萬迪文 馮新紅 余鵬翔 馬光飛

摘要：泄水閘對水利水電工程的安全運行具有重要意義，為實現(xiàn)設(shè)備運行狀態(tài)的實時監(jiān)測，以峽江水利樞紐工程的弧形泄水閘為例，通過需求分析確定了在線監(jiān)測的內(nèi)容及監(jiān)測方法，利用有限元分析、現(xiàn)代傳感技術(shù)和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，建立了泄水閘實時監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)包括監(jiān)測設(shè)備層、信息感知層、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集層等，采用B/S架構(gòu)，實現(xiàn)傳感器管理、運行狀態(tài)展示、數(shù)據(jù)分析、安全性評價和運維管理等功能，實現(xiàn)了泄水閘結(jié)構(gòu)應(yīng)力、振動、運行姿態(tài)、液壓啟閉機振動和液壓油清潔度的在線監(jiān)測，為水工金屬結(jié)構(gòu)數(shù)字化安全運維技術(shù)提供參考。

關(guān)鍵詞：泄水閘； 在線監(jiān)測； 實時監(jiān)測系統(tǒng)； 峽江水利樞紐

中圖法分類號：TV663

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.07.019

文章編號：1006-0081（2023）07-0111-05

0 引 言

水利水電工程泄水閘是調(diào)節(jié)、控制水位和流量的主要設(shè)備，是水工建筑物的重要組成部分。泄水閘運行正常與否，不僅直接關(guān)系到水工建筑物自身安全，還關(guān)系到下游人民生命財產(chǎn)的安全。

目前中國存在大量的現(xiàn)役鋼結(jié)構(gòu)泄水閘，由于設(shè)計、制造、安裝及運行管理等方面原因，部分金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備存在運行隱患，且泄水閘運行工況復(fù)雜多變，長期水下作業(yè)，隱患不易發(fā)現(xiàn)和排除。近年來，由于水工泄水閘運行故障引發(fā)的水利樞紐工程事故時有發(fā)生，如邢林生等［1］列舉了國內(nèi)外多個由于水工閘門失效造成重大事故的案例，并提出了應(yīng)對措施，但這些措施都是從規(guī)范管理的角度出發(fā)，并未對設(shè)備的狀態(tài)進行監(jiān)測。余嶺等［2］根據(jù)閘門定檢中發(fā)現(xiàn)的實際問題和事故分析，闡述了對水工鋼結(jié)構(gòu)實施智能健康診斷的必要性和迫切性，提出了利用智能傳感器進行水工鋼結(jié)構(gòu)健康診斷的展望。胡木生等［3］詳細介紹中國水工金屬結(jié)構(gòu)管理和監(jiān)測技術(shù)的現(xiàn)狀，提出了在線監(jiān)測系統(tǒng)的主要測量參數(shù)，但并未對具體參數(shù)監(jiān)測方法和實現(xiàn)過程進行說明。本文結(jié)合工程實例，詳細介紹了鋼結(jié)構(gòu)泄水閘實時監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測內(nèi)容、監(jiān)測方法、測點選擇以及系統(tǒng)架構(gòu)和軟件功能，為水工金屬結(jié)構(gòu)數(shù)字化安全運維技術(shù)提供參考。

1 工程概況

峽江水利樞紐工程位于贛江中游的峽江縣巴邱鎮(zhèn)上游峽谷河段，距巴邱鎮(zhèn)約6 km，是一座以防洪、發(fā)電、航運為主，兼有灌溉等綜合利用功能的大（1）型水利樞紐工程。壩址控制流域面積約62 710 km2，水庫總庫容11.87×108 m3，電站安裝9臺水輪發(fā)電機組，裝機容量360 MW。樞紐工程主要建筑物沿壩軸線從左到右依次是：左岸擋水壩段、船閘、門庫壩段、泄水閘、廠房壩段、右岸擋水壩。軸線總長845 ｍ，設(shè)計壩頂高程51.2 ｍ（黃海高程，下同），泄水系統(tǒng)由18孔泄水閘組成，水閘為寬頂堰開敞型，孔口尺寸16.0 m×17.0 m，閘底高程30.0 m，泄水閘工作閘門屬大（3）型，接近超大型，為贛江上最大的泄水閘門，門型為弧形鋼閘門，采用2×3 200 kN液壓式啟閉機驅(qū)動［4］。

2010年7月峽江水利樞紐工程主體工程開工，2017年12月通過竣工驗收，是172項節(jié)水供水重大水利工程中第一個整體工程竣工驗收項目，并獲得2017～2018 年度中國水利優(yōu)質(zhì)（大禹）工程獎、2018～2019 年度中國建設(shè)工程魯班獎及第十九屆中國土木工程詹天佑獎。

