浅谈引张线系统在外走马埭海堤水闸监测中的应用

(惠安县外走马埭海堤管理处，福建 惠安 362100)

1 工程概况

福建省泉州外走马埭海堤工程位于福建省湄洲湾南岸惠安县境内，地处惠安县辋川、东桥、净峰三镇辖区内。外走马埭海堤于2004年8月开工，2009年3月14.011km的海堤工程整体完工，原设计为3级堤防，防潮标准为50年一遇，防洪标准10年一遇，保护对象为外走马埭垦区。2012年下半年，福建省人民政府批准在围垦区内成立泉惠石化工业区，垦区的用途发生了转变，外走马埭海堤工程防护对象变为国家级大型石化基地为主的工业园区，根据《防洪标准》(GB 50201—2014)和《海堤工程设计规范》(GB/T 51015—2014)的要求，经泉州市人民政府研究，决定将外走马埭海堤工程防护标准提升至200年一遇，工程等级为1级。海堤为土石混合堤，全线共设有四座水闸，分别为鲤鱼岛闸、大屿岛闸、板屿闸、塘头闸，水闸主要功能用于防潮、纳潮及排涝。

海堤水闸是海岸带的人工屏障，作为抵抗风暴潮、特别是台风和高潮袭击的第一道防线，其运行状态将会直接影响沿海地区及石化工业园区的安全。恰逢海堤工程提级加固，海堤、水闸的安全性得到进一步提高。垦区的防洪排涝任务的执行主要依靠沿堤四座水闸的调度实现，为全面掌握水闸运行状态，对其进行有效的安全监测显得尤为重要。海堤、水闸的安全监测内容包括堤坝的表面位移、堤坝渗流、水闸的闸底板扬压力以及水闸的表面位移等，本文着重对工程涉及除险加固和改扩建的四座水闸表面位移监测方法进行阐述。

2 系统设计

2.1 工程运行现状

由于管理单位没有参与原工程建设，从2009年3月海堤工程整体完工到2012年5月移交管理期间缺乏管理和养护，没有水闸工程沉降、变形等观测设施和监测资料，无法全面掌握其性状变化和安全状态。2014年11月，外走马埭海堤管理处委托南京水利科学研究院对板屿排涝闸进行安全鉴定，结果为三类闸，运行指标已达不到设计标准，另外三座水闸未进行安全鉴定。水闸局部闸墩、启闭机房立柱、栏杆等部位的混凝土存在破损脱落、顺筋裂缝、锈胀以及海水侵蚀等现象，存在极大的安全隐患，为保障海堤、水闸的安全运行，全面掌握其性状变化和安全状态，亟须根据工程的实际对其安全情况进行有效监测，随着外走马埭海堤提级加固工程建设的进行，对沿堤水闸进行除险加固和改扩建，为实时监控闸站的安全情况，在项目中采用引张线系统对水闸的表面位移进行监测，并针对监测数据进行分析预警，能够及时发现异常和判断隐患位置，协助工程管理人员实时掌握工程安全状况、及时处理问题。

2.2 引张线仪基本原理

引张线仪是引张线法中用来观测水工建筑物水平位移变形的光电测量仪器。引张线法用于直线型建筑物(如直线大坝及水闸等)的水平位移观测。在直线型建筑物的两端建立引张线端点，端点之间悬挂一条施加张力的铟钢丝，称为“引张线”。利用引张线建立的标准直线将作为永久的测量标志来测定水工建筑物各部位垂直于该标准直线方向上的水平位移。早期的引张线坐标仪采用固定水平标尺进行人工测量以及之后升级换代的电测量方法，由于测量部件都需要附加在引张线上，从而改变了引张线的力学状态，对前后测量数据有一定影响，不利于数据的衔接。

外走马埭海堤水闸表面位移监测系统选用以CCD器件(电荷耦合器件，Charge coupled Devices,简称CCD)为核心的光电一体化智能型自动观测引张线坐标仪，采用光电图像传感方法，实现对微量的位移进行检测，不用在引张线上外加任何测量部件，对引张线的工作状态没有任何影响，实现了非接触式的测量，极大地提高了测量数据的可靠性和精确度。仪器采用单片机实现CCD器件的程控驱动、信号处理及识别、数据采集、计算和通讯等功能。引张线坐标仪配合测点箱、端点箱、自动采集设备、计算机及相应配套软件组成一个完整的测量系统，利用现代电子、信息、通信及计算机技术，实现对水闸形变监测数据实时、自动、连续采集、传输、管理及分析，同时系统具备人工观测功能。

引张线设备采用线阵高分辨率的CCD器件，实现了高分辨率、高精度、无电学漂移、宽测量范围等技术指标，仪器具有结构简单、安装灵活方便、防潮性能好、技术配套性好等特点。

2.3 系统布置

外走马埭海堤沿线共设四座水闸，设备在水闸建设过程中，需与主体工程同步进行并确定安装位置，每座闸布设一套引张线系统，每个闸墩设置一个测点。工程改扩建后各水闸孔数见下表：

水闸特性表

根据改扩建后孔数，需配置引张线系统及相应配套设备，包括引张线坐标仪、测点箱、张紧端、固定端、铟钢丝、保护管、人工读数标尺等，以及设备所需电源。张紧端及固定端选择在水闸两侧边墩相对稳定的位置进行布置，系统在每座水闸设置一套自动化采集设备，实现监测数据的采集传输。

