淺談引張線系統在外走馬埭海堤水閘監測中的應用

(惠安縣外走馬埭海堤管理處，福建 惠安 362100)

1 工程概況

福建省泉州外走馬埭海堤工程位于福建省湄洲灣南岸惠安縣境內，地處惠安縣輞川、東橋、凈峰三鎮轄區內。外走馬埭海堤于2004年8月開工，2009年3月14.011km的海堤工程整體完工，原設計為3級堤防，防潮標準為50年一遇，防洪標準10年一遇，保護對象為外走馬埭墾區。2012年下半年，福建省人民政府批準在圍墾區內成立泉惠石化工業區，墾區的用途發生了轉變，外走馬埭海堤工程防護對象變為國家級大型石化基地為主的工業園區，根據《防洪標準》(GB 50201—2014)和《海堤工程設計規范》(GB/T 51015—2014)的要求，經泉州市人民政府研究，決定將外走馬埭海堤工程防護標準提升至200年一遇，工程等級為1級。海堤為土石混合堤，全線共設有四座水閘，分別為鯉魚島閘、大嶼島閘、板嶼閘、塘頭閘，水閘主要功能用于防潮、納潮及排澇。

海堤水閘是海岸帶的人工屏障，作為抵抗風暴潮、特別是臺風和高潮襲擊的第一道防線，其運行狀態將會直接影響沿海地區及石化工業園區的安全。恰逢海堤工程提級加固，海堤、水閘的安全性得到進一步提高。墾區的防洪排澇任務的執行主要依靠沿堤四座水閘的調度實現，為全面掌握水閘運行狀態，對其進行有效的安全監測顯得尤為重要。海堤、水閘的安全監測內容包括堤壩的表面位移、堤壩滲流、水閘的閘底板揚壓力以及水閘的表面位移等，本文著重對工程涉及除險加固和改擴建的四座水閘表面位移監測方法進行闡述。

2 系統設計

2.1 工程運行現狀

由于管理單位沒有參與原工程建設，從2009年3月海堤工程整體完工到2012年5月移交管理期間缺乏管理和養護，沒有水閘工程沉降、變形等觀測設施和監測資料，無法全面掌握其性狀變化和安全狀態。2014年11月，外走馬埭海堤管理處委托南京水利科學研究院對板嶼排澇閘進行安全鑒定，結果為三類閘，運行指標已達不到設計標準，另外三座水閘未進行安全鑒定。水閘局部閘墩、啟閉機房立柱、欄桿等部位的混凝土存在破損脫落、順筋裂縫、銹脹以及海水侵蝕等現象，存在極大的安全隱患，為保障海堤、水閘的安全運行，全面掌握其性狀變化和安全狀態，亟須根據工程的實際對其安全情況進行有效監測，隨著外走馬埭海堤提級加固工程建設的進行，對沿堤水閘進行除險加固和改擴建，為實時監控閘站的安全情況，在項目中采用引張線系統對水閘的表面位移進行監測，并針對監測數據進行分析預警，能夠及時發現異常和判斷隱患位置，協助工程管理人員實時掌握工程安全狀況、及時處理問題。

2.2 引張線儀基本原理

引張線儀是引張線法中用來觀測水工建筑物水平位移變形的光電測量儀器。引張線法用于直線型建筑物(如直線大壩及水閘等)的水平位移觀測。在直線型建筑物的兩端建立引張線端點，端點之間懸掛一條施加張力的銦鋼絲，稱為“引張線”。利用引張線建立的標準直線將作為永久的測量標志來測定水工建筑物各部位垂直于該標準直線方向上的水平位移。早期的引張線坐標儀采用固定水平標尺進行人工測量以及之后升級換代的電測量方法，由于測量部件都需要附加在引張線上，從而改變了引張線的力學狀態，對前后測量數據有一定影響，不利于數據的銜接。

