淺析橡膠壩高度遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)方法

張紅斌 岳永紅

（1.西安迪飛科技有限責(zé)任公司 陜西 西安 710018；2.大荔縣防汛辦 陜西 大荔 715100）

1 引言

橡膠壩作為一種新型水工建筑物。1957年在美國(guó)首次建成使用，當(dāng)時(shí)作為第一座橡膠壩，壩高僅1.52m，長(zhǎng)6.1m，壩袋膠布厚為3mm，強(qiáng)度為90kN/m。從此以后世界各國(guó)開(kāi)始研究并建造橡膠壩，并在技術(shù)上不斷更新和完善。我國(guó)于1965年開(kāi)始進(jìn)行橡膠壩的研制建設(shè)工作，于1966年建成我國(guó)第一座橡膠壩——北京右安門(mén)橡膠壩工程，整體壩高3.4m，壩體長(zhǎng)37.6m，作為中國(guó)的第一座橡膠壩，融入了很多新興的技術(shù)，雖然后來(lái)該橡膠壩曾兩次更換壩袋，但至今仍正常運(yùn)行，這將迎來(lái)在橡膠壩擋水、發(fā)電、灌溉、航運(yùn)等領(lǐng)域的飛速發(fā)展。

由于橡膠壩具有投資低、工期短、技術(shù)成熟、靈活耐用等特點(diǎn)，自20世紀(jì)90年代以來(lái)，在我國(guó)水利工程的發(fā)電、灌溉、航運(yùn)、擋水等領(lǐng)域發(fā)展迅速。在1966年到1993年近30年中，全國(guó)僅建成橡膠壩366座；據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2006年10月，我國(guó)已建橡膠壩約2000座，近年來(lái)更是以每年新建300座左右的速度發(fā)展，橡膠壩建設(shè)已進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期。

2 概況

2.1 現(xiàn)狀

隨著水利信息化的不斷發(fā)展，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在橡膠壩工程建設(shè)中得到了更為廣泛的應(yīng)用，運(yùn)用現(xiàn)代信息采集技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)、視頻監(jiān)控技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息處理技術(shù)等，建成以工程安全監(jiān)控、科學(xué)管理等為核心的數(shù)字化測(cè)控管理系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)對(duì)橡膠壩工程運(yùn)行過(guò)程中蓄水池水位、上下游水位、充排機(jī)組電壓、電流等參數(shù)的實(shí)時(shí)采集，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)相關(guān)泵、閥等電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)各種運(yùn)行參數(shù)及設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)控，操作人員在值班室通過(guò)監(jiān)控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備的遠(yuǎn)程控制功能，通過(guò)對(duì)工程全方位的科學(xué)管理、動(dòng)態(tài)監(jiān)控、預(yù)報(bào)預(yù)警，確保花五泵站的安全高效運(yùn)行。

在橡膠壩工程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)中，常常涉及蓄水池水位、上下游水位、閘門(mén)開(kāi)度、機(jī)井水位、高位水塔水位、電壓電流參數(shù)等模擬信號(hào)的監(jiān)測(cè)，涉及的監(jiān)測(cè)儀表主要包括水位計(jì)、開(kāi)度儀、電量監(jiān)測(cè)模塊等。但是隨著橡膠壩在防倒灌、擋水等工程中的應(yīng)用，橡膠壩高度的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)在工程建設(shè)中得到越來(lái)越多的重視，通過(guò)對(duì)橡膠壩高度的監(jiān)測(cè)，并結(jié)合上下游水位的變化，實(shí)現(xiàn)橡膠壩隨著上下游水位的變化實(shí)時(shí)調(diào)整高度，從而達(dá)到洪水時(shí)更加安全、高效的控制橡膠壩的升降，保證安全泄洪及工程主體安全的目的。

目前，國(guó)內(nèi)橡膠壩工程中，針對(duì)橡膠壩高度的監(jiān)測(cè)還主要是依靠人工觀測(cè)。在橡膠壩邊墩或中墩側(cè)面繪制標(biāo)尺人工觀測(cè)，或修建人工觀測(cè)走廊、索橋，工程運(yùn)行人員定時(shí)通過(guò)測(cè)桿測(cè)量橡膠壩高度的變化。然后根據(jù)橡膠壩當(dāng)前高度及上下游水位的比較，控制橡膠壩充水（氣）系統(tǒng)對(duì)橡膠壩充排水（氣），從而保證泄洪及工程主體的安全。

