黄河焦作河段坝岸监测系统选址与布设

浮俊超 张磊 李凯 梁新怡

摘要：黄河坝岸险情监控报警报险系统的研发与应用改变了“防守靠人力、巡查靠人眼、决策靠电话”的防汛工作状况。通过系统选址与布设的论述及运用实例分析，认为安装选址优先考虑在坝身有问题和受河势影响容易发生险情的坝岸，且安装时采样点宜选取在沿根石台外沿或相应黄河花园口站流量4000m3/s（沁河武陟站流量500m3/s）水位线位置处。系统的推广与应用有效降低了人工查险的劳动强度和工作风险，提高了黄河沿岸河务工作的管理水平和工作效率。

关键词：选址；布设；坝岸监测系统；焦作河段；黄河

中图分类号：TV871.3；TV882.1 文献标志码：A Doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.09.009

1 概述

黄河坝岸险情监控报警报险系统（简称坝岸监测系统）是焦作黄河河务局（简称焦作局）等单位自行研发的新型系统。2015年9月至2017年5月，焦作局在大玉兰控导工程开展了坝岸监测系统的研究，旨在实现坝岸险情实时监测及工程现场信息采集，根据黄河坝岸险情发生、发展机理，应用现代化信息技术将黄河防洪工程的信息采集、传输、报警、报险等功能有机融合，实现险情的远程实时监测和报警，为险情的及时、有效抢护及保障防洪工程安全提供重要的技术手段。研发了基于高分子聚合物的传感系统，可将险情数据实时上传至监测系统，实现对防洪工程险情的远程实时监测，险情发生后可持续保持险情监测能力；研发了坝岸监测系统，可实现不同部位自动报警，并与视频监控系统联动进行远程险情确认，能自动生成出险时间、地点、部位、现场图片等相关信息的险情数据包，且具备多级审核功能；研制了新型移动信息采集装置，可针对突发险情进行实时监测，实现现场环境信息采集、数据传输、音视频转播等功能。该系统探索出一種信息化与治黄业务深度融合的“互联网+”模式，改变了“防守靠人力、巡查靠人眼、决策靠电话”的防汛工作状况，已在河南黄（沁）河多处防洪工程得到应用，取得了显著的社会经济效益，推广应用前景广阔，曾获河南黄河河务局2016年度科技进步一等奖，获黄委2017年度科技进步二等奖。在坝岸险情监测方面，获得国家实用新型专利4项，另有2项国家发明专利申请已被受理。

根据测算，该系统单坝安装成本约10万元，与同类系统相比具有明显的价格优势。但是，黄河坝垛护岸工程仅焦作段就有695座[1]，如果每道坝岸工程都安装该系统，那么投资将非常巨大，会给河务部门造成很大的经济压力，是很难实现的。因此，在哪些地方安装、哪些地方不需要安装以及如何布设，成为值得考虑的问题。

2 安装选址与布设

2.1 选址

该系统安装的目的是实现坝岸险情实时监测及工程现场信息采集，融监控、报警、报险功能于一体，使险情发生发展可感知、工程运行情况可掌控、指挥调度可协同。因此，安装选址需要考虑的主要因素就是坝岸险情发生的原因。

根据近几年焦作局险情统计情况可以看出，焦作黄河河道工程常见的险情主要分为根石坍塌、坦石坍塌、坝基坍塌和坝档坍塌后溃4种类型，险情的成因主要有以下几个方面。

（1）坝岸自身问题。坝岸自身不稳定是造成险情发生的内在因素。坝岸从总体结构来看，可分为根石和坝身两部分，其中根石是坝岸稳定的基础，坝岸工程的稳定程度直接取决于坝岸根石的稳定与完整程度。根石传统结构是散抛石块裹护根石土胎，在水流冲刷下，一部分根石容易离开坝体造成走失，若根石走失严重而未被及时发现和抢护，则坝身将会发生裂缝、蛰陷、墩蛰或滑塌等险情，最终导致坝岸出险。新建的坝岸工程尚未遇到过大水或抢过险的坝岸，由于根石少且根基多数座落在淤积的泥沙上，因此一旦着溜淘刷，就会因根石埋深不足导致坝基不断下切，从而发生根石坍塌等险情。根石自身安放条件不足，如深度不够、断面不足等，在水流冲刷下易形成冲刷坑，造成护根石蛰动，导致根石坍塌险情。由险情统计可以看出，坝岸发生的根石坍塌等险情中60%以上是由坝岸根石走失引起的。

（2）河势影响。畸形河势是黄河下游河势演变的一种特殊的自然现象[2]，其平面表现形式多为横河、斜河，其水流轴线与规划流路轴线的夹角一般大于65°，往往形成S形、Z形、Ω形等河势。畸形河势的发生和发展易造成现有水流不能按照工程治导线行进，使控导工程失去控制主溜、稳定河势的作用，也极易出现重大工程险情。

根据2017年汛后黄河河势查勘报告，焦作河段河势预估变化及应对措施为：①逯村、开仪、化工控导工程河势不会有太大变化。化工3-16坝、38-41坝容易出险，需对易出险坝道进行加固。②大玉兰控导工程受横河河势影响，1-10坝、30-36坝出险概率增大，急需进行根石加固或对该段河道内河心滩进行治理，消除隐患。③如果来水量变小，那么驾部控导河势基本不变，河势可能会下挫至38坝以下靠河；如果来水量变大，那么河势可能上提至27-45坝靠溜，极易形成险情；东安控导48坝处淘刷严重，背河部分滩地塌滩，建议对塌滩严重部位进行应急处理，以确保坝后防汛道路和滩区滩地安全。④嘉应观7-9垛的修建进一步缓解了该处的不利河势。现主溜冲刷8-9垛，随着水流对东营、御坝滩区的继续冲刷，主溜可能继续靠北岸移动，河势仍然会下挫，滩岸继续向北、向东坍塌，急需在9垛下首修建10-13垛，以有效控制该段河势流路，减少滩岸坍塌。⑤老田庵控导工程中小流量河势相对稳定，若来大水，则31-35坝将受主溜持续冲刷，出险概率将进一步增大。

