浅析橡胶坝高度远程监测的实现方法

张红斌 岳永红

（1.西安迪飞科技有限责任公司 陕西 西安 710018；2.大荔县防汛办 陕西 大荔 715100）

1 引言

橡胶坝作为一种新型水工建筑物。1957年在美国首次建成使用，当时作为第一座橡胶坝，坝高仅1.52m，长6.1m，坝袋胶布厚为3mm，强度为90kN/m。从此以后世界各国开始研究并建造橡胶坝，并在技术上不断更新和完善。我国于1965年开始进行橡胶坝的研制建设工作，于1966年建成我国第一座橡胶坝——北京右安门橡胶坝工程，整体坝高3.4m，坝体长37.6m，作为中国的第一座橡胶坝，融入了很多新兴的技术，虽然后来该橡胶坝曾两次更换坝袋，但至今仍正常运行，这将迎来在橡胶坝挡水、发电、灌溉、航运等领域的飞速发展。

由于橡胶坝具有投资低、工期短、技术成熟、灵活耐用等特点，自20世纪90年代以来，在我国水利工程的发电、灌溉、航运、挡水等领域发展迅速。在1966年到1993年近30年中，全国仅建成橡胶坝366座；据不完全统计，截至2006年10月，我国已建橡胶坝约2000座，近年来更是以每年新建300座左右的速度发展，橡胶坝建设已进入高速发展时期。

2 概况

2.1 现状

随着水利信息化的不断发展，远程监控系统在橡胶坝工程建设中得到了更为广泛的应用，运用现代信息采集技术、自动化控制技术、视频监控技术、计算机网络技术、信息处理技术等，建成以工程安全监控、科学管理等为核心的数字化测控管理系统。实现对橡胶坝工程运行过程中蓄水池水位、上下游水位、充排机组电压、电流等参数的实时采集，并实时监测相关泵、阀等电气设备的运行状态，通过各种运行参数及设备状态的监控，操作人员在值班室通过监控计算机实现对电气设备的远程控制功能，通过对工程全方位的科学管理、动态监控、预报预警，确保花五泵站的安全高效运行。

在橡胶坝工程监测系统建设中，常常涉及蓄水池水位、上下游水位、闸门开度、机井水位、高位水塔水位、电压电流参数等模拟信号的监测，涉及的监测仪表主要包括水位计、开度仪、电量监测模块等。但是随着橡胶坝在防倒灌、挡水等工程中的应用，橡胶坝高度的远程监测在工程建设中得到越来越多的重视，通过对橡胶坝高度的监测，并结合上下游水位的变化，实现橡胶坝随着上下游水位的变化实时调整高度，从而达到洪水时更加安全、高效的控制橡胶坝的升降，保证安全泄洪及工程主体安全的目的。

目前，国内橡胶坝工程中，针对橡胶坝高度的监测还主要是依靠人工观测。在橡胶坝边墩或中墩侧面绘制标尺人工观测，或修建人工观测走廊、索桥，工程运行人员定时通过测杆测量橡胶坝高度的变化。然后根据橡胶坝当前高度及上下游水位的比较，控制橡胶坝充水（气）系统对橡胶坝充排水（气），从而保证泄洪及工程主体的安全。

2.2 橡胶坝的结构及特点

橡胶坝是用高强度合成纤维织物做受力骨架，内外涂敷橡胶作保护层，加工成胶布，再将其锚固于底板上呈封闭状的坝袋，通过充排管路用水（气）将其充胀形成的袋式挡水坝。坝顶可以溢流，并可根据需要调节坝高，控制上游水位，以发挥防倒灌、发电、航运、防洪、挡潮等效益。

当前橡胶坝人工测量过程中，需要修建人工观测桥或索桥，工程投资大，且在工程运行中需要值班人员定时的站在观测桥上测量，人工劳动强度大、测量难度大，并且在汛期桥下水流湍急，站在橡胶坝上方的观测桥上危险性比较大，且观测效果不佳，人工观测受到各方面因素的影响，导致测量精度无法保证，并且需要值班人员不断的比较测量的数据，无形中增加了值班人员的工作量，且运行效果不佳。

随着仪表技术的不断发展，非接触式、接触式、机械式、压力换算式等各种工作原理的仪表应用在更多的场合，但是由于橡胶坝是通过充水（气）形成的袋状挡水建筑物，其形态容易受上下游水位、坝袋内部压力、坝顶溢流水位高度等外界因素的影响，因此，在选择监测方式时，需全面的考虑这些因素对测量准确度的影响。