2.2 橡膠壩的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

橡膠壩是用高強(qiáng)度合成纖維織物做受力骨架，內(nèi)外涂敷橡膠作保護(hù)層，加工成膠布，再將其錨固于底板上呈封閉狀的壩袋，通過(guò)充排管路用水（氣）將其充脹形成的袋式擋水壩。壩頂可以溢流，并可根據(jù)需要調(diào)節(jié)壩高，控制上游水位，以發(fā)揮防倒灌、發(fā)電、航運(yùn)、防洪、擋潮等效益。

當(dāng)前橡膠壩人工測(cè)量過(guò)程中，需要修建人工觀測(cè)橋或索橋，工程投資大，且在工程運(yùn)行中需要值班人員定時(shí)的站在觀測(cè)橋上測(cè)量，人工勞動(dòng)強(qiáng)度大、測(cè)量難度大，并且在汛期橋下水流湍急，站在橡膠壩上方的觀測(cè)橋上危險(xiǎn)性比較大，且觀測(cè)效果不佳，人工觀測(cè)受到各方面因素的影響，導(dǎo)致測(cè)量精度無(wú)法保證，并且需要值班人員不斷的比較測(cè)量的數(shù)據(jù)，無(wú)形中增加了值班人員的工作量，且運(yùn)行效果不佳。

隨著儀表技術(shù)的不斷發(fā)展，非接觸式、接觸式、機(jī)械式、壓力換算式等各種工作原理的儀表應(yīng)用在更多的場(chǎng)合，但是由于橡膠壩是通過(guò)充水（氣）形成的袋狀擋水建筑物，其形態(tài)容易受上下游水位、壩袋內(nèi)部壓力、壩頂溢流水位高度等外界因素的影響，因此，在選擇監(jiān)測(cè)方式時(shí)，需全面的考慮這些因素對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響。

3 不同監(jiān)測(cè)方式原理及作用分析

由于橡膠壩的特點(diǎn)，橡膠壩高度監(jiān)測(cè)目前還處于前期探索階段，很多公司及研究所根據(jù)不同的工作原理提出了多種不同測(cè)量方式，并且部分工程中正在進(jìn)行測(cè)試性的應(yīng)用。下面我們將結(jié)合工程應(yīng)用實(shí)際，進(jìn)行討論和分析。

3.1 壩袋壓力—高度換算

壓力換算高度的想法來(lái)源于靜壓式水位計(jì)，靜壓式水位計(jì)在蓄水池、罐體、水庫(kù)等的水位監(jiān)測(cè)中廣泛應(yīng)用，根據(jù)液體的壓強(qiáng)公式P=ρgh（ρ為測(cè)量介質(zhì)密度，g為重力常量，h為液體以下深度），得出水深與壓強(qiáng)曲線成正比的關(guān)系，由壓力傳感器測(cè)量水底壓強(qiáng)P，從而換算出水深h的高度。對(duì)于充水的橡膠壩，壩袋底部壓力基本上來(lái)自于壩袋內(nèi)部水位高度產(chǎn)生的水壓，水位越高，壩袋越高，因此壩袋高度與壩袋底部壓力的變化成正比，即壩袋壓力越大，壩袋高度越高，通過(guò)對(duì)壩袋底部壓力實(shí)施監(jiān)測(cè)，換算出壩袋內(nèi)水的高度，即壩袋本身的高度，原理如圖1。

圖1 壩袋壓力—高度換算示意圖

圖2 拉繩式位移測(cè)量示意圖

如圖，通過(guò)放入壩袋底部的壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壩袋底部壓力變化，從而計(jì)算出壩袋高度。

這種測(cè)量方式基于壓力—水位關(guān)系換算而來(lái)，因此只需測(cè)量壩袋底部壓力變化，成本低、安裝方便，但是在實(shí)際工程中，壩袋底部水壓力的大小除了受壩袋水位變化影響外，還受到上下游水位、溢流水位等因素的影響，底部壓力與壩袋高度并非線性正比關(guān)系，因此還需要更多的實(shí)際工程數(shù)據(jù)加以修正、完善。