2 監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)狀和需求

現(xiàn)階段，中國水利水電工程中對于鋼結(jié)構(gòu)泄水閘的檢測主要分為兩類：① 在設(shè)備制造和安裝過程中的出廠檢測，包括制造過程質(zhì)量檢測和安裝過程質(zhì)量檢測，主要是對材料、焊接質(zhì)量、防腐質(zhì)量和制作安裝尺寸等進行檢測，目的是保證產(chǎn)品和設(shè)計一致；② 在運行過程中的安全檢測，包括日常巡檢和定期安全檢測，日常巡檢以人工目測為主，主要是對閘門的門體、吊桿、支撐結(jié)構(gòu)、止水和液壓啟閉啟漏液等外觀進行檢查，定期安全檢測主要是依據(jù)SL 101-2014《水工鋼閘門和啟閉機安全檢測技術(shù)規(guī)程》等規(guī)范要求，利用檢測儀器，對在役設(shè)備進行檢驗或測定，并根據(jù)結(jié)果做出判別。這些檢測手段對設(shè)備的健康運行起到了較大作用，但仍存在以下缺點：① 以人工檢測為主，受個人經(jīng)驗影響大；② 為周期性檢測，監(jiān)測數(shù)據(jù)不連續(xù)，實時性差；③ 受工作環(huán)境限制，數(shù)據(jù)采集不全面，存在漏檢誤判的風(fēng)險；④ 受環(huán)境影響大，監(jiān)測安全風(fēng)險大，工作量大、效率低。

隨著計算機和現(xiàn)代傳感技術(shù)的發(fā)展，能夠?qū)εc鋼結(jié)構(gòu)泄水閘安全運行相關(guān)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、振動、運行姿態(tài)和液壓啟閉機工況等內(nèi)在參數(shù)進行連續(xù)實時監(jiān)測。鋼結(jié)構(gòu)泄水閘實時監(jiān)測系統(tǒng)就是通過對閘門關(guān)鍵參數(shù)的實時監(jiān)測，實現(xiàn)閘門狀態(tài)的實時反映，對閘門狀態(tài)進行預(yù)報和預(yù)警，實現(xiàn)對其健康趨勢的預(yù)演，為編制預(yù)案提供支撐，提高水利工程的防災(zāi)害應(yīng)變能力和智慧化水平。

3 系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)

3.1 監(jiān)測內(nèi)容和方法

峽江水利樞紐泄水閘實時監(jiān)測系統(tǒng)，實時采集弧形閘門主要構(gòu)件的運行數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)傳輸與處理，實現(xiàn)對弧形閘門結(jié)構(gòu)應(yīng)力、流激振動、運行姿態(tài)和液壓啟閉機運行狀態(tài)的實時監(jiān)測。

（1） 閘門流激振動監(jiān)測?；⌒武撻l門發(fā)生事故的因素很多，如水工結(jié)構(gòu)布置不當、制造安裝要求不嚴、運用管理經(jīng)驗不足、閘門支臂剛度較差等。但通過對事故的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，因支臂失穩(wěn)、發(fā)生扭曲致使整個閘門失事是直接表現(xiàn)，而特定工況下水流脈動的隨機荷載會引起共振，嚴重的振動是支臂失穩(wěn)的重要原因［5］。

由于弧形鋼閘門的固有頻率較低，可以通過在閘門支臂的重要位置布置壓電式加速度傳感器，把水力作用引起的閘門震動轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)據(jù)、進行數(shù)據(jù)組織、存儲、運算處理，實現(xiàn)閘門振動頻率、振幅的實時檢測。

（2） 閘門結(jié)構(gòu)應(yīng)力檢測。閘門結(jié)構(gòu)應(yīng)力是閘門受力的直接表現(xiàn)，是閘門強度破壞的重要判斷依據(jù)。由于閘門長期處于水下，不能直觀判斷閘門的狀態(tài)，通過應(yīng)力傳感器實時采集閘門結(jié)構(gòu)的應(yīng)力數(shù)據(jù)，可以分析和判斷閘門結(jié)構(gòu)的安全性。應(yīng)力傳感器的種類較多，可根據(jù)安裝部位和使用條件選擇表面應(yīng)變傳感器或焊接式應(yīng)變傳感器。

