馬松增， 徐建昭， 何明月， 丁 立

(1.河南省水土保持監(jiān)測總站， 河南 鄭州 450008； 2.河南省水利勘測有限公司， 河南 鄭州 450003)

淤地壩是黃土高原水土流失地區(qū)控制溝道侵蝕的一項重要工程措施。研究表明，淤地壩對于減少入黃泥沙、區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境改善等方面具有非常明顯的作用[1-4]。根據(jù)全國第一次水利普查成果，截止2011年底，河南省有淤地壩1 600多座，其中部分淤地壩工程下游影響區(qū)內(nèi)有國道、高速、鐵路等重要交通線路及村莊，淤地壩的安全運行直接關(guān)系到人民群眾的生命財產(chǎn)安全[5]。及時高效開展淤地壩運行期監(jiān)測和應(yīng)急處理，確保淤地壩防汛安全，是全面提升淤地壩監(jiān)管水平的有力手段[6]，也是黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展的源頭保障措施。

有研究者曾提出小流域淤地壩監(jiān)測的內(nèi)容、指標(biāo)、方法，并選取典型小流域壩系，布設(shè)監(jiān)測點，采用遙感、水沙觀測、調(diào)查等方法，連續(xù)開展淤地壩工程建設(shè)動態(tài)、攔沙蓄水、壩地利用及增產(chǎn)效益、壩系工程安全等監(jiān)測[7]。近年來有研究者將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于淤地壩變形監(jiān)測，獲取淤地壩壩體和庫岸表面數(shù)據(jù)[8]。段茂志[9]設(shè)計構(gòu)建了小流域淤地壩防洪潰壩風(fēng)險評價及實時預(yù)警模型，由實時降雨預(yù)測潰壩風(fēng)險，在淤地壩潰壩之前發(fā)出預(yù)警預(yù)報。王彥武等[10]將低空無人機遙感技術(shù)應(yīng)用于淤地壩水土資源監(jiān)測中，為淤地壩的安全管理和預(yù)警提供支持。李想[11]基于物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)了淤地壩管理部門對淤地壩汛情的及時了解和遠(yuǎn)距離的大壩安全監(jiān)控。以上這些淤地壩監(jiān)測方法需要借助大量的人力物力，且缺乏連續(xù)性和時效性，在淤地壩易發(fā)生險情的強降雨條件下，往往不能實時、準(zhǔn)確地預(yù)警淤地壩安全隱患。

本研究選取河南省5座典型淤地壩作為試點，2019年開始進(jìn)行淤地壩安全自動化監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、運行，以期實現(xiàn)淤地壩運行安全自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和安全隱患預(yù)測預(yù)警。

1 理論和方法

1.1 淤地壩安全自動化監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計

淤地壩安全自動化監(jiān)測系統(tǒng)由壩區(qū)監(jiān)測點傳感器系統(tǒng)和監(jiān)控調(diào)度中心兩部分組成一個有機的整體，實現(xiàn)壩體雨量、水位、滲壓、變形和位移、應(yīng)力、視頻等監(jiān)測數(shù)據(jù)自動采集、存儲，并滿足實時自動傳輸?shù)囊?。預(yù)警模塊依據(jù)淤地壩安全等級模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并發(fā)布淤地壩安全預(yù)警信息。

淤地壩安全自動化信息傳輸拓?fù)鋱D如圖1所示：

圖1 淤地壩安全自動化信息傳輸拓?fù)鋱D

1.2 淤地壩監(jiān)測內(nèi)容和方法

淤地壩安全自動監(jiān)測項目包括：降雨、水位、滲壓、變形、位移、應(yīng)力、視頻監(jiān)控這7個參數(shù)。

在每座淤地壩上獨立布設(shè)雨量計、水位計、滲壓計、應(yīng)力計、地表位移站、視頻站、太陽能等供電系統(tǒng)等監(jiān)測設(shè)備；每座淤地壩的監(jiān)測設(shè)備由該壩體安裝的太陽能供電系統(tǒng)進(jìn)行供電。各淤地壩監(jiān)測設(shè)備通過傳感器系統(tǒng)與全省監(jiān)控調(diào)度中心進(jìn)行系統(tǒng)集成，從而實現(xiàn)全省淤地壩監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動化實時監(jiān)測。

