黃河焦作河段壩岸監測系統選址與布設

浮俊超 張磊 李凱 梁新怡

摘要：黃河壩岸險情監控報警報險系統的研發與應用改變了“防守靠人力、巡查靠人眼、決策靠電話”的防汛工作狀況。通過系統選址與布設的論述及運用實例分析，認為安裝選址優先考慮在壩身有問題和受河勢影響容易發生險情的壩岸，且安裝時采樣點宜選取在沿根石臺外沿或相應黃河花園口站流量4000m3/s（沁河武陟站流量500m3/s）水位線位置處。系統的推廣與應用有效降低了人工查險的勞動強度和工作風險，提高了黃河沿岸河務工作的管理水平和工作效率。

關鍵詞：選址；布設；壩岸監測系統；焦作河段；黃河

中圖分類號：TV871.3；TV882.1 文獻標志碼：A Doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.09.009

1 概述

黃河壩岸險情監控報警報險系統（簡稱壩岸監測系統）是焦作黃河河務局（簡稱焦作局）等單位自行研發的新型系統。2015年9月至2017年5月，焦作局在大玉蘭控導工程開展了壩岸監測系統的研究，旨在實現壩岸險情實時監測及工程現場信息采集，根據黃河壩岸險情發生、發展機理，應用現代化信息技術將黃河防洪工程的信息采集、傳輸、報警、報險等功能有機融合，實現險情的遠程實時監測和報警，為險情的及時、有效搶護及保障防洪工程安全提供重要的技術手段。研發了基于高分子聚合物的傳感系統，可將險情數據實時上傳至監測系統，實現對防洪工程險情的遠程實時監測，險情發生后可持續保持險情監測能力；研發了壩岸監測系統，可實現不同部位自動報警，并與視頻監控系統聯動進行遠程險情確認，能自動生成出險時間、地點、部位、現場圖片等相關信息的險情數據包，且具備多級審核功能；研制了新型移動信息采集裝置，可針對突發險情進行實時監測，實現現場環境信息采集、數據傳輸、音視頻轉播等功能。該系統探索出一種信息化與治黃業務深度融合的“互聯網+”模式，改變了“防守靠人力、巡查靠人眼、決策靠電話”的防汛工作狀況，已在河南黃（沁）河多處防洪工程得到應用，取得了顯著的社會經濟效益，推廣應用前景廣闊，曾獲河南黃河河務局2016年度科技進步一等獎，獲黃委2017年度科技進步二等獎。在壩岸險情監測方面，獲得國家實用新型專利4項，另有2項國家發明專利申請已被受理。

根據測算，該系統單壩安裝成本約10萬元，與同類系統相比具有明顯的價格優勢。但是，黃河壩垛護岸工程僅焦作段就有695座[1]，如果每道壩岸工程都安裝該系統，那么投資將非常巨大，會給河務部門造成很大的經濟壓力，是很難實現的。因此，在哪些地方安裝、哪些地方不需要安裝以及如何布設，成為值得考慮的問題。

2 安裝選址與布設

2.1 選址

該系統安裝的目的是實現壩岸險情實時監測及工程現場信息采集，融監控、報警、報險功能于一體，使險情發生發展可感知、工程運行情況可掌控、指揮調度可協同。因此，安裝選址需要考慮的主要因素就是壩岸險情發生的原因。