2.4 系统安装方式

引张线机械测量系统有两种安装方式，一种为常规直接露天布置，另一种为埋入式安装方式。根据外走马埭海堤水闸建筑物现状，引张线系统的安装采用露天布置的方式，每个测点需要设置测墩，墩的高度一般设置为1.2～1.5m，所有测点墩高程尽可能在同一高程上，各测点误差控制在1cm以内，同时要保证安装平面的平整度，尽量减少测点箱体安装水平面的误差，测点箱包含钢丝浮托部件，具有人工读数装置，同时测点箱又是引张线仪的保护箱，引张线钢丝采用镀锌管进行保护。安装示意图如图1所示。

图1 安装示意图

3 系统使用

3.1 信号采集

由于外走马埭海堤四座水闸分布较为分散且距离较远，环境较为恶劣，工程中测控点多，自动化监测系统采用分布式结构，信息层设置在管理处信息管理中心，采用双机热备方式进行数据收集与处理；采集单元布置在各水闸分中心，采集单元具有远程控制、智能采集、自检、存储、可扩展、掉电保护、防雷等功能；感知设备布置在水闸闸墩。各水闸分中心与管理处信息管理中心之间采用光缆连接，光缆通讯可以提高系统的抗干扰能力以及数据的传输速度，保证系统数据的传送可靠性。引张线坐标仪本身不含数据存储单元，所有仪器观测数据以光隔RS485串行通讯方式传输给水闸分中心自动采集单元(MCU)，MCU获取引张线仪的数字信号通过光缆传输至海堤管理处综合信息管理平台数据库应用系统，实现数据的永久记录和存储，引张线观测仪器系统连接方式见图2。根据需要，引张线坐标仪也可以另外配接模拟量接口作为输出的连接方式。

图2 系统连接图

3.2 系统校验

由于引张线坐标仪在现场安装后不便于进行标定，为避免现场强光对仪器的标定工作的干扰，保障系统的准确度，在引张线坐标仪安装前，需在室内光线暗淡的环境下利用标定装置对每台引张线坐标仪进行标定，注意在标定时应使引张线坐标仪倒置，仪器应处于静止的条件下完成标定工作。系统标定完还需进一步进行现场检验，可采用顶点正偏离和负偏离三角测试方法对现场安装的引张线观测设备进行检验。

3.3 数据处理

由于引张线仪测量的是各测点仪器垂直于引张线建立的标准直线方向上的微量水平位移，经解算得到各监测点的水平位移值，位移变化的计算结果与引张线的实际布置有关，因此测量结果正负值须根据现场布置方向按照符号惯例进行统一重新设定。为保证数据采集的实时性及有效性，由管理处综合信息管理平台的数据采集软件、解算软件、管理平台软件、预警模块等负责将现场传输的监测数据进行同步实时解算、处理、存储及分析，经过数据可靠性检查、计算等过程，形成多种图表及汇总资料。为实现全天候实时监测，利用手持移动终端软件，实现移动设备与综合信息管理系统平台的平滑对接，移动应用平台基于物联网的随时随地共享信息的特点，保证工作人员能够不受地域、时间的限制，随时掌握工情信息。当监测指标达到预警值时，将联动短信群发系统，将预警信息及时发送给管理人员和相关领导，使海堤管理处的工作人员能够及时采取相应的处理措施，消除安全隐患，确保水闸的安全运行。

海堤管理处人员可定期进行观测数据的整编及分析，判断工程安全状态。建设和完善水利基础数据库，为决策部门对水利工程进行有效的综合管理和宏观决策提供准确、及时、有效的信息化保障和服务。

4 系统建设目的

通过引张线系统在外走马埭海堤水闸的运用，能够及时获取水闸表面位移数据，并对数据进行解算分析处理，实时显示监测情况并通过多种手段进行预警，辅助工程管理单位进行精细管理、快速响应、协同调度、科学决策，使运行管理单位不同的管理人员能够快速掌握水闸的安全动态。

a.巡查人员根据外走马埭海堤工程相关巡查制度的要求定期前往各闸站现场，通过系统的人工观测功能对水闸表面位移进行观测，了解现场情况，发现隐患及时向海堤管理中心汇报情况，同时接受海堤管理中心对异常情况发出的巡查命令，进行现场巡视并汇报情况。

b.现场闸站值班人员可将接收到的系统数据，与人工测量结果进行比较，随时监控水闸安全动态，及时掌握水闸的安全情况，发现异常或隐患及时向上级汇报。

c.海堤管理处工作人员及上级监管部门可不受地域限制随时掌握各水闸的安全运行情况。通过系统的数据分析，及时准确地了解水闸安全的发展动态，在突发情况时，可根据预警信息，迅速启动相应的应急预案，指挥应急处置与救援。

系统的投入使用，对运行管理人员的综合素质要求相应提高，需要既懂水利工程又懂信息化管理的复合型、实用型的专业人才，要在管好、用好上做文章，充分发挥自动化监测的作用，为水利工程的安全运行提供保障，为泉惠石化工业园区经济快速稳定和可持续发展保驾护航。

5 结 语

引张线系统以其观测精度高、稳定性好、结构简单、防潮性能好，在极端恶劣的环境中能连续长期工作等优势，广泛应用于水工建筑物安全监测，实现了监测的动态化与数据化，可有效对异常情况的发生做出预警防范。该系统在外走马埭海堤水闸的应用，改变了工程管理人员传统观测的工作模式，可直观、连续、实时掌握水工建筑物的实际动态，完成自动测量、数据处理、图表制作，实现无人值守及远程控制。该系统可及时预报预警异常和安全隐患的情况，为隐患处理与评估提供科学依据，杜绝事故的发生，从而实现水闸安全自动化监测和信息管理现代化。