測量系統(tǒng)有兩種安裝方式，一種為常規(guī)直接露天布置，另一種為埋入式安裝方式。根據(jù)外走馬埭海堤水閘建筑物現(xiàn)狀，引張線系統(tǒng)的安裝采用露天布置的方式，每個(gè)測點(diǎn)需要設(shè)置測墩，墩的高度一般設(shè)置為1.2～1.5m，所有測點(diǎn)墩高程盡可能在同一高程上，各測點(diǎn)誤差控制在1cm以內(nèi)，同時(shí)要保證安裝平面的平整度，盡量減少測點(diǎn)箱體安裝水平面的誤差，測點(diǎn)箱包含鋼絲浮托部件，具有人工讀數(shù)裝置，同時(shí)測點(diǎn)箱又是引張線儀的保護(hù)箱，引張線鋼絲采用鍍鋅管進(jìn)行保護(hù)。安裝示意圖如圖1所示。

圖1 安裝示意圖

3 系統(tǒng)使用

3.1 信號采集

由于外走馬埭海堤四座水閘分布較為分散且距離較遠(yuǎn)，環(huán)境較為惡劣，工程中測控點(diǎn)多，自動化監(jiān)測系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，信息層設(shè)置在管理處信息管理中心，采用雙機(jī)熱備方式進(jìn)行數(shù)據(jù)收集與處理；采集單元布置在各水閘分中心，采集單元具有遠(yuǎn)程控制、智能采集、自檢、存儲、可擴(kuò)展、掉電保護(hù)、防雷等功能；感知設(shè)備布置在水閘閘墩。各水閘分中心與管理處信息管理中心之間采用光纜連接，光纜通訊可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力以及數(shù)據(jù)的傳輸速度，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳送可靠性。引張線坐標(biāo)儀本身不含數(shù)據(jù)存儲單元，所有儀器觀測數(shù)據(jù)以光隔RS485串行通訊方式傳輸給水閘分中心自動采集單元(MCU)，MCU獲取引張線儀的數(shù)字信號通過光纜傳輸至海堤管理處綜合信息管理平臺數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的永久記錄和存儲，引張線觀測儀器系統(tǒng)連接方式見圖2。根據(jù)需要，引張線坐標(biāo)儀也可以另外配接模擬量接口作為輸出的連接方式。

圖2 系統(tǒng)連接圖

3.2 系統(tǒng)校驗(yàn)

由于引張線坐標(biāo)儀在現(xiàn)場安裝后不便于進(jìn)行標(biāo)定，為避免現(xiàn)場強(qiáng)光對儀器的標(biāo)定工作的干擾，保障系統(tǒng)的準(zhǔn)確度，在引張線坐標(biāo)儀安裝前，需在室內(nèi)光線暗淡的環(huán)境下利用標(biāo)定裝置對每臺引張線坐標(biāo)儀進(jìn)行標(biāo)定，注意在標(biāo)定時(shí)應(yīng)使引張線坐標(biāo)儀倒置，儀器應(yīng)處于靜止的條件下完成標(biāo)定工作。系統(tǒng)標(biāo)定完還需進(jìn)一步進(jìn)行現(xiàn)場檢驗(yàn)，可采用頂點(diǎn)正偏離和負(fù)偏離三角測試方法對現(xiàn)場安裝的引張線觀測設(shè)備進(jìn)行檢驗(yàn)。

3.3 數(shù)據(jù)處理

由于引張線儀測量的是各測點(diǎn)儀器垂直于引張線建立的標(biāo)準(zhǔn)直線方向上的微量水平位移，經(jīng)解算得到各監(jiān)測點(diǎn)的水平位移值，位移變化的計(jì)算結(jié)果與引張線的實(shí)際布置有關(guān)，因此測量結(jié)果正負(fù)值須根據(jù)現(xiàn)場布置方向按照符號慣例進(jìn)行統(tǒng)一重新設(shè)定。為保證數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性及有效性，由管理處綜合信息管理平臺的數(shù)據(jù)采集軟件、解算軟件、管理平臺軟件、預(yù)警模塊等負(fù)責(zé)將現(xiàn)場傳輸?shù)谋O(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行同步實(shí)時(shí)解算、處理、存儲及分析，經(jīng)過數(shù)據(jù)可靠性檢查、計(jì)算等過程，形成多種圖表及匯總資料。為實(shí)現(xiàn)全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測，利用手持移動終端軟件，實(shí)現(xiàn)移動設(shè)備與綜合信息管理系統(tǒng)平臺的平滑對接，移動應(yīng)用平臺基于物聯(lián)網(wǎng)的隨時(shí)隨地共享信息的特點(diǎn)，保證工作人員能夠不受地域、時(shí)間的限制，隨時(shí)掌握工情信息。當(dāng)監(jiān)測指標(biāo)達(dá)到預(yù)警值時(shí)，將聯(lián)動短信群發(fā)系統(tǒng)，將預(yù)警信息及時(shí)發(fā)送給管理人員和相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)，使海堤管理處的工作人員能夠及時(shí)采取相應(yīng)的處理措施，消除安全隱患，確保水閘的安全運(yùn)行。

