以管理创新和技术创新助力智慧水闸建设

缪慧丽 陈 华 田磊磊

(江苏省江都水利工程管理处，江苏 扬州 225200)

1 引 言

针对江苏水利工作面临的新形势，江苏省水利厅于2018年提出了打造智慧水利的目标，逐步建成“标准统一、互联互通、广泛共享、深度融合”的智慧水利体系。

万福闸作为江苏省淮河入江水道大型工程，立足于水利现代化建设，以管理模式创新和技术创新为抓手，针对大型水闸日常工作中涵盖的管理机制、调度运行、检查检测、维修养护、除险加固、安全防范、科技创新等方面助力打造智慧水闸。

2 工程概况

江苏省江都水利工程管理处万福闸始建于20世纪60年代，共65台套闸门启闭机，总设计流量8240m3/s，历经四次加固改造，是淮河入江水道的主要控制性工程之一，属大(1)型拦河、挡潮水闸。工程主要作用为承泄淮河入江洪水量的70%左右，并可引纳江水，改善邵伯湖沿湖地带农田灌溉用水条件，控制扬州段京杭大运河水位，改善通航、城市工业和生活用水条件。

3 管理创新

万福闸以国家级水利工程管理单位、水利部安全生产标准化一级单位为基础，深入实践探索智慧水闸建设，先行先试精细化管理模式，明确任务清单、固化流程控制、着重细节把控[1]，以“细、精、严、准”为标准提升水闸管理工作。在精细化理念的指导下，万福闸逐步实现了工程管理可视化、流程化和标准化。

3.1 精细化模式实现水闸可视化管理

精细化管理实现了规章制度、工作任务、巡查巡检、标识标志、技术数据、图表号牌、动态参数等方面的可视化，让智慧水闸的“动态体检表”随时可视。

一是按一闸一任务清单的方式整合年度所有工作任务，具体细化分解为日常管理、控制运用、专项工作、现场处置四大块，依照年度计划、上级部署、增加的项目，适时对工作任务进行合理调整，确定工作类别，细化工作内容，把握时间节点，明确责任到人，并实时在办公OA系统中发布、更新，使水闸的管理直观便捷。

二是通过布置标识标志标牌和设施设备二维码，安装视频大屏监控，通过工程自主研发巡检IPAD系统、观测标点界桩GPS定位系统、手机APP系统和工程信息发布系统等，使工程现场管理可视化效果更为直观与精准，实现工程管理方式从静态到动态、从粗放型到精细化的转变。

3.2 精细化模式推行水闸流程化管理

精细化管理强调的是过程控制，将典型工作以流程图的形式加以固化，有着明显的指导效果。水闸管理主要典型工作流程包括控制运用流程、检查评级流程、工程观测流程、维修养护流程、安全生产流程、水政管理流程、档案管理流程、环境管理流程等。流程图的制定须简明扼要，将主要环节、各个归口部门的事项按逻辑次序理清，固化工作行为和控制，让工作程序、各自职责一目了然,用以指导专项典型工作从开始到结束全过程的闭环管理。

3.3 精细化模式促进水闸标准化管理

精细化管理强调的是对细节的把控，这与安全生产标准化有着相辅相成的作用。安全生产标准化采用戴明模式(PDCA循环)，即计划、实施、检查和改进。通过制定年度工作计划，计划性地开展各种工作；明确每名职工的岗位责任并纳入考核机制；定期安排对工程的专项、日常和定期检查，对检查发现的问题和隐患进行总结；对总结的问题进行整改，实现水闸的闭环管理。万福闸在工程管理中将精细化和安全生产标准进行融合，以更高的要求实现了工程管理的闭环把控。

万福闸精细化模式不仅限于工程管理，更延伸至水政、物业、绿化、党建等诸多方面，是一个动态拓展延伸、持续改进并有着鲜明个性化色彩的新型管理方式，可为智慧水闸的建设谋求更优的效果。

4 技术创新

智慧水闸的打造除了管理创新，更要依托技术创新。万福闸通过引进、应用、自研等方式，在安全管理、巡查巡检、维修养护、应急保障方面提升设施设备智能化水平来助推智慧水闸建设。

4.1 日常管理更加安全

4.1.1 卷扬式启闭机出绳孔移动式封闭装置

针对卷扬式启闭机钢丝绳封孔问题，以往水闸工程采取不封闭、用木板封闭、用毛刷封闭的方式，普遍存在易脏污、难防尘、难防潮、小动物易进入、钢丝绳易刮擦等隐患。

万福闸管理所自行研制了一套“卷扬式启闭机出绳孔移动式封闭装置”[2](见图1～图2)。该装置主要依据现场启闭机钢丝绳出绳洞尺寸，裁剪安装一张折叠成手风琴(搓衣板)状的防护罩，该防护罩原料由聚氨酯精工化学合成，具有防火、耐高温(700℃)、防焊接飞溅、防油、防水、防尘等特点，并可随着闸门启闭时钢丝绳的动作实现沿卷筒轴向的伸缩运动，不会造成拉刮碰擦现象。该装置目前已在万福闸65台套固定卷扬式启闭机钢丝绳出绳孔上成功运用，实现了有效封闭钢丝绳出绳孔，且能在启闭机、闸门运行时随钢丝绳出绳产生的位移同步移动，具有使用可靠、故障率低、成本低廉的特点，适用于各种闸门形式的卷扬式启闭机，尤其适用于直升式弧形闸门、下卧式弧形闸门等出绳方向随升降高度不断发生变化的卷扬式启闭机。该装置的运用可使运行频繁的多孔水闸在维修养护时省时、省力，提升安全运行质量和启闭机房内环境清洁度。

