谢广东 管世珍

文章编号：1006-0081（2019）09-0037-04

摘要：高地下水位是南水北调中线工程总干渠设计中的主要问题，尤其以全挖方和渠基透水性较强渠道更为突出，这些渠段衬砌层可能因其底面水压力过大而产生浮动破坏。以总干渠汤阴段渠段为例，对高地下水位存在的危害以及处理方法进行了分析，设计了基于GPRS无线数据地下水远程监控系统的汤阴段抽排泵站。该系统采用传感领域、通信领域、计算机监控等领域内的先进技术，实现了对积水井的地下水位等信息的实时监测和控制。通过GPRS网络与监测中心建立TCP网络连接进行数据传输，监测中心负责处理、存储和分析来自各监测井点的水位数据。并控制各监测节点。运行管理人员通过APP软件实时监测水位数据，实践表明，该系统工作稳定、能够及时采集水位数据，在设备异常时报警，确保了抽排泵站在无人值守状态下能够安全运行。

关键词：抽排泵站;自动控制;高地下水位;总干渠;南水北调中线工程

中图法分类号：TV675

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.09.009

南水北调中线一期总干渠工程采用自流调水，渠道的布置和结构设计，特别是全挖方渠段受地质条件影响较大，其中约470km渠段为高地下水渠段（地下水位高于渠底高程），渠道穿越高地下水区域，对于渠坡和衬砌结构的稳定性影响非常大，直接影响渠道运行安全。正确认识高地下水位对渠道的危害和采取对应的技术措施，是确保渠道安全的核心问题。

1工程概况

汤阴段设计单元是南水北调中线一期工程总干渠Ⅳ渠段（黄河北-羑河北）的组成部分，位于Ⅳ渠段中黄羑段的最北部。汤阴段设计单元南起自鹤壁与汤阴交界处，与总干渠鹤壁段终点相连接，北接安阳段的起点，位于羑河渠道倒虹吸出口10m处，起点总干渠设计桩号为Ⅳ175+432.8，终点设计桩号为Ⅳ196+749。

汤阴段渠段过水断面采用梯形断面，按挖填分为全填方、半挖半填和全挖方3种断面型式。典型断面见图1-3。

对于全挖方渠道，衬砌前地下水位已接近或高于渠底，高地下水将造成以下3个方面危害。

（1）衬砌混凝土底部扬压力上升。由于渠道两侧地下水位恢复原有高度，导致衬砌混凝土底部扬压力较衬砌前大幅上升，对衬砌混凝土的边坡稳定性造成影响，易导致边坡失稳等事故发生。

（2）衬砌混凝土胀裂。渠道开挖时，土体干燥失水，体积收缩;衬砌完成后，地下水位上升，土体湿度增高，体积膨胀并形成膨胀压力，易导致混凝土胀裂。

（3）滑坡。地下水位变化造成土体膨胀、收缩的往复发生，导致土的强度衰减，造成渠坡衬砌混凝土基础承载力降低，引起滑坡等事故发生[1]。

基于上述危害，依据地下水情况，汤阴段工程采取现浇混凝土结构，并设置横向及纵向缝;填缝采用聚硫密封胶及聚乙烯泡沫塑料板，根据土层的渗透能力，设置土工膜加强防渗[2]。在总干渠桩号Ⅳ181+200和Ⅳ182+000渠道右岸设置了两座抽排泵站。

2排水系统结构及布置

泵站型式采用井筒式，井筒用导水钢管与软式透水管连接，以将软式透水管内汇集的地下水通过导水钢管输送至井筒内。导水钢管直径为250mm，透水钢管直径为250mm。井筒材料为C20钢筋混凝土，平面呈艮方形，内部尺寸为3.0 mx5.0m，井壁顶部厚0.6m，底部厚1.0m，井筒底板厚1.2m。