根據近幾年焦作局險情統計情況可以看出，焦作黃河河道工程常見的險情主要分為根石坍塌、坦石坍塌、壩基坍塌和壩檔坍塌后潰4種類型，險情的成因主要有以下幾個方面。

（1）壩岸自身問題。壩岸自身不穩定是造成險情發生的內在因素。壩岸從總體結構來看，可分為根石和壩身兩部分，其中根石是壩岸穩定的基礎，壩岸工程的穩定程度直接取決于壩岸根石的穩定與完整程度。根石傳統結構是散拋石塊裹護根石土胎，在水流沖刷下，一部分根石容易離開壩體造成走失，若根石走失嚴重而未被及時發現和搶護，則壩身將會發生裂縫、蟄陷、墩蟄或滑塌等險情，最終導致壩岸出險。新建的壩岸工程尚未遇到過大水或搶過險的壩岸，由于根石少且根基多數座落在淤積的泥沙上，因此一旦著溜淘刷，就會因根石埋深不足導致壩基不斷下切，從而發生根石坍塌等險情。根石自身安放條件不足，如深度不夠、斷面不足等，在水流沖刷下易形成沖刷坑，造成護根石蟄動，導致根石坍塌險情。由險情統計可以看出，壩岸發生的根石坍塌等險情中60%以上是由壩岸根石走失引起的。

（2）河勢影響。畸形河勢是黃河下游河勢演變的一種特殊的自然現象[2]，其平面表現形式多為橫河、斜河，其水流軸線與規劃流路軸線的夾角一般大于65°，往往形成S形、Z形、Ω形等河勢。畸形河勢的發生和發展易造成現有水流不能按照工程治導線行進，使控導工程失去控制主溜、穩定河勢的作用，也極易出現重大工程險情。

根據2017年汛后黃河河勢查勘報告，焦作河段河勢預估變化及應對措施為：①逯村、開儀、化工控導工程河勢不會有太大變化。化工3-16壩、38-41壩容易出險，需對易出險壩道進行加固。②大玉蘭控導工程受橫河河勢影響，1-10壩、30-36壩出險概率增大，急需進行根石加固或對該段河道內河心灘進行治理，消除隱患。③如果來水量變小，那么駕部控導河勢基本不變，河勢可能會下挫至38壩以下靠河；如果來水量變大，那么河勢可能上提至27-45壩靠溜，極易形成險情；東安控導48壩處淘刷嚴重，背河部分灘地塌灘，建議對塌灘嚴重部位進行應急處理，以確保壩后防汛道路和灘區灘地安全。④嘉應觀7-9垛的修建進一步緩解了該處的不利河勢。現主溜沖刷8-9垛，隨著水流對東營、御壩灘區的繼續沖刷，主溜可能繼續靠北岸移動，河勢仍然會下挫，灘岸繼續向北、向東坍塌，急需在9垛下首修建10-13垛，以有效控制該段河勢流路，減少灘岸坍塌。⑤老田庵控導工程中小流量河勢相對穩定，若來大水，則31-35壩將受主溜持續沖刷，出險概率將進一步增大。

從焦作黃河河勢圖和大玉蘭控導工程險情統計表（見表1）可以看出，發生險情的壩岸多為各工程靠河且容易發生大溜頂沖、回溜淘刷和邊溜沖刷的地方。如2014-2017年大玉蘭控導工程受河心灘影響出現橫河河勢，河心灘挑溜至28壩，使28壩以下壩岸靠大溜，工程出險頻繁。在29-35壩迎水面形成強回溜，致使丁壩迎水面、壩前頭等部位根坦石下蟄發生一般或較大險情。由表1還可以看出，2016年安裝壩岸監測系統后由于發現險情及時，做到了“搶早、搶小”，因此搶險用石較少，節約了一定投資。

綜上所述，系統安裝選址應優先考慮在壩身有問題（根石不穩固）或者受河勢影響容易發生險情的壩岸工程處。

2.2 系統布設

該系統沿根石臺外沿或相應黃河花園口站流量4000m3/s（沁河武陟站流量500m3/s）水位線位置，每間隔1～3m距離布設一個采樣點，以特制傳導線連接采樣點，用拉力傳感器監測傳導線拉力，并將數據上傳至YRAP-D（黃河險情數據采集協議轉換裝置，焦作局自行研發的一種新型數據采集設備），實現實時數據監測。當有根石臺且根石臺高程低于相應黃河花園口站流量4000m3/s（沁河武陟站流量500m3/s）水位線時，采樣點布設在根石臺外沿處；當無根石臺或根石臺高程高于相應黃河花園口站流量4000m3/s（沁河武陟站流量500m3/s）水位線時，則布設在相應黃河花園口站流量4000m3/s（沁河武陟站流量500m3/s）水位線位置處。之所以選擇這個高程設置，原因主要有以下幾個方面。