降雨、水位監(jiān)測由布設(shè)在壩體的雨量計、水位計獲取并經(jīng)由主控單元實時傳輸至數(shù)據(jù)中心。

滲壓監(jiān)測根據(jù)工程的具體情況，在大壩上選擇合適的斷面安裝埋設(shè)相應(yīng)傳感器，傳感器向測控單元傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)，測控單元將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至主控單元，最后由主控單元傳輸至數(shù)據(jù)中心。

變形和位移監(jiān)測采用高精度地表位移監(jiān)測站實時自動化監(jiān)測進(jìn)行，監(jiān)測點采用地表位移監(jiān)測站多星多頻接收機作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備，地表位移監(jiān)測站接收機接收地表位移監(jiān)測站原始測量數(shù)據(jù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)由主控單元傳輸至數(shù)據(jù)中心進(jìn)行處理，得到基準(zhǔn)點與各監(jiān)測點之間的相對位置數(shù)據(jù)，從而達(dá)到對各監(jiān)測點的位移進(jìn)行監(jiān)測的目的。

應(yīng)力監(jiān)測由固定測斜儀對壩體內(nèi)部應(yīng)力進(jìn)行實時監(jiān)測，數(shù)據(jù)經(jīng)由主控單元采集實時數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)中心。

視頻監(jiān)控以網(wǎng)絡(luò)傳輸抓拍圖片的形式，記錄并傳輸現(xiàn)場實際情況。

1.2.1 水位和雨量監(jiān)測 采用翻斗式雨量計實時自動化監(jiān)測淤地壩的雨量，雷達(dá)液位計實時自動化監(jiān)測淤地壩的水位。

每座淤地壩遙測水位站配置雷達(dá)水位計1套，數(shù)據(jù)采集終端1套。數(shù)據(jù)采集終端接收測站水位雨量數(shù)據(jù)后，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)據(jù)中心。

水位雨量遙測站采用測、報、控一體化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括遙測傳感器(雨量計、水位計等)、數(shù)據(jù)采集終端、人工置數(shù)終端、通信設(shè)備、太陽能電源、蓄電池等。所選用雨量計主要參數(shù)：雨強范圍0.01～4 mm/min，允許通過最大雨強8 mm/min；雨量采集分辨率0.1，0.2，0.5 mm任意可選；具備智能、定時、召測等工作制式；交流、直流、太陽能燈多種供電方式。所選用水位計主要參數(shù)：測量范圍1.5～30 m；測量盲區(qū)<1 m；測量精度3 mm；最小顯示分辨率1 mm。

1.2.2 滲壓監(jiān)測 根據(jù)壩體的長度選擇5個相等間距的觀測面，在觀測面壩體內(nèi)布設(shè)滲壓計。采用振弦式滲壓計對壩體內(nèi)部實時自動化監(jiān)測淤地壩的滲壓，通過在壩體里鉆鑿鉆孔，把滲壓計放置在鉆孔里(與測壓管結(jié)合使用)。通過測量滲壓計的壓力，再轉(zhuǎn)化為水頭高度(高程)，結(jié)合安裝深度以及孔口高程得到壩體或者繞壩的浸潤線高度(高程)。測量精度誤差小于 10 mm。

浸潤線高度=滲壓管長度-安裝儀器高-

滲壓計測量高度

每座淤地壩配置振弦式滲壓計1套(5支)，與水位雨量監(jiān)測系統(tǒng)共用數(shù)據(jù)采集終端。振弦式滲壓計主要參數(shù)：堅固耐腐蝕，體積小巧，可方便放置于需要測量的狹小空間；多量程可選，通常設(shè)定為25 m水深；可同步測量埋設(shè)點溫度；配套數(shù)據(jù)采集儀可自動控制測量，測量數(shù)據(jù)實時傳輸至監(jiān)控平臺軟件；設(shè)備發(fā)生異常時能有效保存原始數(shù)據(jù)；測量范圍0～250 kPa；測量精度±0.1%；耐水壓為量程的1.2倍。