3 不同监测方式原理及作用分析

由于橡胶坝的特点，橡胶坝高度监测目前还处于前期探索阶段，很多公司及研究所根据不同的工作原理提出了多种不同测量方式，并且部分工程中正在进行测试性的应用。下面我们将结合工程应用实际，进行讨论和分析。

3.1 坝袋压力—高度换算

压力换算高度的想法来源于静压式水位计，静压式水位计在蓄水池、罐体、水库等的水位监测中广泛应用，根据液体的压强公式P=ρgh（ρ为测量介质密度，g为重力常量，h为液体以下深度），得出水深与压强曲线成正比的关系，由压力传感器测量水底压强P，从而换算出水深h的高度。对于充水的橡胶坝，坝袋底部压力基本上来自于坝袋内部水位高度产生的水压，水位越高，坝袋越高，因此坝袋高度与坝袋底部压力的变化成正比，即坝袋压力越大，坝袋高度越高，通过对坝袋底部压力实施监测，换算出坝袋内水的高度，即坝袋本身的高度，原理如图1。

图1 坝袋压力—高度换算示意图

图2 拉绳式位移测量示意图

如图，通过放入坝袋底部的压力传感器实时监测坝袋底部压力变化，从而计算出坝袋高度。

这种测量方式基于压力—水位关系换算而来，因此只需测量坝袋底部压力变化，成本低、安装方便，但是在实际工程中，坝袋底部水压力的大小除了受坝袋水位变化影响外，还受到上下游水位、溢流水位等因素的影响，底部压力与坝袋高度并非线性正比关系，因此还需要更多的实际工程数据加以修正、完善。

3.2 拉绳式位移测量

这种测量方式的灵感来自于闸门的高度监测，通过测量钢丝的位移变化计算出闸门的位移变化，位移变化即运动高度的变化，最后通过拉绳式位移传感器的旋转编码器将位移变化数据转化成标准的电流信号或者电压信号，从而实现远程监测功能。由于橡胶坝本身会随着内部充水（气）的变化而改变高度，就像闸门提升或下降过程一样，而且橡胶坝充起后坝顶基本是平行的，因此，可考虑将橡胶坝看作一道闸门，通过拉绳式位移传感器测量橡胶坝高度的实时变化，并将测量信号实时传回至数据采集系统。这种测量方式的原理如图2。

如图2，通过安装在橡胶坝顶部的拉绳，随着坝袋高度的变化牵引而拉伸或者收缩，旋转编码器根据测量钢丝伸缩的变化将物理信号换算成标准的仪表信号输出，从而计算出坝袋顶部的位移大小，即橡胶坝高度的变化。

这种测量方式是根据机械方式的变换直接测量坝袋高度，无需经过其他途径换算，因此测量的准确度会更高一些。但是在实际工程中，由于橡胶坝坝顶的最高点会随着橡胶坝本身充水量或充气量的变化和上下游洪水推力的影响而前后移动，因此，在无水状态下固定的最高测量点，在橡胶坝高度变化后，有可能就会后移或者前移，这种变化将会影响其实际的测量精确度。由于在实际工程中还没有相关的应用实例，上下游水位、坝袋本身高度对最高测量点前后推力到底有多大影响还没有相关的数据支撑。因此，这种测量方式的可行性还需后期工程应用的检验，并根据实际测量效果不断完善和修正，减少主要外界因素的干扰，从而实现对橡胶坝高度的远程实时监测功能。

3.3其它监测方式

针对橡胶坝高度的监测在国内还是一个陌生的领域，测量精度达到多少才算合格，还没有相关的规范加以指导，因此对于橡胶坝高度的监测，国内还没有成熟的测量方式及仪表设备。另外，其他测量方式，如红外测量、GPS定位测量等，也只是理论计算的结果，都没有经过实际工程的检验。

4 小结

综上分析，随着橡胶坝工程建设的快速发展，围绕着橡胶坝工程的相关仪表测量将会越来越多，监测内容将会更加完善，橡胶坝本体的高度也将作为橡胶坝工程运行的重要参数实现远程监测，由于橡胶坝本身的特殊性，使得橡胶坝在高度监测过程中易受上下游水位、坝体移位、溢流水深等各方面因素的影响，因此，橡胶坝高度的监测存在一定的难度。另一方面，由于没有相关的工程实例，上述几种橡胶坝高度监测方法的准确性和可行性，还需要在后期工程或实验测试中进行检验，通过大量数据分析、建模，实践与理论相结合，最终整理出一套适合橡胶坝高度监测的远程监测方式。陕西水利