峡江水利枢纽泄水闸实时监测系统设计

万迪文 冯新红 余鹏翔 马光飞

摘要：泄水闸对水利水电工程的安全运行具有重要意义，为实现设备运行状态的实时监测，以峡江水利枢纽工程的弧形泄水闸为例，通过需求分析确定了在线监测的内容及监测方法，利用有限元分析、现代传感技术和数据传输技术，建立了泄水闸实时监测系统。系统包括监测设备层、信息感知层、现场数据采集层等，采用B/S架构，实现传感器管理、运行状态展示、数据分析、安全性评价和运维管理等功能，实现了泄水闸结构应力、振动、运行姿态、液压启闭机振动和液压油清洁度的在线监测，为水工金属结构数字化安全运维技术提供参考。

关键词：泄水闸； 在线监测； 实时监测系统； 峡江水利枢纽

中图法分类号：TV663

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.07.019

文章编号：1006-0081（2023）07-0111-05

0 引 言

水利水电工程泄水闸是调节、控制水位和流量的主要设备，是水工建筑物的重要组成部分。泄水闸运行正常与否，不仅直接关系到水工建筑物自身安全，还关系到下游人民生命财产的安全。

目前中国存在大量的现役钢结构泄水闸，由于设计、制造、安装及运行管理等方面原因，部分金属结构设备存在运行隐患，且泄水闸运行工况复杂多变，长期水下作业，隐患不易发现和排除。近年来，由于水工泄水闸运行故障引发的水利枢纽工程事故时有发生，如邢林生等［1］列举了国内外多个由于水工闸门失效造成重大事故的案例，并提出了应对措施，但这些措施都是从规范管理的角度出发，并未对设备的状态进行监测。余岭等［2］根据闸门定检中发现的实际问题和事故分析，阐述了对水工钢结构实施智能健康诊断的必要性和迫切性，提出了利用智能传感器进行水工钢结构健康诊断的展望。胡木生等［3］详细介绍中国水工金属结构管理和监测技术的现状，提出了在线监测系统的主要测量参数，但并未对具体参数监测方法和实现过程进行说明。本文结合工程实例，详细介绍了钢结构泄水闸实时监测系统的监测内容、监测方法、测点选择以及系统架构和软件功能，为水工金属结构数字化安全运维技术提供参考。

1 工程概况

峡江水利枢纽工程位于赣江中游的峡江县巴邱镇上游峡谷河段，距巴邱镇约6 km，是一座以防洪、发电、航运为主，兼有灌溉等综合利用功能的大（1）型水利枢纽工程。坝址控制流域面积约62 710 km2，水库总库容11.87×108 m3，电站安装9台水轮发电机组，装机容量360 MW。枢纽工程主要建筑物沿坝轴线从左到右依次是：左岸挡水坝段、船闸、门库坝段、泄水闸、厂房坝段、右岸挡水坝。轴线总长845 ｍ，设计坝顶高程51.2 ｍ（黄海高程，下同），泄水系统由18孔泄水闸组成，水闸为宽顶堰开敞型，孔口尺寸16.0 m×17.0 m，闸底高程30.0 m，泄水闸工作闸门属大（3）型，接近超大型，为赣江上最大的泄水闸门，门型为弧形钢闸门，采用2×3 200 kN液压式启闭机驱动［4］。

2010年7月峡江水利枢纽工程主体工程开工，2017年12月通过竣工验收，是172项节水供水重大水利工程中第一个整体工程竣工验收项目，并获得2017～2018 年度中国水利优质（大禹）工程奖、2018～2019 年度中国建设工程鲁班奖及第十九届中国土木工程詹天佑奖。

2 监测系统现状和需求

现阶段，中国水利水电工程中对于钢结构泄水闸的检测主要分为两类：① 在设备制造和安装过程中的出厂检测，包括制造过程质量检测和安装过程质量检测，主要是对材料、焊接质量、防腐质量和制作安装尺寸等进行检测，目的是保证产品和设计一致；② 在运行过程中的安全检测，包括日常巡检和定期安全检测，日常巡检以人工目测为主，主要是对闸门的门体、吊杆、支撑结构、止水和液压启闭启漏液等外观进行检查，定期安全检测主要是依据SL 101-2014《水工钢闸门和启闭机安全检测技术规程》等规范要求，利用检测仪器，对在役设备进行检验或测定，并根据结果做出判别。这些检测手段对设备的健康运行起到了较大作用，但仍存在以下缺点：① 以人工检测为主，受个人经验影响大；② 为周期性检测，监测数据不连续，实时性差；③ 受工作环境限制，数据采集不全面，存在漏检误判的风险；④ 受环境影响大，监测安全风险大，工作量大、效率低。