（1）花園口站流量達到4 000m，/S（沁河武陟站流量達到500m3/s），是黃河（沁河）防汛由一般戒備狀態到高度戒備狀態的一個轉折點。根據黃河水情信息查詢及會商系統近幾年的數據，黃河花園口站發生超4000m3/s流量的概率較小，采樣點布設在此位置線，完全可以監測到此流量下發生的各種險情，此時即使河勢工情觀測次數較少，通過該系統也不會漏掉任何險情，可以做到險情的“搶早、搶小”。當預報花園口站發生流量4000m3/s（沁河武陟站流量500m3/s）洪水時，按照《河南黃河防汛應急預案》要求，河南省防指將發布Ⅳ級（藍色）汛情預警，河勢工情觀測需增加觀測次數，可以不借助于該系統進行觀測。

（2）當根石臺高程低于黃河花園口站流量4000m3/s（沁河武陟站流量500m3/s）水位線時，采樣點應布設在根石臺外沿處。若布設在相應黃河花園口站流量4000m3/s（沁河武陟站流量500m3/s）水位線處或根石臺以上其他位置，則由于根石臺有一定寬度，因此對于根石臺以下位置發生的險情，布設的采樣點將無法感應，系統將失效。

3 實例運用

3.1 焦作大玉蘭控導工程

2010年至今，大玉蘭控導工程出現兩段畸形河勢，分別為2010-2013年大溜頂沖1-7壩、2014-2017年大溜頂沖29-35壩。2015年9月，在該工程正式啟動了壩岸監測系統項目，并在30-34壩共安裝5套該系統。2016年3月31日7時50分，大玉蘭控導34壩迎水面發生較大險情，系統監測到34壩迎水面出險并自動報警，首次實現了在真實防汛環境中的險情報警功能。該系統自動錄制了出險及搶險視頻（見圖1），這是黃河上首次以監控視頻方式完整記錄出險全過程。

2016年6月5日20時3分，大玉蘭控導工程出現降雨量50mm以上的暴雨，系統監測到33壩迎水面及圓頭出現險情，并自動報警，在惡劣天氣下實現了真實環境中的險情報警功能，見圖2、圖3。3.2其他工程

（1）2017年4月，在武陟第一黃河河務局沁河老龍灣險工7垛安裝1套該系統，截至目前系統運行正常，未發生任何險情。

（2）2017年5月，在蘭考黃河河務局蔡集控導工程9壩安裝1套該系統，截至目前系統運行正常，未發生任何險情。

（3）2017年5月，在長垣黃河河務局大留寺控導24壩安裝1套該系統。當年6月16-17日，分別通過系統監測到24壩受大溜頂沖發生的根石坍塌一般險情各1次，做到了險情的“搶早、搶小”。截至目前，該系統運行正常。4結語

綜上所述，壩岸監測系統的安裝首先考慮在壩身有問題和受河勢影響容易發生險情的壩岸，且安裝時采樣點宜選取在沿根石臺外沿或相應黃河花園口站流量4000m3/s（沁河武陟站流量500m3/s）水位線位置處。

通過系統的推廣與應用，很好地實現了工程險情的“搶早、搶小”，節約了投資，改變了“防守靠人力、巡查靠人眼、決策靠電話”的防汛工作局面，有效降低了人工查險的勞動強度和工作風險，提高了黃河沿岸河務工作的管理水平和工作效率。

參考文獻：

[1]焦作市防汛抗旱指揮部.焦作黃（沁）河防洪預案[2].焦作.焦作市防汛抗旱指揮部黃河防汛辦公室，2017.2.

[2]胡春宏，陳緒堅，陳建國.黃河水沙空間分布及其變化過程研究[J].水利學報，2008，39（5）：518-527.