相 楠

(遼寧西北供水有限責任公司，遼寧 沈陽 110003)

1 研究背景

隨著經濟社會的快速發(fā)展，我國水資源形勢發(fā)生深刻變化，水安全狀況日趨嚴峻，水利的內涵不斷豐富，水利對全局的影響更為重大，地位更加凸顯。為解決我國水資源時空分布不均和城市、工業(yè)、農業(yè)、生態(tài)缺水等問題，各地開展了一系列引調水工程，如南水北調工程[1]、引黃工程、引漢濟渭、引江濟淮、引大濟湟、滇池補水工程以及各省市內的調水工程。調水工程的結構形式大致可以分為明渠、渡槽、管道和隧洞等，其安全監(jiān)測的內容也有較大差異。本文以高寒地區(qū)的管道和隧洞調水工程為研究對象，討論其安全監(jiān)測系統(tǒng)設計，包括設計原則、監(jiān)測項目、設備防寒措施、監(jiān)測效果等。

2 高寒地區(qū)管道調水工程安全監(jiān)測特點

高寒地區(qū)自然條件惡劣，給安全監(jiān)測工程也提出了更高的要求。相對于大壩和水庫安全監(jiān)測，高寒地區(qū)管道調水工程安全監(jiān)測特點主要有幾個方面：

(1)工程線路長，動輒十幾公里甚至上百公里，監(jiān)測點布置分散。

(2)隧洞部分距離長、無線信號差，監(jiān)測數據傳輸難度大。

(3)野外環(huán)境下，監(jiān)測設備維護難，必須考慮防盜措施；測點分散，220V常規(guī)供電造價高。

(4)高寒地區(qū)冬季易遭受極低氣溫，檢修井、氣閥井等構筑物布置溫度監(jiān)測，室外的監(jiān)測采集等設備必須考慮防寒措施。

(5)野外環(huán)境惡劣，考慮設備防盜，監(jiān)測采集設備一般選擇置于設備桿上，空野環(huán)境下電源防雷要求高。

3 安全監(jiān)測系統(tǒng)設計

目前調水工程尚無專門的安全監(jiān)測設計規(guī)范以供參考，設計階段主要依據混凝土壩和土石壩監(jiān)測規(guī)范。但監(jiān)測的目的仍以“安全”為主，設計遵循“實用、可靠、先進、經濟”的原則[2]。監(jiān)測設計主要根據工程的運行性質、地質條件和工程結構特點，通過監(jiān)測手段獲取影響工程安全不穩(wěn)定因素的數據資料，以此對工程的工作性態(tài)進行綜合評價，確定其運行的安全性。

大壩工程往往從安全監(jiān)測項目出發(fā)，考慮監(jiān)測設計；對于調水工程而言，其結構形式更多樣，根據不同的結構形式設置監(jiān)測項目更合理。以東北某調水工程為例，介紹其安全監(jiān)測系統(tǒng)設計，以供參考。工程線路長360余公里，沿線主要由輸水隧洞、壓力管道、連接井、穩(wěn)壓構筑物、管道鎮(zhèn)墩和管道排氣閥井等組成。

該工程從監(jiān)測結構的特點出發(fā)，布置監(jiān)測項目：

(1)隧洞監(jiān)測項目包括內外水壓監(jiān)測、結構應力應變監(jiān)測、施工縫和結構縫的變形監(jiān)測、溫度監(jiān)測；

(2)管道監(jiān)測項目包括結構應力應變監(jiān)測、結構縫變形監(jiān)測、結構位移監(jiān)測、溫度監(jiān)測；

(3)連接井、穩(wěn)壓構筑物水位監(jiān)測；

(4)管道排氣閥井室內溫度監(jiān)測。

3.1 隧洞監(jiān)測

(1)設備選型

調水工程隧洞長度在幾公里甚至十幾公里范圍，監(jiān)測儀器數據傳輸是難點。常規(guī)振弦式和差阻式監(jiān)測儀器傳輸距離在3～5km以內，傳輸距離過長數據穩(wěn)定性不能得到保證，而且水環(huán)境下長期運行儀器損耗較大。光纖式監(jiān)測儀器適應十幾公里的信號傳輸，而且光纖抗干擾能力強、耐腐蝕[3]。光纖式監(jiān)測儀器的穩(wěn)定性不如振弦式和差阻式，而且市場上光纖式傳感器產品良莠不齊。在選擇光纖式監(jiān)測儀器時，一定要選擇在其他工程應用效果好的產品，必須進行嚴格的現場率定，確保每支儀器合格。