3.2 拉繩式位移測(cè)量

這種測(cè)量方式的靈感來(lái)自于閘門(mén)的高度監(jiān)測(cè)，通過(guò)測(cè)量鋼絲的位移變化計(jì)算出閘門(mén)的位移變化，位移變化即運(yùn)動(dòng)高度的變化，最后通過(guò)拉繩式位移傳感器的旋轉(zhuǎn)編碼器將位移變化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào)或者電壓信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)功能。由于橡膠壩本身會(huì)隨著內(nèi)部充水（氣）的變化而改變高度，就像閘門(mén)提升或下降過(guò)程一樣，而且橡膠壩充起后壩頂基本是平行的，因此，可考慮將橡膠壩看作一道閘門(mén)，通過(guò)拉繩式位移傳感器測(cè)量橡膠壩高度的實(shí)時(shí)變化，并將測(cè)量信號(hào)實(shí)時(shí)傳回至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。這種測(cè)量方式的原理如圖2。

如圖2，通過(guò)安裝在橡膠壩頂部的拉繩，隨著壩袋高度的變化牽引而拉伸或者收縮，旋轉(zhuǎn)編碼器根據(jù)測(cè)量鋼絲伸縮的變化將物理信號(hào)換算成標(biāo)準(zhǔn)的儀表信號(hào)輸出，從而計(jì)算出壩袋頂部的位移大小，即橡膠壩高度的變化。

這種測(cè)量方式是根據(jù)機(jī)械方式的變換直接測(cè)量壩袋高度，無(wú)需經(jīng)過(guò)其他途徑換算，因此測(cè)量的準(zhǔn)確度會(huì)更高一些。但是在實(shí)際工程中，由于橡膠壩壩頂?shù)淖罡唿c(diǎn)會(huì)隨著橡膠壩本身充水量或充氣量的變化和上下游洪水推力的影響而前后移動(dòng)，因此，在無(wú)水狀態(tài)下固定的最高測(cè)量點(diǎn)，在橡膠壩高度變化后，有可能就會(huì)后移或者前移，這種變化將會(huì)影響其實(shí)際的測(cè)量精確度。由于在實(shí)際工程中還沒(méi)有相關(guān)的應(yīng)用實(shí)例，上下游水位、壩袋本身高度對(duì)最高測(cè)量點(diǎn)前后推力到底有多大影響還沒(méi)有相關(guān)的數(shù)據(jù)支撐。因此，這種測(cè)量方式的可行性還需后期工程應(yīng)用的檢驗(yàn)，并根據(jù)實(shí)際測(cè)量效果不斷完善和修正，減少主要外界因素的干擾，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)橡膠壩高度的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。

3.3其它監(jiān)測(cè)方式

針對(duì)橡膠壩高度的監(jiān)測(cè)在國(guó)內(nèi)還是一個(gè)陌生的領(lǐng)域，測(cè)量精度達(dá)到多少才算合格，還沒(méi)有相關(guān)的規(guī)范加以指導(dǎo)，因此對(duì)于橡膠壩高度的監(jiān)測(cè)，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有成熟的測(cè)量方式及儀表設(shè)備。另外，其他測(cè)量方式，如紅外測(cè)量、GPS定位測(cè)量等，也只是理論計(jì)算的結(jié)果，都沒(méi)有經(jīng)過(guò)實(shí)際工程的檢驗(yàn)。

4 小結(jié)

綜上分析，隨著橡膠壩工程建設(shè)的快速發(fā)展，圍繞著橡膠壩工程的相關(guān)儀表測(cè)量將會(huì)越來(lái)越多，監(jiān)測(cè)內(nèi)容將會(huì)更加完善，橡膠壩本體的高度也將作為橡膠壩工程運(yùn)行的重要參數(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，由于橡膠壩本身的特殊性，使得橡膠壩在高度監(jiān)測(cè)過(guò)程中易受上下游水位、壩體移位、溢流水深等各方面因素的影響，因此，橡膠壩高度的監(jiān)測(cè)存在一定的難度。另一方面，由于沒(méi)有相關(guān)的工程實(shí)例，上述幾種橡膠壩高度監(jiān)測(cè)方法的準(zhǔn)確性和可行性，還需要在后期工程或?qū)嶒?yàn)測(cè)試中進(jìn)行檢驗(yàn)，通過(guò)大量數(shù)據(jù)分析、建模，實(shí)踐與理論相結(jié)合，最終整理出一套適合橡膠壩高度監(jiān)測(cè)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)方式。陜西水利