泵室竖向结构共分3层：①下部为检修水泵泵室层，其高程根据导水钢管高程降低2.5m左右确定，并设1台移动检修泵。②中间层为工作泵泵室层，其高程为工作泵安裝高程下0.5m左右，该层上设置2台工作泵，1用1备。③上部为工作平台层，其高程略高于总干渠一级马道高程，该层设置启吊孔、检修孔等。自动泵抽排措施将水泵固定在积水井内，一般情况下水泵不工作，根据地下水和渠道水位之差实现自动抽水。该措施适用于地下水位较高且连续较长的渠段，这些渠段除设置抽排泵外，还设置了逆止阀进行自流内排。图4为抽排泵站布置示意[3]。

抽排泵站无人值守，为确保时刻监控渠道和地下水位情况，并在地下水位达到设定值时，水泵能够自动启停，在原设计的基础上进行了升级改造，在Ⅳ181+200和Ⅳ182+000泵站增设2个水位监测点，共计安装4套压力式水位计及配套的无线采集发射系统，实现了全自动检测水位和控制水泵运行。

3自动控制方案设计

为实现抽排泵站无人值守，保证远程控制的运行安全，提高防范手段以及对现场的设备设施、生产流程等工作进行定期、定点、及时的监测、检查、维护，泵站增设了PLC控制系统、GPRS无线数据传输设备。将采集到的强排泵站和抽排井的相关信息通过无线传输模式上传至终端系统平台，系统实现对抽排井及强排泵站的水位与运行工况的远程监测。根据报警规则，生成水情报警及工况报警信息，管理人员可根据报警信息进行接警及闭警处理。系统支持工艺画面实时调用，终端无需额外安装其他软件，使用IE浏览器即可查看到相关工艺画面;实现陈测地下水及渠道水位的动态变化，为渠道的安全提供科学的决策依据。

3.1PLC控制柜组成及功能实现

PLC控制柜内含：触摸屏、PLC、断路器、接触器、继电器、电机保护器、电流互感器、防雷浪涌保护器、电流电压多功能电表、水位测量仪表、温湿度控制器、工业交换机、指示灯、按钮等。

PLC控制柜可实现手动和自动控制。在切换至自动档时，工作泵可通过触摸屏设定的启泵和停泵条件实现排水泵的正常启、停，出现异常情况可以按下“急停”按钮紧急停机。当出现异常情况和PLC故障时，切换至手动档，即可通过常规继电器实现泵站的正常启、停。工作泵具有2泵轮流启动，1台泵故障，另1台泵自动启动互为备用的功能。

PLC控制柜与南水北调中线建管局（以下简称“中线局”）数据接收服务器通信采用无线通信方式，数据上传至系统后台数据库。

3.2GPRS无线数据收发器

泵站控制柜内的PLC将采集到的水泵状态信号，电压、电流信号，渠道、集水井水位信号，经以太网口（或串口）传输给4G无线路由器，通过路由器无线VPDN专网发送至中线局的数据接收服务器。

无线路由器电源取自PLC控制柜中的总控开关，经断路器后到达直流稳压电源，直流稳压电源配备了2个，通过冗余模块给路南器供电，当1个电源故障时，另1个电源能够继续维持路由器供电。另外，电源部分配备了防雷浪涌保护器。

该项目中使用的SIM卡是中国移动公司的无线VPDN专网卡。每张卡都具有固定的IP地址，便于数据采集系统对应每个站点的同定IP进行数据采集。由于采用的是专网卡，因此能够保障数据传输的安全性。

3.3远程监控设备

该套设备由压力式水位计、采集发射终端（含电池）、GPRS SIM卡、室外设备箱等组成，进而实现数据的采集和发射。

SUMMIT-W6000P3型压力式遥测水位计由温度压力一体变送器、微功耗RTU、大容量可更换锂离子电池和不锈钢壳体组成，可按照设定的间隔时间唤醒并启动测量，将数据存储到本地大容量闪存中，并通过GPRS＼GSM发送至中心服务器。该水位计采用超低功耗设计，无需外部供电。

远程监控系统是建立在丌放型结构的GPRS无线网络环境上，系统设计使用符合工业标准的“开放”体系，使系统易于扩充和升级。该套设备具有非易失性FLASH存储器，每4h存储一次，存储时间长达10a，便于后期维修时查看数据。

