福州溪源泄洪洞工程自动化监测方案及预警系统应用

舒国库

(广州创科工程质量检测有限公司， 广东 广州 510000)

安全监测作为一项工程安全保证措施，在施工期进行安全监测，能够及时掌握工程建筑物结构的动态变化信息；并且提供工程在各种不利情况下工程性能评价和工程安全评估所必需的资料；掌握工程工况，控制施工质量、进度、安全，指导施工、监控施工；检验设计的正确性，监测成果作为工程资料来验证工程设计的正确性[1-2]。

本文针对福州溪源泄洪洞工程制定自动化监测方案并建立预警系统，实现了对泄洪洞工程变形、渗流、应力等参数的监测，能够实时可靠的将相关数据进行保存、分析，发现异常情况。

1 项目概况

溪源泄洪洞主体工程地理位置在福州市闽侯县上街镇、竹岐乡，该工程主要包括进水口、隧洞段、浅埋式钢管段和出水建筑物等四部分。在地理位置分布上，进水口处于水库大坝左侧堤岸上游约300 m，出水建筑物主要集中于竹岐苏洋村周边地带，防止洪涝灾害是溪源泄洪洞工程的主要功能。泄洪洞流量设计标准是310 m3/s，所能承受的最大静水头106.72 m。在洞式进水口的前端位置设计了一定长度的明渠段，泄洪洞隧洞段设计断面为圆形，长度为6572.60 m，内径尺寸为6.60 m，衬砌所使用的钢筋混凝土厚0.35 m；浅埋式钢管段断面设计同样为圆形，长度为500 m左右，内径6 m作用，使用26 mm厚的钢衬，1 m厚回填混凝土；出口工作闸室段长度为30 m左右，泄洪洞水平长度7000 m左右。事故检修闸门井设计在进水口下游约100 m隧洞处，平板闸门孔口为6 m×6 m的方形；工作弧形门设计在出口工作闸室段，孔口尺寸为4.20 m×5.35 m的矩形，出口挑流泄槽紧随其后，消力池及明渠段设计在下游；检修井设计在隧洞段出口，尺寸为4 m×4 m的方形，抽水泵、进入孔以及控制阀均在检修井中布置；管理楼和连接道路处位于泄洪洞出口附近[3]。

2 重点施工监测布设

2.1 泄洪洞监测

钻爆隧洞沿线根据地形地质条件，在钻爆隧洞地质条件较薄弱部位共设置3个监测断面，如图1。

2.1.1 变形监测

在断面1-1和断面2-2隧洞顶拱及左侧分别布置1支测缝计和2个收敛测点，且在隧洞地质条件较差的断面右侧增设1支测缝计和1套四点式位移计，共计6支测缝计、6个收敛点和2套四点式位移计。测缝计用于监测衬砌与围岩接缝处的开合度变化情况，进行实时在线自动化监测，收敛测点用于施工期收敛计变形监测。断面1-1监测仪器电缆引至就近施工支洞内的MCU自动采集单元，通过GPRS模块传输至信息管理中心，断面2-2监测仪器电缆引至就近检修闸井的MCU自动采集单元，通过GPRS模块传输至信息管理中心。

图1 泄洪洞监测布置纵剖面图

2.1.2 渗流监测

在断面3-3隧洞左侧布置1支渗压计，且在隧洞地质条件较差的断面右侧增设1支渗压计，共计2支渗压计，用于监测衬砌的外水压力情况，进行实时在线自动化监测。

2.1.3 应力监测

为了实时有效的监测围岩的支护应力，将锚杆应力计分别置于断面1-1和断面2-2隧洞顶拱和左侧处，且在隧洞地质条件较差的断面右侧增设1支锚杆应力计，应力监测图如图2。

图2 泄洪洞应力监测图

在断面1-1和断面2-2隧洞顶拱及左侧分别布置1支钢筋计，且在隧洞地质条件较差的断面右侧增设1支钢筋计，共计6支钢筋计，用于监测衬砌的钢筋应力状态，进行实时在线自动化监测。

2.2 泄洪洞与G70福银高速交叉

在泄洪洞与G70福银高速交叉边坡和G70福银高速表面布置7个垂直位移测点，垂直位移采用水准法，利用精密水准仪进行监测，如图3。在变形影响区域外布置2个水准起测基点，并在便于观测的坚实基础上布置一组(3个)水准基点进行校核。