随着计算机和现代传感技术的发展，能够对与钢结构泄水闸安全运行相关的结构应力、振动、运行姿态和液压启闭机工况等内在参数进行连续实时监测。钢结构泄水闸实时监测系统就是通过对闸门关键参数的实时监测，实现闸门状态的实时反映，对闸门状态进行预报和预警，实现对其健康趋势的预演，为编制预案提供支撑，提高水利工程的防灾害应变能力和智慧化水平。

3 系统设计和实现

3.1 监测内容和方法

峡江水利枢纽泄水闸实时监测系统，实时采集弧形闸门主要构件的运行数据，通过数据传输与处理，实现对弧形闸门结构应力、流激振动、运行姿态和液压启闭机运行状态的实时监测。

（1） 闸门流激振动监测。弧形钢闸门发生事故的因素很多，如水工结构布置不当、制造安装要求不严、运用管理经验不足、闸门支臂刚度较差等。但通过对事故的统计分析发现，因支臂失稳、发生扭曲致使整个闸门失事是直接表现，而特定工况下水流脉动的随机荷载会引起共振，严重的振动是支臂失稳的重要原因［5］。

由于弧形钢闸门的固有频率较低，可以通过在闸门支臂的重要位置布置压电式加速度传感器，把水力作用引起的闸门震动转换成电信号，经过AD转换成二进制数据、进行数据组织、存储、运算处理，实现闸门振动频率、振幅的实时检测。

（2） 閘门结构应力检测。闸门结构应力是闸门受力的直接表现，是闸门强度破坏的重要判断依据。由于闸门长期处于水下，不能直观判断闸门的状态，通过应力传感器实时采集闸门结构的应力数据，可以分析和判断闸门结构的安全性。应力传感器的种类较多，可根据安装部位和使用条件选择表面应变传感器或焊接式应变传感器。

（3） 闸门运行姿态监测。闸门姿态监测主要包括倾斜监测和开度监测。在闸门启闭的过程中，由于液压启闭机双缸同步，可能存在闸门倾斜，造成闸门启闭力异常增大，严重时可能会导致闸门卡死。闸门运行过程中倾斜姿态监测是利用高精度角度传感器，可在倾斜角度达到预设值时，给出姿态预警，提醒操作人员紧急处理，消除隐患。

闸门开度是闸门的重要工况条件，开度大小决定了闸门的流量、流速和门卡漩涡对闸门的影响。闸门的开度通常采用闸门开度传感器（位移传感器）来进行测量，根据实现的测量原理，常用的有拉绳位移传感器、磁致伸缩位移传感器和静磁栅绝对编码器等。

（4） 液压启闭机振动监测。液压系统为闸门启闭提供动力，主要包括动力装置、控制调节装置、辅助装置等，动力装置是指液压泵，实现电能、机械能、液压能的转化，通过监测管道系统压力，可以较好地判断当前的工作状态，但无法对系统故障进行预判［6］。液压油泵及其驱动电机本质上属于旋转机械，利用加速度传感器来监测振动情况，通过数据分析实现故障诊断和健康评估。

（5） 液压油清洁度在线检测。液压启闭机在长期工作过程中，外部的尘土、设备内部的磨损颗粒以及液压油氧化变质而产生的胶状物等都会污染液压油，液压油污染后会加剧液压元件磨损和表面疲劳，使内漏增加，降低液压系统的工作可靠性和系统效率，严重的可能造成油泵或电磁阀卡死、管路堵塞，使系统无法正常运行［7］。液压油清洁度在线检测是通过在液压管路中安装油液在线检测仪，该仪器采用光阻法（遮光式）原理记录单位体积内不同大小颗粒物的数量，能够实时掌握液压油的污染程度并分析液压系统的磨损趋势。

3.2 硬件系统设计

3.2.1 测点选择

通过有限元软件对闸门进行建模，其中对主梁、边梁、纵梁、翼缘板、支臂腹板、支臂翼板均采用板壳单元进行模拟，次梁及支臂撑杆采用梁单元模拟，通过计算闸门在最大载荷作用下的应力与变形，得到强度和刚度的分析结果如图1所示。通过模态分析，确定了闸门振动特性。

通过对模拟仿真情况分析，确定闸门测点总布置如图2所示，流激振动监测点及监测内容详见表1，应力监测点及监测内容见表2，运行姿态监测点及监测内容见表3，液压启闭机振动监测点及监测内容见表4。

3.2.2 系统组成

峡江水利枢纽泄水闸实时监测系统由监测设备层、信息感知层、现场数据采集层、上位机层和云服务层组成。其中，监测设备层包括监测的对象，即弧形钢闸门和液压启闭机；信息感知层包括应力、加速度、倾角和油液清洁度等传感器，实现状态信号和电信号的转化；现场数据采集层主要包括数据传输网络、数据采集卡和工控机等，实现现场数据的采集和清洗；上位机层包括数据服务器、中控室电脑和展示大屏等，实现数据的分析和展示；云服务层主要包括WEB服务器及相关网络设备等组成，在条件许可下实现数据云服务，系统框架图如3所示。