3.4触摸屏的应用

汤阴段抽排泵站采用施耐德触摸屏，实现了水泵运行及监测数据的直观显示。

通过设置渠道与积水井水位差值，实现水泵从系统正常运行开始累计运行时间的统计，最大累计运行时间为9.9x1O10min。

3.5软件部分

抽排泵站自动控制是一套综合性控制系统，通过多种软件实现本地和远程的监控，主要有以下几套软件。

（1）南水北调中线干线工程强排泵站运行工况监测及抽排井水位监测系统软件开发。

（2）强排泵站、抽排井信息采集管理APP系统软件开发。

（3）强排泵站内PLC软件开发及调试。

（4）强排泵站触摸屏软件丌发及调试。

4自动控制功能

自动控制功能可实现水泵相关的电压、电流、有功、功率因数等数据自动采集与实时显示，泵组运行状态、PLC运行状态、软启动器保护装置动作状态等的状态监测和指示，还可实现水位测量、水泵自动启停、监测数据的传输等功能。

4.1水位测量

采用高精度、高质量的CQF/RS485压力类变送器，将传感器采集压力信号转化成电流信号，通过PLC处理转换成数字信号。变送器采用专用集成电路及配件，具有稳定性好、漂移小、精度高的特点。采用高性能MCU、高精度ADC，将压力信号采集并转换成数字信号，直观监测到集水井和渠道水位。

4.2水泵自动启停

利用水位传感器检测积水井和渠道水位高度，将两组数据传送给PLC，并和系统设定的排水阀值高度进行比较，以此来判断启停排水泵的条件。若集水井和渠道水位变动的差值超过规定阀值高度，PLC将发出启动水泵信号，抽排井水;当水位下降至低于二者差值时，水泵自动停止[4]。图5为水泵自动启停技术路线图。

4.3远程数据采集与传输

根据泵站现场实际需求，定时将采集剑的数据写入数据库，包含實时监测、历史数据、规则配置、报警信息、统计分析、基础信息等6个模块，远程传输可实现以下功能。

（1）数据临测。监测水泵运行电流、电压、工作累计时间、渠道水位、集水井水位等参数。

（2）临控中心及本地操作平台人机界面以图形和数据形式动态显示监测数据，显示报警信息，且系统自动保存，可通过数据库查询历史数据。

（3）监控中心不断采集集水井水泵运行信息、传感器数据等，将采集数据存储于数据库，并分析形成历史曲线，以便查询。

（4）用户通过IE浏览器及手机App软件查询相关数据[5]。

5结语

针对汤阴段高地下水渠段工程，采用PLC技术和计算机控制技术相结合的集水井排水自动化监测监控系统。该系统集现场控制和远程监控于一体，具有数据采集、实时监测与控制、故障报警等功能。

通过提出泵站自动控制和监测的总体方案，设计了科学合理的硬件和软件系统，经过系统调试并最终投运。结果表明，该套自动控制系统运行可靠、自动化程度高，有效控制和监测全挖方渠段高地下水位，改进运行管理模式，从而实现了泵站无人值守。

参考文献：

[1]崔成男，膨胀土地区渠道高地下水的处理措施[J].黑龙江交通科技，2014（10）：42-44.

[2]张艳锋，侯咏梅，张婷婷，南水北调中线郑州1段工程防渗及排水设计研究[J].岩土工程学报，2016（SI）：67-73.

[3]吴剑疆，邵剑南，南水北调中线一期工程总干渠高地下水位渠道设计主要问题及对策措施[J].水利水电技术，2014（11）：46-49.

[4]毛化文，基于PLC技术的矿井智能排水系统研究[J].能源与节能，2015（10）：5-6.

[5]王盛杰，李小喜，许春雨，矿井主排水白动化监测监控系统的开发[J].中国矿业，2014（12）：147-151.

（编辑：李晓漾）

收稿日期：2019-04-02

作者简介：谢广东，男，工程师，主要从事水利水电管理等方面的工作。E-mail：271095986@qq.com