1.2.3 應(yīng)力監(jiān)測 根據(jù)壩體的長度選擇5個相等間距的觀測面，在觀測面壩體內(nèi)布設(shè)應(yīng)力計。

采用固定測斜儀對壩體內(nèi)部實時自動化監(jiān)測淤地壩的應(yīng)力，其工作原理為：在壩體打孔，埋設(shè)專門的內(nèi)部位移監(jiān)測設(shè)備，實時的采集內(nèi)部位移數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器上，從而完成內(nèi)部位移監(jiān)測。通過鉆孔的方式，將測斜探頭通過連桿方式埋入地下，當(dāng)壩體內(nèi)部有位移變化時，測斜探頭隨之傾斜，信號電纜引入地面儀表連接測試，從而可精確測出水平位移量Δx，Δy或者傾角。根據(jù)Δx，Δy的值的大小，做出預(yù)報。

每座淤地壩配置固定測斜儀1套(5支)，與水位雨量監(jiān)測系統(tǒng)共用數(shù)據(jù)采集終端。固定測斜儀主要參數(shù)：由斜測儀、導(dǎo)向輪、連接桿、屏蔽電纜、數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)等組成；測量范圍±15°；靈敏度≤9″；測量精度±0.1%；耐水壓不低于1 MPa；讀數(shù)精度±0.02 mm/500 mm。

1.2.4 變形和位移監(jiān)測 通過地表位移監(jiān)測站完成淤地壩變形和位移的監(jiān)測，地表位移監(jiān)測站安裝2個監(jiān)測點和1個基站點。

地表位移監(jiān)測站由高精度北斗兼容GPS E40接收機和A40C天線、地表位移監(jiān)測站無線數(shù)據(jù)傳輸模塊及太陽能供電系統(tǒng)、避雷系統(tǒng)、安裝桿支架等附屬設(shè)備組成。

地表位移監(jiān)測站是野外地表自動化監(jiān)測專用產(chǎn)品，可對淤地壩位移、變形等地質(zhì)災(zāi)害全天候自動化監(jiān)測，支持監(jiān)測數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程推送和本地存儲。地表位移監(jiān)測站選用工業(yè)級器件和配件，提供標(biāo)準(zhǔn)化的安裝、使用和養(yǎng)護(hù)程序，易于安裝部署，適用于不同環(huán)境下長時間連續(xù)工作。

1.2.5 視頻監(jiān)控 視頻監(jiān)視系統(tǒng)主要由前端設(shè)備、傳輸設(shè)備、控制設(shè)備、記錄及監(jiān)視設(shè)備4大部分組成。前端設(shè)備由安裝在監(jiān)視點的高分辨率彩色攝像機、全方位云臺、變焦鏡頭和室外專業(yè)防護(hù)設(shè)備等組成。它主要負(fù)責(zé)圖象數(shù)據(jù)的采集和信號處理。

集中控制設(shè)備負(fù)責(zé)完成前端設(shè)備和圖象的切換控制、全方位云臺和三維可變鏡頭的控制。集中控制設(shè)備還可以對監(jiān)視圖象進(jìn)行分區(qū)控制和分組同步控制，借助軟件還可以提供圖象檢索和處理功能。

壩區(qū)視頻動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)可以給水行政主管部門提供直觀、全場景的現(xiàn)場安全狀況，方便觀察壩體整體情況，以實現(xiàn)實時調(diào)度指揮、提高安全保障的力度及效率。

2 實例分析

2.1 淤地壩概況

本研究選取的5座淤地壩為：萬溝淤地壩、沈家溝淤地壩、魚池淤地壩、王家?guī)X淤地壩、雷疙瘩淤地壩。5座淤地壩位于不同的小流域，壩體皆為均質(zhì)土壩，各淤地壩基本情況如表1所示。

表1 研究樣本淤地壩基本情況

2.2 監(jiān)測設(shè)施布設(shè)與施工

2.2.1 水位和雨量監(jiān)測設(shè)施布設(shè)與施工

(1) 設(shè)施布設(shè)。在5座壩體上分別布設(shè)1套雨量計和水位計。雨量計、水位計、視頻設(shè)備共用一個立桿。

各監(jiān)測點位置布設(shè)情況如表2所示。

表2 水位和雨量監(jiān)測設(shè)施布設(shè)情況

以雷疙瘩淤地壩為例，監(jiān)測淤地壩水位和雨量監(jiān)測點位典型布設(shè)格局見圖2。

(2) 設(shè)施施工。水位雨量遙測站基礎(chǔ)設(shè)計為150 cm×150 cm×80 cm的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，預(yù)埋螺栓(出基礎(chǔ)頂面100 mm)與支架連接。支架采用高3 m的DN200鍍鋅鋼管，工作平臺為圍欄式結(jié)構(gòu)。懸臂采用長為2.5 m的DN65鍍鋅鋼管，固定在工作平臺底部平面，水位計安裝在懸臂端部固定；雨量計支架采用DN100的鍍鋅鋼管與工作平臺連接，安裝在支架上方固定。

