平原河道节制闸数字化监测问题探讨

◎ 宋秋英 齐河县水利局

1.平原河道节制闸研究现状

建国以来，我国已设计、制造各式闸门上万座，闸门面积由50年代的20m2发展至今达300m2，设计水头有25m提高到120m左右；总水压力由1000吨（表孔闸门）和2000吨（深孔闸门）分别提高到3000吨和6000吨；闸门止水由一道P型止水发展至两道P型止水、充压止水、变形止水等。我国水利工作者在大江大河和重要水利枢纽工程中的闸门研究已积累了丰富的经验。

近二三十年来，由于气候变化，降雨量减少，再加上工农业用水量逐年增加，使得北方地区大部分河道上拦、截、蓄水建筑物处于闲置状态，常年失修，造成钢筋混凝土老化破损严重，钢闸门大面积锈蚀和大挠度弯曲变形；有些地区因工业污水排放，河道污水中有害离子增多，使得钢闸门等金属构件锈蚀老化速度加快。这些问题已成为平原河道上水工建筑物普遍存在的问题。

2.平原河道节制闸存在的主要问题

国内对平原河道水闸的研究工作存在着严重滞后现象，随着时代的发展，在这一领域存在的某些问题越来越突出。

（1）节制闸建筑物混凝土铺盖出现贯穿性裂缝，威胁工程安全；闸墩混凝土特别是水位变化区内闸墩混凝土冻融损害严重，混凝土剥落面积大。（2）闸门锈蚀严重，承力构件变薄；承力不足，导致各闸门不同程度地产生严重变形，造成漏水及启闭困难；启闭机及电气设备老化，启闭不灵活；大多启闭机带病运行，启闭时机器噪音大，运转不灵；大部分油丝绳老化、锈蚀，有断丝现象。变压器至节制闸的低压输电线路老化严重，已对行洪除涝安全造成威胁。（3）下游消能设施损坏严重。（4）闸后交通桥设计承载能力低，已不能适应现代化交通需要。（5）渗压、沉陷、位移等观测设施失效或缺失。（6）原设计未考虑地震荷载。（7）水闸的监测仪器设备老化、监测手段落后，监测数据处理技术落后等。

3.节制闸病害及检测

平原河道节制闸闸门是水工建筑物的重要组成部分之一，平面钢闸门是节制闸闸门常见形式之一，平面钢闸门结构形式简单，启闭灵活，但有着易锈蚀的缺点，在闸孔宽度较大，上游水位较高的条件下启闭钢闸门还容易造成钢闸门变形等问题。闸门在启闭过程中或闸门在局部开启的情况下工作时，水处于流动状态而产生动水压力作用在闸门上。脉动水压力有时会引起强烈振动，是造成闸门或闸墩破坏的主要原因之一。对闸门进行数字化、可视化监测，实现河道拦、蓄、泄水调度的自动化是解决这一问题的根本途径之一。

在全面检测和重新评价平原河道节制闸病害及其损害程度的基础上，对主要构件特别是钢闸门进行更换或采用新技术进行维修，并最终建立完善的数字化监测与调度系统，实现运行管理的自动化控制和信息反馈。

（1）平面钢闸门安全检测。外观形态检测，包括外形尺寸、损伤、变形、锈蚀检测；平面钢闸门启闭时的动态应力变形测试。

（2）锈蚀厚度检测。对闸门各主要锈蚀构件进行锈蚀厚度检测，采用的仪器有：CTS-30袖珍数字式测厚仪、CTG-10涂层厚度测定仪。

（3）无损探伤。检查闸门的主要受力焊缝是否有疲劳裂纹，意外事故引起的裂纹等缺陷，对主要受力焊缝采用水平定位法和深度定位法进行超声波探伤。采用的仪器有：ST-88 频率探测仪。

