堤防安全监测与预警系统的试验研究_周小文

收稿日期:2001-04-24

基金项目:国家自然科学基金和长江水利委员会联合资助“九五”国家重点科技攻关课题(50099620)。

作者简介:周小文,男,长江水利委员会长江科学院土工研究所副总工程师,高级工程师,博士。

文章编号:1001-4179(2001)11-0032-03

堤防安全监测与预警系统的试验研究

周小文　包伟力　吴昌瑜　刘莉莉

(长江水利委员会长江科学院,湖北武汉430010)

摘要:为了探讨建立长江堤防自动化监测和安全预警系统技术,以武汉市谌家矶地区堤防为试验基地,研制开发了分布式监测预警系统。该系统为三级结构,即采集站、监控主站、远程信息中心。预警系统的关键技术问

题包括5个方面:量测技术、信息自动采集技术、信息传输技术、安全评价模型和系统软件。在谌家矶堤防监测预警系统中,主要选用了渗压计和自动倾斜仪两种传感器,分别监测堤身堤基的孔隙水压力和堤坡的滑动位移;该系统采用分布式数据采集,谌家矶堤防设立了两个采集站,分别用以监测渗透安全和堤外坡滑塌为主。另外在预警系统设计和研制中,要建立针对堤防具体条件和运行环境的合理安全评价模型,本系统研究和建立了初步的以监测数据为基础的渗流安全评价模型和滑坡预测模型,在渗透评价确定性模型的基础上建立了渗流安全评价的概率模型等。该系统软件实现的主要功能包括采集、检测、控制、存储、计算处理、安全评价及预测、通信等,该系统软件灵活适用、功能齐全、很适合于堤防的监测与安全预警应用。经过一段时间运行考验,该系统有可靠的自动报警功能。

关　键　词:试验研究;安全监测;预警系统;长江堤防;武汉中图分类号:TV871.4 文献标识码:A

为提高长江防洪的科技水平,采用自动化监测预警是一个重要的手段,也是一个必然的发展趋势。目前,长江堤防基于自

动化监测的预警系统研究处于起步阶段,国内外在堤防预警方面尚未有可以应用的模式,因此,需要进行方法、理论、技术上的研究以及典型堤防试验段预警系统的探索。为此,长江科学院承担了“九五”国家重点科技攻关课题—“武汉市谌家矶地区长江防洪电子预警系统应用示范研究”,选择武汉市谌家矶地区堤防作为试验基地,建立了堤防预警系统的一个初步模式。本文介绍预警系统DSEWS (Dike safety early -warning system )的基本情况。

谌家矶位于武汉市东北面,系由一江二河夹成的三角形地区,东临长江,北靠新河,西与朱家河平行,为武汉市重要交通出口。两河都与长江相通,堤防依江、河而建,全长11.4km ,洪水期间靠堤防保障谌家矶的安全。

1998年特大洪水期间,该堤抵御了29.43m 高程的超高洪水位。长江一侧的堤防(称为东堤)由于堤身单薄,堤基渗漏严重,致使大堤险象环生,多处出现管涌、散浸险情;朱家河堤防(称为西堤)在两个水流急弯区发生了大面积的外堤坡塌滑,顺河向近百米长的堤坡坡脚坐入河床,其中桩号为西堤8+900的堤坡滑裂面直逼坡顶。汛后,对东堤堤身进行了加高培厚,但堤基未做渗控处理,因此在大洪水作用下仍可能发生堤基渗透变形和破坏;对西堤滑坡进行了坡脚局部抛石处理,但处理不彻底,堤坡内部的滑裂带仍然存在,继续威胁堤坡的安全。

谌家矶地区堤防的土质及险情特点在长江中下游堤防中有较好的代表性。

1　监测与预警系统组成及关键技术问题

研制的堤防监测预警系统结构如图1、2所示,系统为三级

结构,最低一级为设立于监测断面附近的采集站,中间一级为设立于堤防所在地(谌家矶)的监控主站,最后一级为远程管理中心(如防汛办公室)。

图1　预警系统D SEWS 示意

预警系统的关键技术问题包括以下5个主要方面:量测技术、信息自动采集技术、信息传输技术、安全评价模型和系统软件。

(1)量测技术。一般来说,堤防监测项目包括变形(外部变形及内部变形)、渗透压力、渗流量、结构(涵闸、防渗墙或防洪墙

第32卷第11期人　民　长　江

Vol .32,No .112001年11月

Yangtze River Nov .,2001

DOI :10.16232/j .cn ki .1001-4179.2001.11.014

图2　系统结构

等)应力应变、环境特征(包括江水位、气温、雨量等)、浸润线或地下水位、以及堤身土含水量等。但对于一个具体的堤防,应该根据该堤防的水文、地质、环境、堤身堤基隐患,选择确定适当的监测项目,在监测项目和布置上做优化设计。

对于不同的监测项目,传感器类型及型号很多,监测方式各异。为使监测有效可靠,应从先进性、环境适应性、长期运行、能实现自动化数据采集等方面,对传感器进行比选。一般而言,可以将国外高精度但价格昂贵的传感器与国内精度稍低但价格低得多的传感器搭配使用。

在谌家矶堤防监测预警系统中,主要选用了渗压计和自动倾斜仪两种传感器,分别监测堤身堤基的孔隙水压力和堤坡的滑动位移,其中自动倾斜仪系自行研制,以取代目前通用的人工测斜方式。

