平原河道節制閘數字化監測問題探討

◎ 宋秋英 齊河縣水利局

1.平原河道節制閘研究現狀

建國以來，我國已設計、制造各式閘門上萬座，閘門面積由50年代的20m2發展至今達300m2，設計水頭有25m提高到120m左右；總水壓力由1000噸（表孔閘門）和2000噸（深孔閘門）分別提高到3000噸和6000噸；閘門止水由一道P型止水發展至兩道P型止水、充壓止水、變形止水等。我國水利工作者在大江大河和重要水利樞紐工程中的閘門研究已積累了豐富的經驗。

近二三十年來，由于氣候變化，降雨量減少，再加上工農業用水量逐年增加，使得北方地區大部分河道上攔、截、蓄水建筑物處于閑置狀態，常年失修，造成鋼筋混凝土老化破損嚴重，鋼閘門大面積銹蝕和大撓度彎曲變形；有些地區因工業污水排放，河道污水中有害離子增多，使得鋼閘門等金屬構件銹蝕老化速度加快。這些問題已成為平原河道上水工建筑物普遍存在的問題。

2.平原河道節制閘存在的主要問題

國內對平原河道水閘的研究工作存在著嚴重滯后現象，隨著時代的發展，在這一領域存在的某些問題越來越突出。

（1）節制閘建筑物混凝土鋪蓋出現貫穿性裂縫，威脅工程安全；閘墩混凝土特別是水位變化區內閘墩混凝土凍融損害嚴重，混凝土剝落面積大。（2）閘門銹蝕嚴重，承力構件變薄；承力不足，導致各閘門不同程度地產生嚴重變形，造成漏水及啟閉困難；啟閉機及電氣設備老化，啟閉不靈活；大多啟閉機帶病運行，啟閉時機器噪音大，運轉不靈；大部分油絲繩老化、銹蝕，有斷絲現象。變壓器至節制閘的低壓輸電線路老化嚴重，已對行洪除澇安全造成威脅。（3）下游消能設施損壞嚴重。（4）閘后交通橋設計承載能力低，已不能適應現代化交通需要。（5）滲壓、沉陷、位移等觀測設施失效或缺失。（6）原設計未考慮地震荷載。（7）水閘的監測儀器設備老化、監測手段落后，監測數據處理技術落后等。

3.節制閘病害及檢測

平原河道節制閘閘門是水工建筑物的重要組成部分之一，平面鋼閘門是節制閘閘門常見形式之一，平面鋼閘門結構形式簡單，啟閉靈活，但有著易銹蝕的缺點，在閘孔寬度較大，上游水位較高的條件下啟閉鋼閘門還容易造成鋼閘門變形等問題。閘門在啟閉過程中或閘門在局部開啟的情況下工作時，水處于流動狀態而產生動水壓力作用在閘門上。脈動水壓力有時會引起強烈振動，是造成閘門或閘墩破壞的主要原因之一。對閘門進行數字化、可視化監測，實現河道攔、蓄、泄水調度的自動化是解決這一問題的根本途徑之一。

在全面檢測和重新評價平原河道節制閘病害及其損害程度的基礎上，對主要構件特別是鋼閘門進行更換或采用新技術進行維修，并最終建立完善的數字化監測與調度系統，實現運行管理的自動化控制和信息反饋。

（1）平面鋼閘門安全檢測。外觀形態檢測，包括外形尺寸、損傷、變形、銹蝕檢測；平面鋼閘門啟閉時的動態應力變形測試。

（2）銹蝕厚度檢測。對閘門各主要銹蝕構件進行銹蝕厚度檢測，采用的儀器有：CTS-30袖珍數字式測厚儀、CTG-10涂層厚度測定儀。

（3）無損探傷。檢查閘門的主要受力焊縫是否有疲勞裂紋，意外事故引起的裂紋等缺陷，對主要受力焊縫采用水平定位法和深度定位法進行超聲波探傷。采用的儀器有：ST-88 頻率探測儀。