图3 泄洪洞与G70福银高速交叉监测布置纵剖面

2.3 泄洪洞出水口监测项目

2.3.1 变形监测

在泄洪洞出水口表面布置15个垂直位移测点，a-a断面布置2个沉降板，垂直位移采用水准法[4]，利用精密水准仪进行监测。在变形影响区域外布置2个水准起测基点，并在便于观测的坚实基础布置一组(3个)水准基点进行校核。在出水口工作闸室段布置2个ABS测斜管，利用活动测斜仪进行监测。

2.3.2 渗流监测

在泄洪洞检修闸井处布置1个流速仪，下游侧布置1根水位标尺，并在附近布置1套雷达水位计，对水位变化情况，进行实时在线自动化监测，流速仪监测仪器电缆引至检修闸井的MCU自动采集单元，通过GPRS模块传输至信息管理中心，雷达水位计监测仪器电缆引至工作闸室的MCU自动采集单元，通过GPRS模块传输至信息管理中心[5]。如图4。

图4 泄洪洞出水口渗流监测

2.3.3 应力监测

在泄洪洞出水口断面1-1、断面a-a、断面b-b和断面c -c的钢管顶拱及左侧各布置2个钢板计，共计16支锚杆应力计，用于监测钢管的支护应力状态，进行实时在线自动化监测。

断面1-1监测仪器电缆引至就近检修闸井的MCU自动采集单元，通过GPRS模块传输至信息管理中心；断面a-a、断面b-b和断面c -c监测仪器电缆引至就近综合管理楼，直接传输至信息管理中心。

3 自动化监测系统建设要求

3.1 自动化系统布置原则

系统布置需要满足满足以下条件：实时可靠、实用先进、易于拓展、维护简单、环境适应性、安全性等要求[4]。

能及时采集自动化监测项目的数据，实时对其进行分析处理，监测拦河闸及连接段等建筑物的运行工作性态；安全监测自动化系统要求能够对数据进行全面的备份及恢复；从韶关市乳源瑶族自治县水库供水工程(原水管道部分)安全监测实施项目工程需要出发，各枢纽建筑物关键监测点的评判、监测数据处理、综合信息管理等是系统的基础功能；使用开源性统接口及软件，方便后期实现系统的升级、扩展、更改等；为了更简单的添加硬件模块、增加软件引用等功能尽量采用模块化设计[6]。

3.2 自动化系统建设功能

系统需要能够对所使用的各类传感器进行数据监测、采集、处理，既能实现中央控制又能实现自动控制，满足“无人值班”的要求，各测值具有越限报警功能。传感器的数据既可以暂存于测控装置中又可以上传到监测中心进行分析计算处理等工作[7]。

进行监视、数据输入/输出、显示并打印结果、分析当前状态、查看历史数据在监测服务器、监测工作站上就可以实现；依靠自动化监测系统可以实现数据采集并且掌握各监测目标的工作状态，主要包括在线监测建筑物状态、离线数据分析、制作图表、数据预测、数据库管理并进行远程服务等[8]，同时应为测控装置假装存储器以及断电保护模块，能够暂存并且保证数据自动覆盖。

监测系统的各个设备、功能模块、运行状态等需要进行定期检查，进行系统测试及维护；对系统、设备提示的故障信息准确掌握，方便维修。

数据采集系统能够与笔记本电脑相匹配的借口，方便利用计算机对测控装置的数据进行读取，即使设备故障也可以保证数据完整[9]。另外也要保证实现人工将数据录入到软件中去；提高设备所在网络的安全性，设计多级用户权限、多级用户密码。保障系统安全运行。

4 构建自动化监测系统

4.1 自动化监测系统网络结构

安全监测自动化系统采用集中式网络结构，由泄洪洞、泄洪洞出水口及监测自动化软件组成。监测仪器电缆敷设引至就近MCU自动采集单元，对应通道接入自动测量模块，数据集中通过GPRS模块发送至中控室。安全监测自动化系统采用交流220 V电源或太阳能30 W系统供电，交流220 V 电源由工程统一完成配置和线缆敷设。网络结构如图5。

图5 监测系统网络结构

4.2 监测系统网络结构安装

泄洪洞(施工支洞)安装1个自动化采集单元，配装2个数据采集模块，1套采集装置MCU，光端机2个，配装1个16通道测量模块接入1-1监测断面，测缝计、锚杆应力计、钢筋计、四点位移计，采用太阳能30 W系统供电，数据通过GPRS模块从就近施工支洞发送至中控室。