从焦作黄河河势图和大玉兰控导工程险情统计表（见表1）可以看出，发生险情的坝岸多为各工程靠河且容易发生大溜顶冲、回溜淘刷和边溜冲刷的地方。如2014-2017年大玉兰控导工程受河心滩影响出现横河河势，河心滩挑溜至28坝，使28坝以下坝岸靠大溜，工程出险频繁。在29-35坝迎水面形成强回溜，致使丁坝迎水面、坝前头等部位根坦石下蛰发生一般或较大险情。由表1还可以看出，2016年安装坝岸监测系统后由于发现险情及时，做到了“抢早、抢小”，因此抢险用石较少，节约了一定投资。

综上所述，系统安装选址应优先考虑在坝身有问题（根石不稳固）或者受河势影响容易发生险情的坝岸工程处。

2.2 系统布设

该系统沿根石台外沿或相应黄河花园口站流量4000m3/s（沁河武陟站流量500m3/s）水位线位置，每间隔1～3m距离布设一个采样点，以特制传导线连接采样点，用拉力传感器监测传导线拉力，并将数据上传至YRAP-D（黄河险情数据采集协议转换装置，焦作局自行研发的一种新型数据采集设备），实现实时数据监测。当有根石台且根石台高程低于相应黄河花园口站流量4000m3/s（沁河武陟站流量500m3/s）水位線时，采样点布设在根石台外沿处；当无根石台或根石台高程高于相应黄河花园口站流量4000m3/s（沁河武陟站流量500m3/s）水位线时，则布设在相应黄河花园口站流量4000m3/s（沁河武陟站流量500m3/s）水位线位置处。之所以选择这个高程设置，原因主要有以下几个方面。

（1）花园口站流量达到4 000m，/S（沁河武陟站流量达到500m3/s），是黄河（沁河）防汛由一般戒备状态到高度戒备状态的一个转折点。根据黄河水情信息查询及会商系统近几年的数据，黄河花园口站发生超4000m3/s流量的概率较小，采样点布设在此位置线，完全可以监测到此流量下发生的各种险情，此时即使河势工情观测次数较少，通过该系统也不会漏掉任何险情，可以做到险情的“抢早、抢小”。当预报花园口站发生流量4000m3/s（沁河武陟站流量500m3/s）洪水时，按照《河南黄河防汛应急预案》要求，河南省防指将发布Ⅳ级（蓝色）汛情预警，河势工情观测需增加观测次数，可以不借助于该系统进行观测。

（2）当根石台高程低于黄河花园口站流量4000m3/s（沁河武陟站流量500m3/s）水位线时，采样点应布设在根石台外沿处。若布设在相应黄河花园口站流量4000m3/s（沁河武陟站流量500m3/s）水位线处或根石台以上其他位置，则由于根石台有一定宽度，因此对于根石台以下位置发生的险情，布设的采样点将无法感应，系统将失效。

3 实例运用

3.1 焦作大玉兰控导工程

2010年至今，大玉兰控导工程出现两段畸形河势，分别为2010-2013年大溜顶冲1-7坝、2014-2017年大溜顶冲29-35坝。2015年9月，在该工程正式启动了坝岸监测系统项目，并在30-34坝共安装5套该系统。2016年3月31日7时50分，大玉兰控导34坝迎水面发生较大险情，系统监测到34坝迎水面出险并自动报警，首次实现了在真实防汛环境中的险情报警功能。该系统自动录制了出险及抢险视频（见图1），这是黄河上首次以监控视频方式完整记录出险全过程。

2016年6月5日20时3分，大玉兰控导工程出现降雨量50mm以上的暴雨，系统监测到33坝迎水面及圆头出现险情，并自动报警，在恶劣天气下实现了真实环境中的险情报警功能，见图2、图3。3.2其他工程

（1）2017年4月，在武陟第一黄河河务局沁河老龙湾险工7垛安装1套该系统，截至目前系统运行正常，未发生任何险情。

（2）2017年5月，在兰考黄河河务局蔡集控导工程9坝安装1套该系统，截至目前系统运行正常，未发生任何险情。

（3）2017年5月，在长垣黄河河务局大留寺控导24坝安装1套该系统。当年6月16-17日，分别通过系统监测到24坝受大溜顶冲发生的根石坍塌一般险情各1次，做到了险情的“抢早、抢小”。截至目前，该系统运行正常。4结语

综上所述，坝岸监测系统的安装首先考虑在坝身有问题和受河势影响容易发生险情的坝岸，且安装时采样点宜选取在沿根石台外沿或相应黄河花园口站流量4000m3/s（沁河武陟站流量500m3/s）水位线位置处。

通过系统的推广与应用，很好地实现了工程险情的“抢早、抢小”，节约了投资，改变了“防守靠人力、巡查靠人眼、决策靠电话”的防汛工作局面，有效降低了人工查险的劳动强度和工作风险，提高了黄河沿岸河务工作的管理水平和工作效率。

参考文献：

[1]焦作市防汛抗旱指挥部.焦作黄（沁）河防洪预案[2].焦作.焦作市防汛抗旱指挥部黄河防汛办公室，2017.2.

[2]胡春宏，陈绪坚，陈建国.黄河水沙空间分布及其变化过程研究[J].水利学报，2008，39（5）：518-527.