謝廣東 管世珍

文章編號：1006-0081（2019）09-0037-04

摘要：高地下水位是南水北調中線工程總干渠設計中的主要問題，尤其以全挖方和渠基透水性較強渠道更為突出，這些渠段襯砌層可能因其底面水壓力過大而產生浮動破壞。以總干渠湯陰段渠段為例，對高地下水位存在的危害以及處理方法進行了分析，設計了基于GPRS無線數據地下水遠程監(jiān)控系統(tǒng)的湯陰段抽排泵站。該系統(tǒng)采用傳感領域、通信領域、計算機監(jiān)控等領域內的先進技術，實現了對積水井的地下水位等信息的實時監(jiān)測和控制。通過GPRS網絡與監(jiān)測中心建立TCP網絡連接進行數據傳輸，監(jiān)測中心負責處理、存儲和分析來自各監(jiān)測井點的水位數據。并控制各監(jiān)測節(jié)點。運行管理人員通過APP軟件實時監(jiān)測水位數據，實踐表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定、能夠及時采集水位數據，在設備異常時報警，確保了抽排泵站在無人值守狀態(tài)下能夠安全運行。

關鍵詞：抽排泵站;自動控制;高地下水位;總干渠;南水北調中線工程

中圖法分類號：TV675

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.09.009

南水北調中線一期總干渠工程采用自流調水，渠道的布置和結構設計，特別是全挖方渠段受地質條件影響較大，其中約470km渠段為高地下水渠段（地下水位高于渠底高程），渠道穿越高地下水區(qū)域，對于渠坡和襯砌結構的穩(wěn)定性影響非常大，直接影響渠道運行安全。正確認識高地下水位對渠道的危害和采取對應的技術措施，是確保渠道安全的核心問題。

1工程概況

湯陰段設計單元是南水北調中線一期工程總干渠Ⅳ渠段（黃河北-羑河北）的組成部分，位于Ⅳ渠段中黃羑段的最北部。湯陰段設計單元南起自鶴壁與湯陰交界處，與總干渠鶴壁段終點相連接，北接安陽段的起點，位于羑河渠道倒虹吸出口10m處，起點總干渠設計樁號為Ⅳ175+432.8，終點設計樁號為Ⅳ196+749。

湯陰段渠段過水斷面采用梯形斷面，按挖填分為全填方、半挖半填和全挖方3種斷面型式。典型斷面見圖1-3。

對于全挖方渠道，襯砌前地下水位已接近或高于渠底，高地下水將造成以下3個方面危害。

（1）襯砌混凝土底部揚壓力上升。由于渠道兩側地下水位恢復原有高度，導致襯砌混凝土底部揚壓力較襯砌前大幅上升，對襯砌混凝土的邊坡穩(wěn)定性造成影響，易導致邊坡失穩(wěn)等事故發(fā)生。

（2）襯砌混凝土脹裂。渠道開挖時，土體干燥失水，體積收縮;襯砌完成后，地下水位上升，土體濕度增高，體積膨脹并形成膨脹壓力，易導致混凝土脹裂。

（3）滑坡。地下水位變化造成土體膨脹、收縮的往復發(fā)生，導致土的強度衰減，造成渠坡襯砌混凝土基礎承載力降低，引起滑坡等事故發(fā)生[1]。

基于上述危害，依據地下水情況，湯陰段工程采取現澆混凝土結構，并設置橫向及縱向縫;填縫采用聚硫密封膠及聚乙烯泡沫塑料板，根據土層的滲透能力，設置土工膜加強防滲[2]。在總干渠樁號Ⅳ181+200和Ⅳ182+000渠道右岸設置了兩座抽排泵站。

2排水系統(tǒng)結構及布置

泵站型式采用井筒式，井筒用導水鋼管與軟式透水管連接，以將軟式透水管內匯集的地下水通過導水鋼管輸送至井筒內。導水鋼管直徑為250mm，透水鋼管直徑為250mm。井筒材料為C20鋼筋混凝土，平面呈艮方形，內部尺寸為3.0 mx5.0m，井壁頂部厚0.6m，底部厚1.0m，井筒底板厚1.2m。

泵室豎向結構共分3層：①下部為檢修水泵泵室層，其高程根據導水鋼管高程降低2.5m左右確定，并設1臺移動檢修泵。②中間層為工作泵泵室層，其高程為工作泵安裝高程下0.5m左右，該層上設置2臺工作泵，1用1備。③上部為工作平臺層，其高程略高于總干渠一級馬道高程，該層設置啟吊孔、檢修孔等。自動泵抽排措施將水泵固定在積水井內，一般情況下水泵不工作，根據地下水和渠道水位之差實現自動抽水。該措施適用于地下水位較高且連續(xù)較長的渠段，這些渠段除設置抽排泵外，還設置了逆止閥進行自流內排。圖4為抽排泵站布置示意[3]。