系统采用分层分布式结构，由上位机层和现地工作层组成，其中上位机层包括状态数据服务器、显示器、网络设备等。现地层设备包括各种传感器、传感器单元、数据采集单元、工控机、附件等。现地层设备以工控机和数据采集单元为核心，采用模数转化、485通讯和CAN通讯等多种数据采集模式，实现现场监测数据的实时采集。上位机层和现地工作层之间采用光纤通讯实现数据高速稳定传输。上位机层实现数据汇总，不仅接收闸门、液压启闭机实时监测数据，还实现与其他信息系统联通，获取其他相关工况数据，如水位、流量、压力、水温、水质、含沙量和液压启闭机运行参数等，用于综合分析。

3.3 软件系统设计

峡江水利枢纽泄水闸实时监测软件系统采用B/S架构，主要包括：传感器管理、运行状态展示、数据分析、安全性评价和运维管理等模块，同时软件具有开放的数据接口，可为上级业务中台提供数据支撑。

（1） 传感器管理模块。传感器管理模块主要是对所有传感器进行管理，包括通道、数据类型以及是否正常工作等。

（2） 运行状态展示模块。运行状态展示模块可实现闸门和液压启闭机状态的实时展示，全面实景展示设备状态和故障的预警信息等，软件界面如图4所示。

（3） 数据分析模块。数据分析模块对传感器收集的数据进行接收和处理，通过滤波、傅里叶变化等技术提取特征值，并对数据进行存储，实现对历史数据的查询。

（4） 安全性评价模块。安全性评价模块可以设置预警规则，建立预警判断规则和安全评估模型，如通过比较测量的应力σ与不同工况下有限元计算应力值σfini以及许用应力值［σ］和材料屈服强度σs的关系来评价判断结构安全性；通过监测闸门振幅A，判别振动危害程度，给出预警报警信号；通过实时监测闸门的倾斜角度β，在达到预警范围时及时报警；通过监测液压油泵的机械振动，根据振动烈度V判断危害程度；根据液压油中不同粒径颗粒物的多少来测定液压油的清洁度，以此分析启闭机液压系统的磨损趋势。系统综合所有监测数据和预警规则，实现对闸门和启闭机的健康度评估，实现闸门和启闭机的故障预报和预警，以及通过长期数据积累，实现健康状态预测。

（5） 运维管理模块。虽然有了实时监测系统，但是定期的运维巡察必不可少。使用实时监测系统后，巡察的周期拉长，巡察内容有所不同，要增加对监测设备的巡察和校准。运维管理模块具有巡察线路规划、任务发布和结果处理等功能，能及时把发现的问题输入系统。

4 结 语

泄水闸实时监测系統研究一直是水工金属结构研究领域的热点问题，当前仍处于起步探索阶段。峡江水利枢纽泄水闸实时监测系统的探索性实践，有效提高了水工金属结构设备的运行管理水平，该系统利用高精度传感器实时采集闸门和启闭机的状态数据，通过高效的数据传输网络，搭建了故障判断模型和安全评估模型的数据分析展示平台。该系统实现了泄水闸和启闭机的关键数据全面采集，首次对启闭机液压油的清洁度进行在线监测，为数字孪生工程提供全面数据支撑。软件系统在设备状态数据实时展示的基础上，增加了日常运维功能，实现了在线监测和日常运维的有机统一，方便了设备运维，提高了设备运行可靠性，为水利枢纽日常运行管理提供参考。

参考文献：

［1］ 邢林生，周建波.水电站水工闸门运行事故及对策［J］.水力发电，2012，38（8）：70-73.

［2］ 余岭，万祖勇，徐德毅，等.水工钢结构智能健康诊断技术研究与进展［J］.长江科学院院报，2005（5）：65-69.

［3］ 胡木生，再丽娜.我国水工金属结构管理现状与检测技术进展［J］.水利与建筑工程学报，2018，16（3）：1-6.

［4］ 应国华，杨贵海，徐礼锋，等.峡江水利枢纽弧形闸门设计及关键技术研究［J］.江西水利科技，2022，48（3）：200-205.

［5］ 章继光，王克成，贾新斌.我国低水头弧形钢闸门失事原因初探［J］.陕西水力发电，1987（1）：35-42.

［6］ 熊绍钧.福尔瑟姆坝溢洪道闸门失事调查［J］.水利水电快报，1996（13）：12-14.

［7］ 王文涛，石清文.枕头坝一级水电站泄洪闸弧形闸门流激振动研究［J］.人民长江，2021，52（增2）：216-219.

（编辑：唐湘茜，张 爽）