(2)施工注意點

常規(guī)振弦式和差阻式監(jiān)測儀器也可以在長距離隧洞里應用，信號電纜可采取就近引入永久檢修洞或打孔上引至山頂，必須注意的是監(jiān)測斷面距離永久檢修洞和山頂的距離不宜超過2km。打孔上引至山頂的方法施工難度大，山頂防雷難度大，需慎重考慮。

光纖式傳感器的施工難點是熔接損耗和光纜敷設損耗的控制。熔纖時務必保證環(huán)境的清潔，熔接損耗控制在0.02dB以內。光纜易折，敷設時控制光纜動態(tài)彎曲半徑≤20D，靜態(tài)彎曲半徑≤15D(D為光纜外徑)，建議加管保護。長距離敷設時，2～3km測試一次總通道衰減，要滿足光纖解調允許值。

3.2 管道和水位監(jiān)測

管道監(jiān)測主要對其拐彎處的鎮(zhèn)墩進行結構監(jiān)測。連接井、穩(wěn)壓構筑物主要監(jiān)測水位高程。其監(jiān)測內容不同，但傳輸、供電、設備選型和布置、防雷以及防寒內容一致。

3.2.1傳輸方式選擇

工程線路動輒十幾公里甚至上百公里，監(jiān)測點布置分散，采用有線傳輸的成本太高，而且后期維護和更換不便。隨著無線傳輸技術的成熟，目前主要采用無線方式進行監(jiān)測數據的傳輸，比如GPRS、4G、GSM等。在選擇無線傳輸方式前，需對監(jiān)測區(qū)域無線信號進行測評，部分山區(qū)和偏遠區(qū)域GPRS信號差，而且GPRS信號穿透能力不足。如今移動無線信號發(fā)展很快，4G覆蓋率很高，信號穿透力相對較好，可以嘗試4G的通訊方式。

3.2.2供電系統(tǒng)

調水工程線路長、測點分散，集中供電成本高。工程一般采用低功耗采集設備，因此可選擇太陽能系統(tǒng)供電，并配置蓄電池單元。為避免陰雨和冬季雪層覆蓋的情況，蓄電池功率在電源中斷時需保證安全監(jiān)測正常運行7天以上。

3.2.3設備選型和布置

鎮(zhèn)墩結構監(jiān)測儀器建議選擇振弦式，巡測的時間短，較之差阻式在野外環(huán)境的抗老化能力更好。由于在野外環(huán)境，監(jiān)測設備盡量布置在線桿上，安裝高度超過3.5m，可減少人為破壞和偷盜。

3.2.4防雷系統(tǒng)

采集站系統(tǒng)防雷設計按設備類型、運行及接地方式、安裝地點環(huán)境條件等因素合理制定防雷措施。系統(tǒng)防雷應從外部設備開始，至電源及信號設備受電端子，采用分級防護，并與建筑物的防雷、接地及通信系統(tǒng)兼容協(xié)調配合。監(jiān)測設備的工作接地、保護接地、防雷接地共同合用一組接地體的聯合接地方式。

(1)接地網

野外采集站在各自現地自建接地網，接地極采用銅包鋼接地極建造，并采取降低電阻的措施如化學降阻劑等。接地體頂面的埋設深度不小于冰凍層深度，接地連接必須采用焊接方式，并做好防腐處理。野外采集站接地電阻均不大于10Ω。

(2)電源、通信口系統(tǒng)防雷

設備桿塔應設置電源防雷和通訊防雷設施，安裝避雷器及接地設備，桿塔上的監(jiān)測設備箱、太陽能電池燈設備應在避雷針的保護范圍內。野外采集站電源、通訊線路抗8/20μs雷電沖擊。