(2)信息自动采集。针对堤防安全监测设施分布范围广且分散的特点,一般应采用分布式数据采集。

控制系统。采集站是基本测控单元,布置在测点附近,应使不同类型的传感器都可接入,能够独立运行并对接入传感器进行自动巡视和选测,将传感器输出的模拟信号转换为抗干扰性能好、便于传送的数据信号。

根据谌家矶堤防的具体情况,设立了两个采集站,布置在东堤1+400断面和西堤9+500断面,分别用以监测渗透安全和堤外坡滑塌(崩岸)为主。

(3)信息传输。在采集站、监控主站和远程信息管理中心(或防洪指挥中心)之间都需要进行信息传输,可以根据实际需要和环境条件选择通讯方式,微波、专用电缆、电话网络以及地球同步数字卫星等都可以作为信息通讯的手段。

本系统中包括3种通讯方式:在传感器与采集站之间是电缆线连接(电缆线以埋在地下较为合适,要注意防水和破坏),采集站和监控主站之间用微波(无线)方式,而主站信息可通过电话网络传至任何地方。微波通讯采用RS485方式,电话通讯采用Modem方式。

(4)安全评价模型。在预警系统中,安全评价模型是至关重要的部分。有了安全评价模型,才能根据监测数据评价堤防的安全。而安全评价的可靠性除了依赖于监测数据的准确性,主要就取决于评价模型的合理性。因此,在预警系统设计和研制中,要建立针对堤防具体条件和运行环境的合理的安全评价模型。

堤防渗流是一个饱和—非饱和、非稳定—稳定的发展过程。加之渗流场有不同程度的非均质和各向异性,几何形状和边界条件又很复杂。使得采用确定性方法计算堤防的汛期动态渗流非常困难,难以准确计算和考虑各种复杂情况。对于这种非确定的、动态变化的、部分信息环境的情况,基于现场观测的数据统计、处理、推断方法,直接用于堤防渗流险情的判断和预报是比较合理的。但是,这方面的研究工作还很少见。

在边坡稳定方面,力学性分析方面(极限平衡法和有限元法)对于一些基本稳定或基本不稳定的边坡,能够作出合理的定性的判断,但对于一些介于稳定与非稳定之间的边坡,却难以准确计算安全程度。尤其对于发生了一定位移的边坡,力学分析法很难判断是否会继续滑动抑或保持稳定。这一方面是由于力学分析法本身含有诸多假定,不能精确,另一方面是由于边坡土性不均匀和边界条件复杂。因此,对于一个滑坡的评价和预报,除了做一些力学分析外,主要也是以现场的位移监测成果为依据。基于现场观测的数据统计推断方法,早已用于滑坡的判断和预报。在这方面国内外已有很多的研究工作和实践经验。但是,位移的发展究竟达到什么速率或满足什么条件,就能判定是否将发生滑坡,尚没有一个明确的标准,也就是说还没有一个滑坡发生的充分的判据,实践中不同研究者采用了各种不同的数学或经验的方法。堤防的滑坡又有自身的特点,它往往是与河流冲刷引起的崩岸联系在一起,其安全评价和预报有更大的难度,研究也很少。

基于预警系统的需要和上述研究现状,本项目研究和建立了初步的以监测数据为基础的渗流安全评价模型和滑坡预测模型。前者系以土层实际承受的渗透水力坡降与土的临界水力坡降进行比较,分为安全、轻度危险、严重危险和即将破坏四级标准。后者为采用灰色和突变理论对堤坡位移和滑坡与否进行预测。

此外,为考虑土层厚度不均匀和土的抗渗强度的不均匀性,在渗透评价确定性模型的基础上建立了渗流安全评价的概率模型。为了对下一时刻的渗流安全进行预测,建立了渗流安全灰色预测模型。表1是所建立的模型种类名称。

表1　模型

编号模型名称编号模型名称

1渗流评价确定性模型3渗流灰色预测模型

2渗流评价概率模型4滑坡灰色突变预测模型

(5)系统程序。系统软件实现的主要功能包括:采集、检测、控制、存储、计算处理、安全评价及预测、通信等。

选用32位操作系统的PC电脑平台作为本软件的开发平台,可以满足本预警系统的开发要求。采用VC++和VB6.0作为开发环境,可以广泛利用Windows下的各种资源,如各种控件、OLE对象等,其提供的数据控件、访问对象等可以方便地进行数据库系统的开发,VC可以直接对底层进行访问。

软件采用模块结构,有数据采集处理和安全评价预警两大模块。实现的主要功能有:①数据采集处理模块:设采集站选择菜单,监测剖面图形可以绘制和修改;传感器可以逐个在监测剖面上安装(或撤消),并以填表形式输入编号,类型、型号、量测范围、生产厂家、标定系数(方程)、安装部位以及安装时间;可以随时设置或取消报警限值;采集的数据以传感器编号顺序列表,注明采集时间;以采集值和时间为轴,显示信号的时间变化过程,时间轴可以定义,如秒、分、小时、天;数据库可以随时调出查看、编辑、另行存储。②安全评价预警模块:设有采集站选择菜单;调用采集处理模块的数据;有渗流评价、预测模型及滑坡预测模型;评价结果自动弹出;当有警情时自动弹出报警窗口、发布报警蜂鸣和电话拨号指令。③远程信息管理:接收监控主站的参数与数据库,随时了解堤防运行现状;安装有与主站相同的安全评价与预警软件,以便能够进行远程的安全评价和预测。

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