2.2.2 滲壓監(jiān)測設(shè)施施工

(1) 設(shè)施布設(shè)。5座壩體上分別布設(shè)振弦式滲壓計1套(5支)，與水位雨量監(jiān)測系統(tǒng)共用數(shù)據(jù)采集終端。每座淤地壩壩頂?shù)缆繁乘嬉粋?cè)距離道路邊沿0.5～1 m位置均勻布設(shè)3個滲壓計(滲壓和內(nèi)部位移共用)，壩頂迎水面正中布置1個滲壓計，壩頂背水面正中布置1個滲壓計。各滲壓計布設(shè)鉆孔規(guī)格如表3所示。淤地壩滲壓監(jiān)測點位典型布設(shè)格局見圖2—4。

表3 淤地壩滲壓計布設(shè)鉆孔規(guī)格

(2) 設(shè)施施工。采用巖芯管沖擊法干鉆鉆孔；鉆孔完成后，將加工好的測壓管盡快安裝，使其管頂露出壩體0.3 m左右；測壓管在管內(nèi)水位穩(wěn)定后，需做注水試驗來檢驗靈敏度；注水量約每1 m測壓管容積的3～5倍；注水后不斷觀測水位，直至恢復(fù)到或接近注水前水位。

用洗凈的細(xì)砂包裹滲壓計，并用土工布扎緊；將電纜和滲壓計通過鋼絲繩緩緩放入測壓管內(nèi)，放置于測壓管水下1～2 m內(nèi)，固定好頂端鋼絲繩；接好通訊線纜，均勻纏裹防水膠帶和電氣膠帶做好防水處理。最后澆筑管口保護(hù)裝置。

2.2.3 應(yīng)力監(jiān)測設(shè)施施工

(1) 設(shè)施布設(shè)。在5座壩體內(nèi)部分別布設(shè)固定測斜儀1套(5支)，與水位雨量監(jiān)測系統(tǒng)共用數(shù)據(jù)采集終端。監(jiān)測設(shè)施布設(shè)點位與滲壓監(jiān)測裝置相同。淤地壩應(yīng)力監(jiān)測點位典型布設(shè)見圖2—4。

圖2 監(jiān)測設(shè)施典型平面布設(shè)示意圖(雷疙瘩淤地壩)

(2) 設(shè)施施工。固定式測斜儀安裝流程： ①鉆孔。采用工程鉆探機Φ110 mm的鉆頭鉆孔。為了使測斜儀測量到位，防止安裝時測斜管中有沉淀，測斜孔都需比安裝深度深一些。一般每10 m多鉆深0.5 m。在松散或破碎體上鉆孔時要用泥漿或水泥漿護(hù)壁，在測斜管安裝前不可有塌孔產(chǎn)生。②清孔。鉆頭鉆到預(yù)定位置后，不要立即提鉆，需把水泵接到清水里向下灌清水，直至泥漿水變成清水為止,提鉆后立即安裝。③安裝測斜管。測斜管連接到設(shè)計長度后放入孔洞，放置到位后回填測斜管與孔壁之間的空隙。④固定測斜儀。把不同深度的連接桿和斜測儀按順序放入斜側(cè)管，逐一固定后封堵孔口。

2.2.4 變形和位移監(jiān)測設(shè)施施工

(1) 設(shè)施布設(shè)。在5座壩體分別布設(shè)地表位移監(jiān)測站，每個監(jiān)測站包括2個監(jiān)測點和1個監(jiān)測基站。監(jiān)測點和監(jiān)測基站布設(shè)位置如表4所示。

表4 淤地壩地表位移監(jiān)測站布設(shè)情況

淤地壩變形和位移監(jiān)測站典型布設(shè)格局見圖2。

(2) 設(shè)施施工。地表位移監(jiān)測站鍍鋅管立桿的安裝需要預(yù)先澆筑好基礎(chǔ)設(shè)施，將立桿固定到基礎(chǔ)上，基礎(chǔ)的尺寸為60 cm×60 cm×100 cm。