(3)傳感器防雷

對于來自振弦式傳感器電纜引線上感應的雷擊影響，在數據采集箱中對接入野外監(jiān)測儀器的各數據采集模塊的測量通道前直接加裝傳感器接口防雷器。傳感器輸入口防雷電感應500～1500W。

3.2.5防寒措施

目前國內標準和規(guī)范中對電氣設備的工作溫度要求一般是不低于-10℃。我國東北和高原地區(qū)冬季易遭受極低氣溫，最低溫低于-30℃，對采集設備和供電設備是一種考驗。高寒地區(qū)安全監(jiān)測設備必須考慮防寒防凍措施。采集和通訊設備加保護箱，要求密閉和加熱模塊，應對極低氣溫。電源蓄電池加密封箱埋于防凍層以下。

3.3 管道排氣閥井室溫度監(jiān)測

高寒地區(qū)溫度監(jiān)測是安全監(jiān)測的重要部分，尤其是排氣閥井室內溫度監(jiān)測。如排氣閥井保溫效果不好，室內溫度在零度以下，排氣閥水汽凝結成冰，影響氣體排出，將危及整個管道的安全運行。另外，出于野外防盜考慮，一旦排氣閥井被打開，室內溫度變化也可通過溫度監(jiān)測儀器反映。

安全監(jiān)測系統(tǒng)組成和結構如圖1所示。

圖1 安全監(jiān)測系統(tǒng)組成和結構

3.4 滲漏監(jiān)測

本工程未開展?jié)B漏監(jiān)測工作，針對管道和隧洞以及明渠調水工程的滲漏監(jiān)測，本文討論分布式光纖滲漏監(jiān)測的可行性。

調水工程滲漏不僅是對水資源的浪費，而且危及工程安全。因此，對滲漏的實時監(jiān)測具有重大意義，能夠及時、準確地探測出滲漏位置，在事態(tài)未擴大之前指導相關單位進行維護和修補。分布式光纖通過監(jiān)測滲流點溫度變化來判斷滲流[4]，工程造價相對便宜，造價3～5萬元/km。管道工程可在管道接縫處布置一個測點，沿線敷設分布式光纖，在配電室位置安裝采集終端監(jiān)測滲流，而且光纖采集頻率高，可實現實時監(jiān)測。目前分布式光纖產品已逐漸成熟，但其測量精度偏低，其監(jiān)測效果和滲漏點判定對工程經驗的依賴性較大；實施前必需設計滲漏試驗，檢驗分布式光纖的監(jiān)測效果。

4 工程應用效果

該調水工程于2016年底完成自動化系統(tǒng)，經歷了3年的冬季運行。尤其在-30℃氣溫下，管道和水位監(jiān)測數據采集傳輸正常。監(jiān)測系統(tǒng)供電系統(tǒng)整體運行良好，未遭遇雷擊損壞設備的情況。

隧洞監(jiān)測光纜最長19km，光纖總通道最大損耗20～30dB，滿足光纖解調儀50dB以內的允許值。光纖監(jiān)測儀器完好率100%。

管道排氣閥溫度監(jiān)測采用GPRS無線傳輸，部分測點信號弱，而且穿透性差，數據傳輸經常中斷，良好率在95%以上，部分井室監(jiān)測到零度以下的情況，根據監(jiān)測情況對井室保溫進行了處理，保證了排氣閥的安全穩(wěn)定運行。

5 結論

為有效解決高寒地區(qū)引調水工程安全監(jiān)測系統(tǒng)設計的難點，在尚無專門的安全監(jiān)測設計規(guī)范以供參考的情況下，對調水工程安全監(jiān)測系統(tǒng)的設計原則、監(jiān)測項目、監(jiān)測效果進行探討，深入研究設備選型、通訊方式、供電方式以及防雷、防寒措施等內容，最終提出一套由隧洞監(jiān)測、管道和水位監(jiān)測、管道排氣閥井室溫度監(jiān)測、滲漏監(jiān)測四方面組成的高寒地區(qū)引調水工程安全監(jiān)測系統(tǒng)的設計方案，并取得了良好的工程實際應用，為同類型工程安全監(jiān)測設計提供借鑒。但仍存在很多的不足之處，希望在今后的工作中總結監(jiān)測注意要點，創(chuàng)造出更大的經濟社會效益。