（3） 閘門運行姿態(tài)監(jiān)測。閘門姿態(tài)監(jiān)測主要包括傾斜監(jiān)測和開度監(jiān)測。在閘門啟閉的過程中，由于液壓啟閉機雙缸同步，可能存在閘門傾斜，造成閘門啟閉力異常增大，嚴重時可能會導(dǎo)致閘門卡死。閘門運行過程中傾斜姿態(tài)監(jiān)測是利用高精度角度傳感器，可在傾斜角度達到預(yù)設(shè)值時，給出姿態(tài)預(yù)警，提醒操作人員緊急處理，消除隱患。

閘門開度是閘門的重要工況條件，開度大小決定了閘門的流量、流速和門卡漩渦對閘門的影響。閘門的開度通常采用閘門開度傳感器（位移傳感器）來進行測量，根據(jù)實現(xiàn)的測量原理，常用的有拉繩位移傳感器、磁致伸縮位移傳感器和靜磁柵絕對編碼器等。

（4） 液壓啟閉機振動監(jiān)測。液壓系統(tǒng)為閘門啟閉提供動力，主要包括動力裝置、控制調(diào)節(jié)裝置、輔助裝置等，動力裝置是指液壓泵，實現(xiàn)電能、機械能、液壓能的轉(zhuǎn)化，通過監(jiān)測管道系統(tǒng)壓力，可以較好地判斷當前的工作狀態(tài)，但無法對系統(tǒng)故障進行預(yù)判［6］。液壓油泵及其驅(qū)動電機本質(zhì)上屬于旋轉(zhuǎn)機械，利用加速度傳感器來監(jiān)測振動情況，通過數(shù)據(jù)分析實現(xiàn)故障診斷和健康評估。

（5） 液壓油清潔度在線檢測。液壓啟閉機在長期工作過程中，外部的塵土、設(shè)備內(nèi)部的磨損顆粒以及液壓油氧化變質(zhì)而產(chǎn)生的膠狀物等都會污染液壓油，液壓油污染后會加劇液壓元件磨損和表面疲勞，使內(nèi)漏增加，降低液壓系統(tǒng)的工作可靠性和系統(tǒng)效率，嚴重的可能造成油泵或電磁閥卡死、管路堵塞，使系統(tǒng)無法正常運行［7］。液壓油清潔度在線檢測是通過在液壓管路中安裝油液在線檢測儀，該儀器采用光阻法（遮光式）原理記錄單位體積內(nèi)不同大小顆粒物的數(shù)量，能夠?qū)崟r掌握液壓油的污染程度并分析液壓系統(tǒng)的磨損趨勢。

3.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

3.2.1 測點選擇

通過有限元軟件對閘門進行建模，其中對主梁、邊梁、縱梁、翼緣板、支臂腹板、支臂翼板均采用板殼單元進行模擬，次梁及支臂撐桿采用梁單元模擬，通過計算閘門在最大載荷作用下的應(yīng)力與變形，得到強度和剛度的分析結(jié)果如圖1所示。通過模態(tài)分析，確定了閘門振動特性。

通過對模擬仿真情況分析，確定閘門測點總布置如圖2所示，流激振動監(jiān)測點及監(jiān)測內(nèi)容詳見表1，應(yīng)力監(jiān)測點及監(jiān)測內(nèi)容見表2，運行姿態(tài)監(jiān)測點及監(jiān)測內(nèi)容見表3，液壓啟閉機振動監(jiān)測點及監(jiān)測內(nèi)容見表4。

3.2.2 系統(tǒng)組成

峽江水利樞紐泄水閘實時監(jiān)測系統(tǒng)由監(jiān)測設(shè)備層、信息感知層、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集層、上位機層和云服務(wù)層組成。其中，監(jiān)測設(shè)備層包括監(jiān)測的對象，即弧形鋼閘門和液壓啟閉機；信息感知層包括應(yīng)力、加速度、傾角和油液清潔度等傳感器，實現(xiàn)狀態(tài)信號和電信號的轉(zhuǎn)化；現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集層主要包括數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集卡和工控機等，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和清洗；上位機層包括數(shù)據(jù)服務(wù)器、中控室電腦和展示大屏等，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析和展示；云服務(wù)層主要包括WEB服務(wù)器及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等組成，在條件許可下實現(xiàn)數(shù)據(jù)云服務(wù)，系統(tǒng)框架圖如3所示。