泄洪洞出水口安装1个自动化采集单元，配装2个数据采集模块，2套采集装置MCU，配装1个16通道测量模块接入断面2-2、断面3-3和断面a-a中的断面1-1监测，测缝计、渗压计、锚杆应力计、钢筋计、四点位移计、钢板计，采用交流220 V电源供电，数据通过GPRS模块发送至中控室。断面a-a、断面b-b及断面c-c监测数据通过电缆直接接入中控室。

福州地区大学新校区防洪排涝体系溪源泄洪洞工程管理楼机房安装安全监测系统服务器和监测数据接收GPRS模块，中控值班室安全监测系统工作站，配套福州地区大学新校区防洪排涝体系溪源泄洪洞工程安全监测自动化系统管理软件。

5 自动化预警系统设计

5.1 设计遵循原则

在工程一定范围内安装联动警示设备，以便在出现问题的时候能够快速通知相关人员，采取有效措施应对；同时还应该定期对设备进行集中的监控、维护和管理，达到对泄洪洞进行全方位的监控以及对监控信息作出有效应对。基于此建设自动化网络视频与广播技术的预警系统。

预警系统设计遵循以下原则：具有稳定性，系统和硬件需要配套相应的监控操作系统和相应的硬件结构，能够在环境比较复杂、可靠性要求较高的环境中运行；具有经济性，充分利用其他监控领域中成功应用的中间件和模块，保证先进性并可以向上兼容拓展[9]；使用模块化、结构化的设计理念，在需要对系统功能进行添加的时候只需要模块化的增加即可，并且减少投入；具有实用性，系统能够满足用户的网络监控需要，可以与报警设备进行联动、并实现查看历史、远程控制、多画面实时监控[9]；保证系统安全，平台视频监控系统安全性在管理中是关键问题之一，必须保障数据安全，还应具备较强的抗干扰性[9]。同时人机接口功能强，界面采用全中文显示，功能强，操作方便，简洁、灵活，便于二次开发。计算机系统和泄洪洞计算机系统及上级调度之间可进行通讯，实现遥信、遥测、遥调功能[9]。

5.2 预警监控布设

根据泄洪洞建筑特点，监视点主要设置在中控室、管理楼大门、出口工作闸门、出水口水位尺等重要部位，安装高清网络摄像机以及高清网络一体化摄像机。

5.3 水库广播系统

该工程广播系统由信号源、智能广播机、放大和处理设备、传输线路和扬声器组成。该广播系统的特点主要有多种预警方式，实现远程管理，预警任务设置灵活，信息自动上报，拾音及时准确，现场取证录音，防盗报警。采用数控电源时序器对所有设备进行供电，保障系统安全。可以扩展远程寻呼控制、市话插播、消防报警等功能。

主要设备组成，扬声器、音柱频率响应60～15 kHz;灵敏度-45±3 dB；输出阻抗200 HM；电源供应AC220 V带电源适配器1个；入侵报警控制器1套；人工直播插入话筒或音源1套；控制器1套；低噪声放大器1站；扩声系统设备1台；扬声器、音柱2个；管内配600 m。

5.4 计算机网络监控系统

系统的软件、硬件、网络架构必须成熟、可靠、安全，品控优良且能够提供长期的技术支持。部颁 《水电厂计算机监控系统基本技术条件》(DL/T 578—2008)所要求的各项指标据需要满足。采用模块化、结构化设计理念，使得系统更加容易拓展，随时随地的增加功能并扩充规模。

接地点使用电站公用接地网接地。计算机监控系统采用“一点接地”方式。本计算机监控系统和电站设备公用一接地网(接地电阻不大于 4 Ω)，不考虑计算机监控系统采用单独的接地方式。在机房内设置接地汇流牌，并在铜牌上分布设置铜接线柱便于使用。

视频监控设备组成有网络服务器1套；服务器显示设备1台；监控摄像机1台；监控摄像机3台；双绞线缆200 m；避雷器8个；光电转换器4个；光纤300 m；软件1套。

6 总 结

本文通过对福州溪源泄洪洞工程自动化监测方案及预警系统布设研究，根据自动化监测系统的方便可靠、必要性，对项目进行了自动化监测布设，达到了自动化监测的目的；同时设置了基于视频监控和广播的自动化预警系统。

对于泄洪洞工程的自动化监测主要在洞室的应力变形上，渗漏往往是隧洞监测的重点，自动化监测渗漏往往不能代替人工经验上渗漏对洞室变形的影响，这也是自动化监测不足的地方，也是今后研究的重点。