耿楼枢纽节制闸扬压力自动化监测系统功能及应用

王金焰

（作者单位：阜阳市河道管理局 阜阳市沙颍河耿楼枢纽工程管理处 236000）

一、系统概述

耿楼枢纽工程是沙颍河治理工程中最大单项工程，由节制闸、船闸及上下游引航道组成，其节制闸位于船闸南侧，紧邻船闸布置。该枢纽中的主要工程建筑物设计等级为2 级，其中节制闸按20年一遇洪水设计，50年一遇洪水校核，设计过闸流量为3910m3/s，校核流量为4770m3/s。耿楼枢纽工程节制闸采用双层钢筋混凝土框架式结构，按闸墩分缝三孔一联的方式施工，并分别在4#、7#、10#闸墩底板处设有三道分缝。

为便于耿楼节制闸的运行观测，在耿楼节制闸设计安装了扬压力自动化监测系统，主要由闸基渗流扬压力观测、上下游水位观测和数据自动采集单元等部分组成，其中扬压力自动化监测系统中的25 只原装进口振弦式渗压计均顺水流方向埋设在两侧岸墙及闸底板分缝处，其中高程17.2m处的原装进口振弦式渗压计9 只、高程18.5m 处的原装进口振弦式渗压计2 只、高程19.0m 处的原装进口振弦式渗压计11 只、高程19.9m 处的原装进口振弦式渗压计3 只；上下游水位观测由4 只通气型原装进口振弦式渗压计和4 个水位标尺组成；数据自动采集单元由智能采集模块、DAU 机箱（MCU 单元）和监测计算机及专用数据采集软件组成。

耿楼枢纽管理处按照《水闸运行与管理》《水闸技术管理规程》（SL75-2014）等相关行业标准要求，对节制闸埋设的29 只振弦式渗压计，按照埋设的断面及类型重新进行了分类及编号，其中P26、P27、P1、P2、P3、P4、P5 共7 个渗压计埋设在上下游左岸翼墙及岸墙底板下（编号为za），P28、P29、P21、P22、P23、P24、P25 共7个渗压计埋设在上下游右岸翼墙及岸墙底板下（编号为ya），P6、P7、P8、P9、P10 布置在4#闸墩底板下（编号为d01），P11、P12、P13、P14、P15布置在7#闸墩底板下（编号为d02），P16、P17、P18、P19、P20 共5 支渗压计埋设在10#号底板下（编号为d03）。管理单位按照规范要求在工程投入运行两年内两天采集一次数据，从第三年开始每七天采集一次数据，同时在节制闸上下游接近设计最高水位及最大水位差时加密进行数据采集，对各测点的工程值（以下称扬压力值）过程线图、对比线图及断面图进行分析比较，通过数据的分析及所绘制的压力分布趋势图，一是可以判断出每只渗压计是否能正常使用；二是可以反映出闸底板下各点压力变化情况；三是可以检验节制闸防渗和排水措施的效果。

所有渗压计在埋设时均填写了埋设考证表并进行了施工期、运行管理期观测。上下游水位观测的4 只通气型原装进口振弦式渗压计采用放管直投安装方式，安装完成后定期进行人工及自动化数据采集。

二、系统组织构架及数据应用

1.扬压力自动监测系统的组织构架

耿楼枢纽节制闸的扬压力自动化监测系统，由顺水流方向埋设在两侧岸墙及闸底板分缝处的29 只振弦式渗压计、4 个振弦信号采集模块、MCU 数据采集单元、监测计算机、专用的监测软件（应用软件）等部分组成，其系统组成的原理框如图1所示。

2.数据采集应用

首先由预先埋设的振弦式传感器将扬压力信号转变成频率信号并通过专用电缆送入到振弦信号采集模块中，振弦信号采集模块再通过MCU 数据采集单元将数据送入监测计算机中，监测计算机中的专用监测软件可以通过通讯接口与MCU 之间进行双向通讯，这样监测计算机既可通过MCU 实现对采集模块的控制；也可以按期定时的将采集到的数据自动存入指定的数据库中，为运行观测提供可靠的原始观测数据。