外走馬埭海堤水閘表面位移監測系統選用以CCD器件(電荷耦合器件，Charge coupled Devices,簡稱CCD)為核心的光電一體化智能型自動觀測引張線坐標儀，采用光電圖像傳感方法，實現對微量的位移進行檢測，不用在引張線上外加任何測量部件，對引張線的工作狀態沒有任何影響，實現了非接觸式的測量，極大地提高了測量數據的可靠性和精確度。儀器采用單片機實現CCD器件的程控驅動、信號處理及識別、數據采集、計算和通訊等功能。引張線坐標儀配合測點箱、端點箱、自動采集設備、計算機及相應配套軟件組成一個完整的測量系統，利用現代電子、信息、通信及計算機技術，實現對水閘形變監測數據實時、自動、連續采集、傳輸、管理及分析，同時系統具備人工觀測功能。

引張線設備采用線陣高分辨率的CCD器件，實現了高分辨率、高精度、無電學漂移、寬測量范圍等技術指標，儀器具有結構簡單、安裝靈活方便、防潮性能好、技術配套性好等特點。

2.3 系統布置

外走馬埭海堤沿線共設四座水閘，設備在水閘建設過程中，需與主體工程同步進行并確定安裝位置，每座閘布設一套引張線系統，每個閘墩設置一個測點。工程改擴建后各水閘孔數見下表：

水閘特性表

根據改擴建后孔數，需配置引張線系統及相應配套設備，包括引張線坐標儀、測點箱、張緊端、固定端、銦鋼絲、保護管、人工讀數標尺等，以及設備所需電源。張緊端及固定端選擇在水閘兩側邊墩相對穩定的位置進行布置，系統在每座水閘設置一套自動化采集設備，實現監測數據的采集傳輸。

2.4 系統安裝方式

引張線機械測量系統有兩種安裝方式，一種為常規直接露天布置，另一種為埋入式安裝方式。根據外走馬埭海堤水閘建筑物現狀，引張線系統的安裝采用露天布置的方式，每個測點需要設置測墩，墩的高度一般設置為1.2～1.5m，所有測點墩高程盡可能在同一高程上，各測點誤差控制在1cm以內，同時要保證安裝平面的平整度，盡量減少測點箱體安裝水平面的誤差，測點箱包含鋼絲浮托部件，具有人工讀數裝置，同時測點箱又是引張線儀的保護箱，引張線鋼絲采用鍍鋅管進行保護。安裝示意圖如圖1所示。

圖1 安裝示意圖

3 系統使用

3.1 信號采集

由于外走馬埭海堤四座水閘分布較為分散且距離較遠，環境較為惡劣，工程中測控點多，自動化監測系統采用分布式結構，信息層設置在管理處信息管理中心，采用雙機熱備方式進行數據收集與處理；采集單元布置在各水閘分中心，采集單元具有遠程控制、智能采集、自檢、存儲、可擴展、掉電保護、防雷等功能；感知設備布置在水閘閘墩。各水閘分中心與管理處信息管理中心之間采用光纜連接，光纜通訊可以提高系統的抗干擾能力以及數據的傳輸速度，保證系統數據的傳送可靠性。引張線坐標儀本身不含數據存儲單元，所有儀器觀測數據以光隔RS485串行通訊方式傳輸給水閘分中心自動采集單元(MCU)，MCU獲取引張線儀的數字信號通過光纜傳輸至海堤管理處綜合信息管理平臺數據庫應用系統，實現數據的永久記錄和存儲，引張線觀測儀器系統連接方式見圖2。根據需要，引張線坐標儀也可以另外配接模擬量接口作為輸出的連接方式。

圖2 系統連接圖

3.2 系統校驗

由于引張線坐標儀在現場安裝后不便于進行標定，為避免現場強光對儀器的標定工作的干擾，保障系統的準確度，在引張線坐標儀安裝前，需在室內光線暗淡的環境下利用標定裝置對每臺引張線坐標儀進行標定，注意在標定時應使引張線坐標儀倒置，儀器應處于靜止的條件下完成標定工作。系統標定完還需進一步進行現場檢驗，可采用頂點正偏離和負偏離三角測試方法對現場安裝的引張線觀測設備進行檢驗。