抽排泵站無人值守，為確保時刻監(jiān)控渠道和地下水位情況，并在地下水位達到設定值時，水泵能夠自動啟停，在原設計的基礎上進行了升級改造，在Ⅳ181+200和Ⅳ182+000泵站增設2個水位監(jiān)測點，共計安裝4套壓力式水位計及配套的無線采集發(fā)射系統(tǒng)，實現了全自動檢測水位和控制水泵運行。

3自動控制方案設計

為實現抽排泵站無人值守，保證遠程控制的運行安全，提高防范手段以及對現場的設備設施、生產流程等工作進行定期、定點、及時的監(jiān)測、檢查、維護，泵站增設了PLC控制系統(tǒng)、GPRS無線數據傳輸設備。將采集到的強排泵站和抽排井的相關信息通過無線傳輸模式上傳至終端系統(tǒng)平臺，系統(tǒng)實現對抽排井及強排泵站的水位與運行工況的遠程監(jiān)測。根據報警規(guī)則，生成水情報警及工況報警信息，管理人員可根據報警信息進行接警及閉警處理。系統(tǒng)支持工藝畫面實時調用，終端無需額外安裝其他軟件，使用IE瀏覽器即可查看到相關工藝畫面;實現陳測地下水及渠道水位的動態(tài)變化，為渠道的安全提供科學的決策依據。

3.1PLC控制柜組成及功能實現

PLC控制柜內含：觸摸屏、PLC、斷路器、接觸器、繼電器、電機保護器、電流互感器、防雷浪涌保護器、電流電壓多功能電表、水位測量儀表、溫濕度控制器、工業(yè)交換機、指示燈、按鈕等。

PLC控制柜可實現手動和自動控制。在切換至自動檔時，工作泵可通過觸摸屏設定的啟泵和停泵條件實現排水泵的正常啟、停，出現異常情況可以按下“急?！卑粹o緊急停機。當出現異常情況和PLC故障時，切換至手動檔，即可通過常規(guī)繼電器實現泵站的正常啟、停。工作泵具有2泵輪流啟動，1臺泵故障，另1臺泵自動啟動互為備用的功能。

PLC控制柜與南水北調中線建管局（以下簡稱“中線局”）數據接收服務器通信采用無線通信方式，數據上傳至系統(tǒng)后臺數據庫。

3.2GPRS無線數據收發(fā)器

泵站控制柜內的PLC將采集到的水泵狀態(tài)信號，電壓、電流信號，渠道、集水井水位信號，經以太網口（或串口）傳輸給4G無線路由器，通過路由器無線VPDN專網發(fā)送至中線局的數據接收服務器。

無線路由器電源取自PLC控制柜中的總控開關，經斷路器后到達直流穩(wěn)壓電源，直流穩(wěn)壓電源配備了2個，通過冗余模塊給路南器供電，當1個電源故障時，另1個電源能夠繼續(xù)維持路由器供電。另外，電源部分配備了防雷浪涌保護器。

該項目中使用的SIM卡是中國移動公司的無線VPDN專網卡。每張卡都具有固定的IP地址，便于數據采集系統(tǒng)對應每個站點的同定IP進行數據采集。由于采用的是專網卡，因此能夠保障數據傳輸的安全性。

3.3遠程監(jiān)控設備

該套設備由壓力式水位計、采集發(fā)射終端（含電池）、GPRS SIM卡、室外設備箱等組成，進而實現數據的采集和發(fā)射。

SUMMIT-W6000P3型壓力式遙測水位計由溫度壓力一體變送器、微功耗RTU、大容量可更換鋰離子電池和不銹鋼殼體組成，可按照設定的間隔時間喚醒并啟動測量，將數據存儲到本地大容量閃存中，并通過GPRS＼GSM發(fā)送至中心服務器。該水位計采用超低功耗設計，無需外部供電。

遠程監(jiān)控系統(tǒng)是建立在丌放型結構的GPRS無線網絡環(huán)境上，系統(tǒng)設計使用符合工業(yè)標準的“開放”體系，使系統(tǒng)易于擴充和升級。該套設備具有非易失性FLASH存儲器，每4h存儲一次，存儲時間長達10a，便于后期維修時查看數據。