三、专用监测软件的功能及应用效果

1.数据采集方式与管理

数据采集的方式主要有实时、定时和离线数据采集三种方式，耿楼枢纽管理处根据规范要求，在运行管理过程中采用离线数据采集模式对采集的数据进行时间间隔分类，从2010年1月1日～2011年12月31日所有测点采用离线采集模式，每两天采集一次扬压力值与温度值，2012年1月1日～2018年12月31日所用测点采用离线采集模式，每7 天采集一次扬压力值与温度值，对于采集到的数据每个月定期备份，每年年底对数据收集、整理、分析、对比并统一按年度备份，发现异常及时对模数及数值进行修正与处理。

2.图形的制作功能

图1 组成原理框图

表1 闸底板下埋渗压计读数值表（单位：kPa）

图2 d01 断面p7、p8、p9 点扬压力测值过程线图

图3 d01 断面p7、p8、p9 点扬压力测值断面线图

图4 d02 断面p12、p13、p14 点扬压力测值断面线图

图5 d03 断面p17、p18、p19 点扬压力测值断面线图

图形的制作包括对各个测点、断面的压力、温度等物理量的过程图和对比图的绘图制作，一是可以通过系统自动功能软件方便灵活地绘制出各测点及断面的扬压力过程图、对比图、断面图；二是从在线或历史数据库中将有关数据导入或导出到Excel 电子表格中，再利用Excel 电子表格对采集数据进行二次处理并绘制出所需要的各种图形和过程线图。

3.应用效果

耿楼枢纽节制闸的扬压力监测系统是2007年开始安装，2009年底竣工验收交付管理单位正式使用，现根据扬压力自动化监测结果,选取闸底板分缝处三个断面（d01、d02、d03）2007～2018年典型月份及典型断面的扬压力值和过程线、对比线及断面图（见表1、图2～5）进行分析对比。从数据表和过程线可看出，三个断面的9 只渗压计变化过程一致性很好，在2009年2月通水前后有明显的渗压变化出现，其渗透压力水头变化约在5.5m 左右，在2009年底至2018年运行管理期间，管理单位按照控制运用办法对节制闸上游水位调节控制，水位变化幅度相对较小，但是通过埋设在闸底板下的9 只渗压计，都能够采集到闸底板下扬压力的变化情况，通过数据及过程线图分析对比，虽然过程线变化与闸上游水位变化有一定的滞后，但整体趋势走向基本一致，未发现异常情况，且顺水流方向布置的三个断面测点数值，根据水位的高低从上游到下游呈现递减趋势，说明闸底板下扬压力正常、稳定，闸底板分缝处止水效果较好，渗压设备数据采集正常，工程运行稳定。

四、系统运行维护的经验

（1）每次读取存储器后应在保存完整数据后及时清空存储器，否则下次读取时会重复读取上次读取的数据，但不建议在读取前选中自动清空存储器，因为一旦数据读取失败或未成功保存数据时也将清空存储器，导致数据丢失。

（2）振弦式孔隙渗压计通过直埋的方式预埋在土中或闸底板下，安装结束后基本无法维护。所以在埋设过程中一是要采购质量合格的渗压计及水工电缆，二是要确保硬件的安装及施工质量，确保一次安装到位，三是在安装施工完成后及时填写埋设考证表，通过人工对已埋设的渗压计进行数据采集，及时检查埋设设备的成活率。

五、结语

根据2007～2018年对耿楼节制闸底板下埋设的各测点扬压力值过程线的对比，表明整个节制闸底板下埋设的振弦式渗压计运行稳定、可靠，各点扬压力测值的变化随闸前水位的变化而有规律的变化，由此说明该监测系统能够准确及时地反映扬压力分布情况，所埋设的设备及系统软件均能够正常工作，满足设计要求。由于渗压计直埋后一旦损坏无法更换，建议今后可考虑采用在测压管中投入渗压计的方式来进行扬压力监测■