海堤管理處人員可定期進(jìn)行觀測數(shù)據(jù)的整編及分析，判斷工程安全狀態(tài)。建設(shè)和完善水利基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，為決策部門對水利工程進(jìn)行有效的綜合管理和宏觀決策提供準(zhǔn)確、及時(shí)、有效的信息化保障和服務(wù)。

4 系統(tǒng)建設(shè)目的

通過引張線系統(tǒng)在外走馬埭海堤水閘的運(yùn)用，能夠及時(shí)獲取水閘表面位移數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行解算分析處理，實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測情況并通過多種手段進(jìn)行預(yù)警，輔助工程管理單位進(jìn)行精細(xì)管理、快速響應(yīng)、協(xié)同調(diào)度、科學(xué)決策，使運(yùn)行管理單位不同的管理人員能夠快速掌握水閘的安全動態(tài)。

a.巡查人員根據(jù)外走馬埭海堤工程相關(guān)巡查制度的要求定期前往各閘站現(xiàn)場，通過系統(tǒng)的人工觀測功能對水閘表面位移進(jìn)行觀測，了解現(xiàn)場情況，發(fā)現(xiàn)隱患及時(shí)向海堤管理中心匯報(bào)情況，同時(shí)接受海堤管理中心對異常情況發(fā)出的巡查命令，進(jìn)行現(xiàn)場巡視并匯報(bào)情況。

b.現(xiàn)場閘站值班人員可將接收到的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，與人工測量結(jié)果進(jìn)行比較，隨時(shí)監(jiān)控水閘安全動態(tài)，及時(shí)掌握水閘的安全情況，發(fā)現(xiàn)異常或隱患及時(shí)向上級匯報(bào)。

c.海堤管理處工作人員及上級監(jiān)管部門可不受地域限制隨時(shí)掌握各水閘的安全運(yùn)行情況。通過系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析，及時(shí)準(zhǔn)確地了解水閘安全的發(fā)展動態(tài)，在突發(fā)情況時(shí)，可根據(jù)預(yù)警信息，迅速啟動相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，指揮應(yīng)急處置與救援。

系統(tǒng)的投入使用，對運(yùn)行管理人員的綜合素質(zhì)要求相應(yīng)提高，需要既懂水利工程又懂信息化管理的復(fù)合型、實(shí)用型的專業(yè)人才，要在管好、用好上做文章，充分發(fā)揮自動化監(jiān)測的作用，為水利工程的安全運(yùn)行提供保障，為泉惠石化工業(yè)園區(qū)經(jīng)濟(jì)快速穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展保駕護(hù)航。

5 結(jié) 語

引張線系統(tǒng)以其觀測精度高、穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡單、防潮性能好，在極端惡劣的環(huán)境中能連續(xù)長期工作等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于水工建筑物安全監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測的動態(tài)化與數(shù)據(jù)化，可有效對異常情況的發(fā)生做出預(yù)警防范。該系統(tǒng)在外走馬埭海堤水閘的應(yīng)用，改變了工程管理人員傳統(tǒng)觀測的工作模式，可直觀、連續(xù)、實(shí)時(shí)掌握水工建筑物的實(shí)際動態(tài)，完成自動測量、數(shù)據(jù)處理、圖表制作，實(shí)現(xiàn)無人值守及遠(yuǎn)程控制。該系統(tǒng)可及時(shí)預(yù)報(bào)預(yù)警異常和安全隱患的情況，為隱患處理與評估提供科學(xué)依據(jù)，杜絕事故的發(fā)生，從而實(shí)現(xiàn)水閘安全自動化監(jiān)測和信息管理現(xiàn)代化。