3.4觸摸屏的應用

湯陰段抽排泵站采用施耐德觸摸屏，實現了水泵運行及監(jiān)測數據的直觀顯示。

通過設置渠道與積水井水位差值，實現水泵從系統(tǒng)正常運行開始累計運行時間的統(tǒng)計，最大累計運行時間為9.9x1O10min。

3.5軟件部分

抽排泵站自動控制是一套綜合性控制系統(tǒng)，通過多種軟件實現本地和遠程的監(jiān)控，主要有以下幾套軟件。

（1）南水北調中線干線工程強排泵站運行工況監(jiān)測及抽排井水位監(jiān)測系統(tǒng)軟件開發(fā)。

（2）強排泵站、抽排井信息采集管理APP系統(tǒng)軟件開發(fā)。

（3）強排泵站內PLC軟件開發(fā)及調試。

（4）強排泵站觸摸屏軟件丌發(fā)及調試。

4自動控制功能

自動控制功能可實現水泵相關的電壓、電流、有功、功率因數等數據自動采集與實時顯示，泵組運行狀態(tài)、PLC運行狀態(tài)、軟啟動器保護裝置動作狀態(tài)等的狀態(tài)監(jiān)測和指示，還可實現水位測量、水泵自動啟停、監(jiān)測數據的傳輸等功能。

4.1水位測量

采用高精度、高質量的CQF/RS485壓力類變送器，將傳感器采集壓力信號轉化成電流信號，通過PLC處理轉換成數字信號。變送器采用專用集成電路及配件，具有穩(wěn)定性好、漂移小、精度高的特點。采用高性能MCU、高精度ADC，將壓力信號采集并轉換成數字信號，直觀監(jiān)測到集水井和渠道水位。

4.2水泵自動啟停

利用水位傳感器檢測積水井和渠道水位高度，將兩組數據傳送給PLC，并和系統(tǒng)設定的排水閥值高度進行比較，以此來判斷啟停排水泵的條件。若集水井和渠道水位變動的差值超過規(guī)定閥值高度，PLC將發(fā)出啟動水泵信號，抽排井水;當水位下降至低于二者差值時，水泵自動停止[4]。圖5為水泵自動啟停技術路線圖。

4.3遠程數據采集與傳輸

根據泵站現場實際需求，定時將采集劍的數據寫入數據庫，包含實時監(jiān)測、歷史數據、規(guī)則配置、報警信息、統(tǒng)計分析、基礎信息等6個模塊，遠程傳輸可實現以下功能。

（1）數據臨測。監(jiān)測水泵運行電流、電壓、工作累計時間、渠道水位、集水井水位等參數。

（2）臨控中心及本地操作平臺人機界面以圖形和數據形式動態(tài)顯示監(jiān)測數據，顯示報警信息，且系統(tǒng)自動保存，可通過數據庫查詢歷史數據。

（3）監(jiān)控中心不斷采集集水井水泵運行信息、傳感器數據等，將采集數據存儲于數據庫，并分析形成歷史曲線，以便查詢。

（4）用戶通過IE瀏覽器及手機App軟件查詢相關數據[5]。

5結語

針對湯陰段高地下水渠段工程，采用PLC技術和計算機控制技術相結合的集水井排水自動化監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)集現場控制和遠程監(jiān)控于一體，具有數據采集、實時監(jiān)測與控制、故障報警等功能。

通過提出泵站自動控制和監(jiān)測的總體方案，設計了科學合理的硬件和軟件系統(tǒng)，經過系統(tǒng)調試并最終投運。結果表明，該套自動控制系統(tǒng)運行可靠、自動化程度高，有效控制和監(jiān)測全挖方渠段高地下水位，改進運行管理模式，從而實現了泵站無人值守。

參考文獻：

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[2]張艷鋒，侯詠梅，張婷婷，南水北調中線鄭州1段工程防滲及排水設計研究[J].巖土工程學報，2016（SI）：67-73.

[3]吳劍疆，邵劍南，南水北調中線一期工程總干渠高地下水位渠道設計主要問題及對策措施[J].水利水電技術，2014（11）：46-49.

[4]毛化文，基于PLC技術的礦井智能排水系統(tǒng)研究[J].能源與節(jié)能，2015（10）：5-6.

[5]王盛杰，李小喜，許春雨，礦井主排水白動化監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)[J].中國礦業(yè)，2014（12）：147-151.

（編輯：李曉漾）

收稿日期：2019-04-02

作者簡介：謝廣東，男，工程師，主要從事水利水電管理等方面的工作。E-mail：271095986@qq.com