图1 卷扬式启闭机出绳孔移动式封闭装置 (单位：mm)

图2 启闭机出绳孔移动式封闭装置实物

4.1.2 单轨道巡检监控系统

万福闸共65孔闸门，闸室总宽466.8m，孔数多、跨度长，日常巡视检查范围广、难度大；在使用自动化系统进行闸门启闭运行操作时，须人工现场每孔检查闸门情况，如门顶有无垃圾、上下游有无船只、运行时有无卡阻等情况，很大程度上增加了闸门启闭的时长周期和人员劳动强度。

为便于安全管理，减轻人员劳动强度，万福闸在工作便桥增设单轨道巡检监控系统[3]，该系统由巡检箱体端和监控端(万福闸控制室)组成(见图3～图4)，主要以水闸检修电动葫芦工字钢为轨道，采用定向无线传输技术，实现无线长距离传输巡检视频信息采集处理，并采用锂电池为动力电源，可自行充电，相比滑触线更节省电源动力投资。经应用，该系统轨道行车行走平稳，视频画面无线远距离(万福闸测量距离约为500m)传输信号稳定、画面清晰，远程操控轨道行车执行指令(前进、后退、自动巡检、复位充电)无延时，充电时，接触良好，无安全隐患，提高了工程管理智能化水平。控制中心人员通过监控画面第一时间掌握工程现场情况，及时执行操作指令，特别是在雨雪天气和夜间，操作人员在控制室通过监控屏幕及操作摇柄，控制运用巡检监控系统进行巡视检查工作，既能保障人员安全又能确保工程巡查工作顺利完成。这套系统可广泛运用于大中型水闸日常巡视检查工作，投资少，维护方便，可明显提升工程管理效率[4]。

图3 巡检监控系统

图4 巡检设备现场布置示意图

4.1.3 卷扬式启闭机防范闸门飞车系统

卷扬式启闭机的制动通常采用抱闸制动方式，其制动器有电磁制动器、液压制动器等。当闸门开启后，若制动器抱闸机构受多种因素影响，造成制动失灵，闸门将在自身重力的作用下快速下坠，同时带动启闭电动机做反向加速运行，形成飞车现象，严重时会造成闸门启闭机损坏。

万福闸在固定卷扬式启闭机的三相异步电机输出轴侧安装了一套智能测速装置(该装置主要由智能转速表、霍尔传感器、超速继电器、中间继电器、永久磁钢等元器件组成)，并设置了电动机转速测量装置的限速值，一旦飞车状态形成，速度传感器便会发出警报，接触器动作，电动机定子绕组接入反相序电源，接通闸门下降控制回路，引导电动机进入反向回馈制动工况(见图5～图6)，将启闭机闸门飞车状态转化为闸门平稳、匀速下降状态，从而达到自动有效应急处置的目的。该系统适合于直升式平板闸门、弧形闸门及双扉式闸门等形式的卷扬式启闭机的安全运行监测和自动应急处置保障[5]。

图5 智能化电机转速测量系统工作示意图

图6 异步电机回馈制动的机械特性

4.2 维修养护更加便捷

4.2.1 旋盖式油杯自压可调装置

保障水闸主设备启闭机正常运转的关键环节之一是确保机械设备转动部位的润滑，而水闸常用的旋转油杯方式润滑要依靠工人的经验执行，存在不确定性。

万福闸自研“旋盖式油杯自压可调装置”来实现设备润滑的自动补偿。即在油杯内部牙纹设计加装不锈钢封板、O形橡胶密封圈、碳钢弹簧及螺纹丝杆等装置，并对弹簧进行受力分析、精确计算，选择最优外径、线径和自由长度的弹簧以及相应尺寸和材质的油杯、封板、密封圈、螺纹丝杆等部件。通过设定弹簧压力值实现自压给油补偿(见图7)。旋盖式油杯自压可调装置的成功研制经过了多次试验论证和万福闸工程的汛期试运行，实现了压油方式由原来的人工旋转杯盖压油向弹簧自压可调节给油(根据需要调节加油量)转变，有效解决了普通旋盖式油杯易出现的加油不畅、费时、费力等问题。同时，该装置具有弹簧压缩释放自如顺畅、密封可靠无渗油、设定调试后无须人工操作的特点，适用于各型卷扬式启闭机械[6]。