2.2.5 視頻監(jiān)控 視頻監(jiān)控設(shè)備因與水位及雨量監(jiān)測子系統(tǒng)共用同一根立桿，故點位布設(shè)及施工情況與水位及雨量監(jiān)測子項點位分布情況相同(如圖2所示)。

2.3 監(jiān)測設(shè)施總體布設(shè)

依據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計原則和各淤地壩的實際情況進(jìn)行設(shè)施布設(shè)與安裝，以雷疙瘩淤地壩為例，各壩的降雨、水位、滲壓、變形、位移、應(yīng)力、視頻監(jiān)控等監(jiān)測設(shè)施典型平面布設(shè)格局如圖2所示。橫斷面滲壓、應(yīng)力監(jiān)測設(shè)施典型布設(shè)如圖3所示。縱斷面滲壓、應(yīng)力監(jiān)測設(shè)施典型布設(shè)格局如圖4所示。

圖3 0+045橫斷面滲壓、應(yīng)力監(jiān)測設(shè)施典型布設(shè)示意圖(雷疙瘩淤地壩)

圖4 縱斷面滲壓、應(yīng)力監(jiān)測設(shè)施典型布設(shè)示意圖(雷疙瘩淤地壩)

2.4 淤地壩監(jiān)測預(yù)報

2.4.1 預(yù)警與報告 淤地壩安全等級設(shè)為藍(lán)、黃、橙、紅4個等級，實時監(jiān)測數(shù)據(jù)一旦觸及相應(yīng)安全等級范圍，即時通過監(jiān)測系統(tǒng)界面顯示、手機短信等方式，向淤地壩所屬區(qū)域的各級水行政主管部門負(fù)責(zé)人發(fā)送預(yù)警信息，也可通過網(wǎng)絡(luò)電話聯(lián)系淤地壩安全責(zé)任管理部門啟動相應(yīng)等級的安全預(yù)案。

監(jiān)測設(shè)備野外運行期間一旦出現(xiàn)損毀、停工等情況，系統(tǒng)自動報告異常，在線提醒設(shè)備維護(hù)人員；待地面工作人員維護(hù)設(shè)備正常后，系統(tǒng)自動解除異常報告。

2.4.2 安全預(yù)報等級 淤地壩的藍(lán)、黃、橙、紅4個安全預(yù)報等級劃分的下限閾值如表5所示。多項指標(biāo)同時達(dá)到不同安全等級時，按照最高安全等級進(jìn)行預(yù)警提示。各項指標(biāo)均處于藍(lán)色安全等級時，不進(jìn)行預(yù)警提示。

表5 淤地壩安全預(yù)報等級劃分閾值

2.4.3 淤地壩監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用情況 淤地壩安全自動化監(jiān)測系統(tǒng)經(jīng)過一年試運行，全面實現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。試運行期間，系統(tǒng)共發(fā)布雨量黃色預(yù)警1次；設(shè)備運行異常報告2次；未出現(xiàn)橙色、紅色安全等級狀況。

為驗證該系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效性，工作人員在每次降雨過程和試運行結(jié)束后，對淤地壩各項監(jiān)測指標(biāo)進(jìn)行了實地查勘。結(jié)果表明，各項監(jiān)測數(shù)據(jù)及安全等級預(yù)警均能有效反映淤地壩運行現(xiàn)場的真實情況。

3 結(jié) 論

選取5座典型淤地壩，布設(shè)安全自動化監(jiān)測系統(tǒng)，經(jīng)過設(shè)計、安裝、運行，均實現(xiàn)了淤地壩運行安全自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和預(yù)報信息發(fā)布。目前，淤地壩安全自動化監(jiān)測系統(tǒng)順利通過1 a時間的穩(wěn)定運行。運行結(jié)果表明，該系統(tǒng)采用先進(jìn)的觀測設(shè)備，人工及自動觀測相結(jié)合，實現(xiàn)了信息的自動采集輸入、自動計算和實時自動傳輸，突破了傳統(tǒng)以人工為主的信息采集方式；布設(shè)的視頻監(jiān)控設(shè)備提升了淤地壩安全監(jiān)控能力；監(jiān)測系統(tǒng)集成先進(jìn)技術(shù)，實現(xiàn)了淤地壩運行安全隱患預(yù)測預(yù)警；系統(tǒng)的建設(shè)和運行很大程度上增強了淤地壩的運行安全管理，為各級水行政主管部門提供有效決策依據(jù)。