3.3 數據處理

由于引張線儀測量的是各測點儀器垂直于引張線建立的標準直線方向上的微量水平位移，經解算得到各監測點的水平位移值，位移變化的計算結果與引張線的實際布置有關，因此測量結果正負值須根據現場布置方向按照符號慣例進行統一重新設定。為保證數據采集的實時性及有效性，由管理處綜合信息管理平臺的數據采集軟件、解算軟件、管理平臺軟件、預警模塊等負責將現場傳輸的監測數據進行同步實時解算、處理、存儲及分析，經過數據可靠性檢查、計算等過程，形成多種圖表及匯總資料。為實現全天候實時監測，利用手持移動終端軟件，實現移動設備與綜合信息管理系統平臺的平滑對接，移動應用平臺基于物聯網的隨時隨地共享信息的特點，保證工作人員能夠不受地域、時間的限制，隨時掌握工情信息。當監測指標達到預警值時，將聯動短信群發系統，將預警信息及時發送給管理人員和相關領導，使海堤管理處的工作人員能夠及時采取相應的處理措施，消除安全隱患，確保水閘的安全運行。

海堤管理處人員可定期進行觀測數據的整編及分析，判斷工程安全狀態。建設和完善水利基礎數據庫，為決策部門對水利工程進行有效的綜合管理和宏觀決策提供準確、及時、有效的信息化保障和服務。

4 系統建設目的

通過引張線系統在外走馬埭海堤水閘的運用，能夠及時獲取水閘表面位移數據，并對數據進行解算分析處理，實時顯示監測情況并通過多種手段進行預警，輔助工程管理單位進行精細管理、快速響應、協同調度、科學決策，使運行管理單位不同的管理人員能夠快速掌握水閘的安全動態。

a.巡查人員根據外走馬埭海堤工程相關巡查制度的要求定期前往各閘站現場，通過系統的人工觀測功能對水閘表面位移進行觀測，了解現場情況，發現隱患及時向海堤管理中心匯報情況，同時接受海堤管理中心對異常情況發出的巡查命令，進行現場巡視并匯報情況。

b.現場閘站值班人員可將接收到的系統數據，與人工測量結果進行比較，隨時監控水閘安全動態，及時掌握水閘的安全情況，發現異常或隱患及時向上級匯報。

c.海堤管理處工作人員及上級監管部門可不受地域限制隨時掌握各水閘的安全運行情況。通過系統的數據分析，及時準確地了解水閘安全的發展動態，在突發情況時，可根據預警信息，迅速啟動相應的應急預案，指揮應急處置與救援。

系統的投入使用，對運行管理人員的綜合素質要求相應提高，需要既懂水利工程又懂信息化管理的復合型、實用型的專業人才，要在管好、用好上做文章，充分發揮自動化監測的作用，為水利工程的安全運行提供保障，為泉惠石化工業園區經濟快速穩定和可持續發展保駕護航。

5 結 語

引張線系統以其觀測精度高、穩定性好、結構簡單、防潮性能好，在極端惡劣的環境中能連續長期工作等優勢，廣泛應用于水工建筑物安全監測，實現了監測的動態化與數據化，可有效對異常情況的發生做出預警防范。該系統在外走馬埭海堤水閘的應用，改變了工程管理人員傳統觀測的工作模式，可直觀、連續、實時掌握水工建筑物的實際動態，完成自動測量、數據處理、圖表制作，實現無人值守及遠程控制。該系統可及時預報預警異常和安全隱患的情況，為隱患處理與評估提供科學依據，杜絕事故的發生，從而實現水閘安全自動化監測和信息管理現代化。