（4）闸门结构应力与变形检测。采用XL3403G型静态应变测量系统：主要由箔式电阻应变片、XL2101电阻应变仪和微机三个硬件部分和支持软件组成。

（5）启门力检测。

4.信息化监测管理系统

4.1 系统功能

“平原河道节制闸信息化监测管理系统”（以下简称“信息系统”）将平原河道的闸门、启闭机的设计参数、强度计算结果、运行观测记录及安全检测结果借助微机进行处理，它包含了如下资料数据：节制闸的钢闸门、闸室、闸墩、闸底板等部件的基础数据；输水、泄水、拦污等功能基本参数；河道主要建筑物动态运行的可视化界面；平面闸门结构校核计算结果及可视化应力位移图；启闭机电气设备、供电系统检测结果；平原河道多年水位、气温的月数据（月最高、最低、平均值）。

“信息系统”具有以下功能：检索资料目录；浏览工程布置图动态运行状况；查询闸门及启闭机档案；查询供电系统及备用电源信息；管理、查询闸门、启闭机运行、维护与问题处理信息；记录水库水位、气温变化情况，动态生成曲线；查询闸门校核计算结果及启闭机电气部分安检结果；提供平原河道自动化调度数据信息。

4.2 系统设计要求

（1）数据采集与处理：借助数字化展开采集和处理作业；能够对数据指令进行传输，还可以实现图像浏览，并且会对水情数据展开有效的收集。从而达到数据通讯：能够和相关部门进行通信，完成计算机和关联设备的数据通信。

（2）在事故报警方面：当处于运行状态时，能够展开实时监视作业，对出现的事故展开记录存档。

（3）在控制和调节方面：通常是7孔节制孔闸门，还有户内变电所的电气设备。小水电控制单元在小水电控制屏完成，并与监控主机相连接。根据上下游水位、流量关系曲线，自动控制闸门开高；根据上下游水位、自动限流、限水位控制；实现节制闸设备的自动控制，满足“无人值班，少人值守”的要求。实现控制室内集中数据显示、分析、处理；实现集中和分散控制。

4.3 监控系统结构

在结构方面，只要使用分层结构，主题架构是远方、站控室、现地3级，而在控制权方面则是保持一致。

（1）在远控级设方面，主要在平原河道站里，借助光纤实现和节制闸控制系统的有效连接，从而展开信息采集工作，并完成调度指令的上传下达，而在必要的时候则是要展开远程控制，而且需要注意的是，还能够对闸门等相关设施的具体情况传输至远控级。以现地监控而言，能够和监控工作站实现连接，主要借助以太网展开。

（2）而在站控级方面，主要设置在节制闸控制室里，借助网络对节制闸方面的及时信息展开有效的传送，传输至远方。借助监控网络的应用，从而和现地控制级打造有效的通信，而且借助工作站的监测，能够对监控界面展开掌握，进而可以得到设施设备的详细情况，以及所需要的具体参数。

（3）而以现地控制级而言，其为系统最后一级，同时亦为最被重视的一级控制，其能够向下接收不同的信息，实现对设施整体参数的有效收集整合；而向上则是能够实现上级命令的接受，需要注意的是，也能够实现信息在第一时间的上传。

4.4 平原河道节制闸计算机监控系统功能

（1）监控工作站。所谓的监控主机，通常为监控上位机。它的主要作用为：能够实现联网功能，并和调度系统中心进行有效的联网，借助网络实现调度的接受，而相关的调度指令往往会存有密码，亦能够向上发送相关的资信。

（2）而在现地控制单元方面。通常由控制单元LCU等构成。而对控制闸门运行而言，控制单元为级别最高、最为关键的自动控制单元，如若监控主机发生问题的话，亦或者为出现监控脱离的情况，其亦可以很好地保障闸门运转，以及实现程序控制等。在现地控制单元层面，主要借助太网方式展开，借由交换机开展和监控主机的有效通讯，且接受上级所下发的指令，并且还可以传输不同设施的具体情况以及收集的信息。

5.意义

建立系统完善的监测体系，对节制闸进行长时间的运行监测，为信息化管理系统的建立获取大量数据。借助信息化管理技术对所有基础资料及数据进行数字化处理，达并借助现代通讯手段传输到中央控制室，达到管理自动化调度及时有效的目的。对平面钢闸门实施全过程的运行监测，给出平原河道节制闸调度及安全运行信息化、数字化技术方案。结合金属结构锈蚀研究的最新成果，通过大量现场及室内试验，给出经济上合理、技术上可行的平面钢闸门维修加固技术方案，给节制闸的安全运行提供技术支撑。