系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，由上位機層和現(xiàn)地工作層組成，其中上位機層包括狀態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器、顯示器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等?，F(xiàn)地層設(shè)備包括各種傳感器、傳感器單元、數(shù)據(jù)采集單元、工控機、附件等?，F(xiàn)地層設(shè)備以工控機和數(shù)據(jù)采集單元為核心，采用模數(shù)轉(zhuǎn)化、485通訊和CAN通訊等多種數(shù)據(jù)采集模式，實現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時采集。上位機層和現(xiàn)地工作層之間采用光纖通訊實現(xiàn)數(shù)據(jù)高速穩(wěn)定傳輸。上位機層實現(xiàn)數(shù)據(jù)匯總，不僅接收閘門、液壓啟閉機實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，還實現(xiàn)與其他信息系統(tǒng)聯(lián)通，獲取其他相關(guān)工況數(shù)據(jù)，如水位、流量、壓力、水溫、水質(zhì)、含沙量和液壓啟閉機運行參數(shù)等，用于綜合分析。

3.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

峽江水利樞紐泄水閘實時監(jiān)測軟件系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，主要包括：傳感器管理、運行狀態(tài)展示、數(shù)據(jù)分析、安全性評價和運維管理等模塊，同時軟件具有開放的數(shù)據(jù)接口，可為上級業(yè)務(wù)中臺提供數(shù)據(jù)支撐。

（1） 傳感器管理模塊。傳感器管理模塊主要是對所有傳感器進行管理，包括通道、數(shù)據(jù)類型以及是否正常工作等。

（2） 運行狀態(tài)展示模塊。運行狀態(tài)展示模塊可實現(xiàn)閘門和液壓啟閉機狀態(tài)的實時展示，全面實景展示設(shè)備狀態(tài)和故障的預(yù)警信息等，軟件界面如圖4所示。

（3） 數(shù)據(jù)分析模塊。數(shù)據(jù)分析模塊對傳感器收集的數(shù)據(jù)進行接收和處理，通過濾波、傅里葉變化等技術(shù)提取特征值，并對數(shù)據(jù)進行存儲，實現(xiàn)對歷史數(shù)據(jù)的查詢。

（4） 安全性評價模塊。安全性評價模塊可以設(shè)置預(yù)警規(guī)則，建立預(yù)警判斷規(guī)則和安全評估模型，如通過比較測量的應(yīng)力σ與不同工況下有限元計算應(yīng)力值σfini以及許用應(yīng)力值［σ］和材料屈服強度σs的關(guān)系來評價判斷結(jié)構(gòu)安全性；通過監(jiān)測閘門振幅A，判別振動危害程度，給出預(yù)警報警信號；通過實時監(jiān)測閘門的傾斜角度β，在達到預(yù)警范圍時及時報警；通過監(jiān)測液壓油泵的機械振動，根據(jù)振動烈度V判斷危害程度；根據(jù)液壓油中不同粒徑顆粒物的多少來測定液壓油的清潔度，以此分析啟閉機液壓系統(tǒng)的磨損趨勢。系統(tǒng)綜合所有監(jiān)測數(shù)據(jù)和預(yù)警規(guī)則，實現(xiàn)對閘門和啟閉機的健康度評估，實現(xiàn)閘門和啟閉機的故障預(yù)報和預(yù)警，以及通過長期數(shù)據(jù)積累，實現(xiàn)健康狀態(tài)預(yù)測。

（5） 運維管理模塊。雖然有了實時監(jiān)測系統(tǒng)，但是定期的運維巡察必不可少。使用實時監(jiān)測系統(tǒng)后，巡察的周期拉長，巡察內(nèi)容有所不同，要增加對監(jiān)測設(shè)備的巡察和校準。運維管理模塊具有巡察線路規(guī)劃、任務(wù)發(fā)布和結(jié)果處理等功能，能及時把發(fā)現(xiàn)的問題輸入系統(tǒng)。

4 結(jié) 語

泄水閘實時監(jiān)測系統(tǒng)研究一直是水工金屬結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域的熱點問題，當前仍處于起步探索階段。峽江水利樞紐泄水閘實時監(jiān)測系統(tǒng)的探索性實踐，有效提高了水工金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的運行管理水平，該系統(tǒng)利用高精度傳感器實時采集閘門和啟閉機的狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過高效的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，搭建了故障判斷模型和安全評估模型的數(shù)據(jù)分析展示平臺。該系統(tǒng)實現(xiàn)了泄水閘和啟閉機的關(guān)鍵數(shù)據(jù)全面采集，首次對啟閉機液壓油的清潔度進行在線監(jiān)測，為數(shù)字孿生工程提供全面數(shù)據(jù)支撐。軟件系統(tǒng)在設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)實時展示的基礎(chǔ)上，增加了日常運維功能，實現(xiàn)了在線監(jiān)測和日常運維的有機統(tǒng)一，方便了設(shè)備運維，提高了設(shè)備運行可靠性，為水利樞紐日常運行管理提供參考。

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（編輯：唐湘茜，張 爽）