图7 旋盖式油杯自压可调装置剖面示意简图

4.2.2 新型压力加油法

水利工程机械设备加油困难的原因主要为：ⓐ工作环境恶劣，露天条件、近水场所造成设备易锈蚀，泥沙易混入油槽造成堵塞，而普通油杯无法将润滑油有效注入间隙部位；ⓑ工作位置差，较厚轴承的润滑依靠普通油杯的压力不能实现可靠渗透，往往造成轴承处于干摩擦或边界摩擦状态，达不到转动部位充分润滑的状态，也不便于加油。

万福闸研制出新型压力加油法，主要由GZ-2型脚踏注油器、高压输油管、自锁式气动快速节头及新型油嘴等装置[7]组成(见图8～图9)。采用新型压力加油法加油效果明显，可广泛适用于闸门启闭机械，尤其对弧形门支铰、人字门顶枢、直升门主滚轮、定滑轮、动滑轮效果明显。首先，新型压力法加油过程中油脂不外溢，润滑油通过油泵加压输油管被全部注入设备润滑部位，油泵的充足压力能够可靠疏通油槽堵塞部分，从而保证设备转动部位润滑充分。其次，新型压力法输送距离长，可根据需要延长输油管，解决工作位置空间不利、不便加油的问题。最后，新型加油法快捷方便，加油时只需将输油管和油嘴通过气动自锁式快速节头连接，轻松踩动注油器脚踏，即可完成加油。节头拆卸后，油管上的自锁节头将油管内剩余压力自动锁死，避免了油脂外溢，造成不必要的污染[8]。

图9 新型压力加油法在闸门锁定装置润滑保养中应用

4.3 设备设计制造更加利于运行操作

万福闸65套闸门为上下扉门结构，改造前一孔闸门由两台启闭机分别带动上下扉门，控制复杂，结构占地空间大，投资大。

改造时，考虑到便于日后管理及运行操作，兼顾投资成本，江苏省江都水利工程管理处与厂家联合研发了“新型同轴主副卷筒固定卷扬式启闭机”，并获2013年江苏省水利优秀科技成果二等奖(见图10～图11)，2015年获国家发明专利。这种特型启闭机通过在常规QP系列启闭机基础上进行技术创新改造，将主副两套卷扬装置通过离合机构集成到一套驱动装置上，来实现下扉门单独启闭和上下扉门的联动启闭，不仅结构紧凑、节省投资、管理方便，而且运行操作方便、安全、可靠[9]，能够满足万福闸及类似水闸工程闸门启闭的要求，作为专利新型产品应用于江苏省大型水闸“太浦河闸”，效果良好。

图10 万福闸新型同轴主副卷筒固定卷扬式启闭机

图11 新型启闭机研制项目获省水利科技优秀成果二等奖

4.4 应急抢险更有保障

水利工程特别是水闸经长期运用后，往往会出现闸底板冲刷损坏等现象，严重时会危及整座水闸的安全运行，传统维修方式须拦河打坝，投资大，工期长，费时费力，对于一些不允许长期断航条件的交通船闸，只能带病运用。

万福闸自研成功“自浮式气压沉柜”解决了这一重大应急抢修问题。该装置由沉柜主体部分和供气系统组成。沉柜主体部分由盾首、通道、盾底、浮箱及压重块等主要部件组成。供气系统由1台气产量3m3/min 的空压机、2只5m3/s储气罐、2只空气滤清器及相关控制闸阀组成(见图12)。

图12 沉柜示意图

自浮式气压沉柜主体部分在翼墙上完成组装后，由吊车吊入靠近闸室水域，施工人员连接好位于防汛工作船中的供气系统。利用空气压缩机连续提供的压缩空气将浮箱、通道及盾底内的水体排出，形成足够大的浮力，用以克服沉柜主体自身重量(约27.6t)，在水中实现自浮。岸上施工人员利用缆绳将沉柜移至需检修的位置，打开浮箱和盾首上的放气阀，放气下沉至指定位置[4]。当沉柜下沉至检修位置后，关闭所有放气阀及盾首舱门，向通道、盾底内充气，利用压缩空气，完全排开内部水体，实现人造无水施工环境。检修人员从通道进入盾底，实施水下修补(见图13)。自浮式气压沉柜创造了无水作业环境下进行水闸水下修补的先例，具有操作方便、直观可靠、施工质量易于控制、工期短的优点，该施工体系的成功运用不仅保证了万福闸加固护底工程及其他水下土建项目的顺利实施，也为类似水闸水下修补工程的设计和施工积累了宝贵的经验[10]。

图13 沉柜作业中

5 结 论

近年来，随着智慧水利发展的新要求，万福闸围绕“统一技术架构、强化资源整合、促进信息共享、保障良性运行”目标，在管理模式和技术改造上下功夫，引入新理念、新技术、新设备、新应用，通过精细化管理模式与设施设备优化升级，有力地推动了工程管理现代化建设。

未来的发展趋势是利用物联网、云计算、地理信息系统、大数据分析、工程远程控制等技术，在整合现有水利信息化成果的基础上，完善工程监控系统、集中控制系统、工情信息系统、工程管理系统、工程调度系统、河湖管理系统、水文信息系统、档案管理系统、电子政务系统等，提高系统信息共享、联合分析、科学决策、智慧调度的能力，建立较为完善的水利信息化综合体系，为智慧型工程管理奠定基础。