（4）閘門結構應力與變形檢測。采用XL3403G型靜態應變測量系統：主要由箔式電阻應變片、XL2101電阻應變儀和微機三個硬件部分和支持軟件組成。

（5）啟門力檢測。

4.信息化監測管理系統

4.1 系統功能

“平原河道節制閘信息化監測管理系統”（以下簡稱“信息系統”）將平原河道的閘門、啟閉機的設計參數、強度計算結果、運行觀測記錄及安全檢測結果借助微機進行處理，它包含了如下資料數據：節制閘的鋼閘門、閘室、閘墩、閘底板等部件的基礎數據；輸水、泄水、攔污等功能基本參數；河道主要建筑物動態運行的可視化界面；平面閘門結構校核計算結果及可視化應力位移圖；啟閉機電氣設備、供電系統檢測結果；平原河道多年水位、氣溫的月數據（月最高、最低、平均值）。

“信息系統”具有以下功能：檢索資料目錄；瀏覽工程布置圖動態運行狀況；查詢閘門及啟閉機檔案；查詢供電系統及備用電源信息；管理、查詢閘門、啟閉機運行、維護與問題處理信息；記錄水庫水位、氣溫變化情況，動態生成曲線；查詢閘門校核計算結果及啟閉機電氣部分安檢結果；提供平原河道自動化調度數據信息。

4.2 系統設計要求

（1）數據采集與處理：借助數字化展開采集和處理作業；能夠對數據指令進行傳輸，還可以實現圖像瀏覽，并且會對水情數據展開有效的收集。從而達到數據通訊：能夠和相關部門進行通信，完成計算機和關聯設備的數據通信。

（2）在事故報警方面：當處于運行狀態時，能夠展開實時監視作業，對出現的事故展開記錄存檔。

（3）在控制和調節方面：通常是7孔節制孔閘門，還有戶內變電所的電氣設備。小水電控制單元在小水電控制屏完成，并與監控主機相連接。根據上下游水位、流量關系曲線，自動控制閘門開高；根據上下游水位、自動限流、限水位控制；實現節制閘設備的自動控制，滿足“無人值班，少人值守”的要求。實現控制室內集中數據顯示、分析、處理；實現集中和分散控制。

4.3 監控系統結構

在結構方面，只要使用分層結構，主題架構是遠方、站控室、現地3級，而在控制權方面則是保持一致。

（1）在遠控級設方面，主要在平原河道站里，借助光纖實現和節制閘控制系統的有效連接，從而展開信息采集工作，并完成調度指令的上傳下達，而在必要的時候則是要展開遠程控制，而且需要注意的是，還能夠對閘門等相關設施的具體情況傳輸至遠控級。以現地監控而言，能夠和監控工作站實現連接，主要借助以太網展開。

（2）而在站控級方面，主要設置在節制閘控制室里，借助網絡對節制閘方面的及時信息展開有效的傳送，傳輸至遠方。借助監控網絡的應用，從而和現地控制級打造有效的通信，而且借助工作站的監測，能夠對監控界面展開掌握，進而可以得到設施設備的詳細情況，以及所需要的具體參數。

（3）而以現地控制級而言，其為系統最后一級，同時亦為最被重視的一級控制，其能夠向下接收不同的信息，實現對設施整體參數的有效收集整合；而向上則是能夠實現上級命令的接受，需要注意的是，也能夠實現信息在第一時間的上傳。

4.4 平原河道節制閘計算機監控系統功能

（1）監控工作站。所謂的監控主機，通常為監控上位機。它的主要作用為：能夠實現聯網功能，并和調度系統中心進行有效的聯網，借助網絡實現調度的接受，而相關的調度指令往往會存有密碼，亦能夠向上發送相關的資信。

（2）而在現地控制單元方面。通常由控制單元LCU等構成。而對控制閘門運行而言，控制單元為級別最高、最為關鍵的自動控制單元，如若監控主機發生問題的話，亦或者為出現監控脫離的情況，其亦可以很好地保障閘門運轉，以及實現程序控制等。在現地控制單元層面，主要借助太網方式展開，借由交換機開展和監控主機的有效通訊，且接受上級所下發的指令，并且還可以傳輸不同設施的具體情況以及收集的信息。

5.意義

建立系統完善的監測體系，對節制閘進行長時間的運行監測，為信息化管理系統的建立獲取大量數據。借助信息化管理技術對所有基礎資料及數據進行數字化處理，達并借助現代通訊手段傳輸到中央控制室，達到管理自動化調度及時有效的目的。對平面鋼閘門實施全過程的運行監測，給出平原河道節制閘調度及安全運行信息化、數字化技術方案。結合金屬結構銹蝕研究的最新成果，通過大量現場及室內試驗，給出經濟上合理、技術上可行的平面鋼閘門維修加固技術方案，給節制閘的安全運行提供技術支撐。