2024年3月16日发(作者：)

第40卷第9期

2018年9月

人民黄河

YELLOW RIVER

V〇1.40 ,No.9

Sep.,2018

【防洪治河】

黄河焦作河段坝岸监测系统选址与布设

浮俊超

1

，张磊

2

，李凯

3

，梁新怡

4

(1.焦作市黄河华龙工程有限公司，河南焦作454000; 2.焦作黄河河务局温县黄河河务局，河南温县454850;

3.河南黄河勘测设计研究院，河南郑州450003; 4.黄河养护集团有限公司豫西分公司，河南洛阳471000)

摘要：

黄河坝岸险情监控报警报险系统的研发与应用改变了

“

防守靠人力

、

巡查靠人眼

、

决策靠电话

，，

的防汛工作状况

。

通过系统

选址与布设的论述及运用实例分析

，

认为安装选址优先考虑在坝身有问题和受河势影响容易发生险情的坝岸

，

且安装时采样点宜

选取在沿根石台外沿或相应黄河花园口站流量

4 000 m

3

/s(

沁河武陟站流量

500 m

3

/s)

水位线位置处

。

系统的推广与应用有效降

低了人工查险的劳动强度和工作风险

，

提高了黄河沿岸河务工作的管理水平和工作效率

。

关键词：

选址

；

布设

；

坝岸监测系统

；

焦作河段

；

黄河

中图分类号：

TV871.3;TV882.1

文献标志码

：A doi: 10.3969/.1000-1379.2018.09.009

Site Selection and Layout of Dam Monitoring System for Jiaozuo Reach of the Yellow River

FU Junchao

1

，

ZHANG Lei

2

，

LI Kai

3

，

LIANG Xinyi

4

( River Hualong Engineering Co.

，

Ltd. of Jiaozuo, Jiaozuo 454000, China

；

2. Yellow River Wenxian Bureau

，

Yellow River Jiaozuo Bureau

，

Wenxian 454850

，

China

；

Yellow River Reconnaissance

，

Design and Research Institute

，

Zhengzhou 450003

，

China; Branch Company

，

Yellow River Conservation Group Co.

，

Ltd.

，

Luoyang 471000

，

China)

Abstract: The research and application of the Yellow River dam/bank risk monitoring

，

warning and reporting system has changed the current

situation of defense by manpower

，

inspection by human eyes and decision making by telephones. Through the discussion and application of

the system site selection and layout

，

it was considered that the installation and site selection should take priority in the dam/bank with the

problem of the dam body and the river potential

，

and the sampling points should be selected at the site of the outside edge of the root stone

platform or the water line location of relevant discharge of 4,000 m3/s at Huayuankou Station (500 m3/s discharge at Wuzhi Station on the

Qinhe River). The popularization and application of the system have effectively reduced the labor intensity and work risk of manual inspection

and improved the management level and efficiency of river work in the Yellow River.

Key words

：

site selection

；

layout; dam bank monitoring system

；

Jiaozuo reach

；

Yellow River

l

概述

黄河坝岸险情监控报警报险系统（简称坝岸监测

备多级审核功能;研制了新型移动信息采集装置，可针

对突发险情进行实时监测，实现现场环境信息采集、数

据传输、音视频转播等功能。该系统探索出一种信息

化与治黄业务深度融合的“互联网+ ”模式，改变了“防

守靠人力、巡查靠人眼、决策靠电话”的防汛工作状

况，已在河南黄（沁）河多处防洪工程得到应用，取得

了显著的社会经济效益，推广应用前景广阔，曾获河南

黄河河务局2016年度科技进步一等奖，获黄委2017

年度科技进步二等奖。在坝岸险情监测方面,获得国

家实用新型专利4项，另有2项国家发明专利申请已

被受理。

根据测算，该系统单坝安装成本约10万元，与同

类系统相比具有明显的价格优势。但是，黄河坝垛护

岸工程仅焦作段就有695座[|]，如果每道坝岸工程都

收稿日期

=2017-12-16

作者简介：

浮俊超

（

1972

—)，

男

，

河南获嘉人

，

工程师

，

一级建

造师

，

主要从事水利工程施工管理及信息技术等工作

。

E-mail

：

2089292903@

系统)是焦作黄河河务局（简称焦作局）等单位自行研

发的新型系统。2015年9月至2017年5月，焦作局在

大玉兰控导工程开展了坝岸监测系统的研究，旨在实

现坝岸险情实时监测及工程现场信息采集，根据黄河

坝岸险情发生、发展机理,应用现代化信息技术将黄河

防洪工程的信息采集、传输、报警、报险等功能有机融

合，实现险情的远程实时监测和报警，为险情的及时、

有效抢护及保障防洪工程安全提供重要的技术手段。

研发了基于高分子聚合物的传感系统,可将险情数据

实时上传至监测系统，实现对防洪工程险情的远程实

时监测，险情发生后可持续保持险情监测能力;研发了

坝岸监测系统，可实现不同部位自动报警，并与视频监

控系统联动进行远程险情确认，能自动生成出险时间、

地点、部位、现场图片等相关信息的险情数据包，且具

• 37 •

人民黄河2018年第9期

安装该系统,那么投资将非常巨大，会给河务部门造成

很大的经济压力,是很难实现的。因此,在哪些地方安

装、哪些地方不需要安装以及如何布设,成为值得考虑

的问题。

理，消除隐患。③如果来水量变小，那么驾部控导河势

基本不变，河势可能会下挫至38坝以下靠河;如果来

水量变大,那么河势可能上提至27—45坝靠溜，极易

形成险情;东安控导48坝处淘刷严重,背河部分滩地

塌滩,建议对塌滩严重部位进行应急处理，以确保坝后

防汛道路和滩区滩地安全。④嘉应观7—9垛的修建

进一步缓解了该处的不利河势。现主溜冲刷8—9垛，

随着水流对东营、御坝滩区的继续冲刷,主溜可能继续

靠北岸移动，河势仍然会下挫，滩岸继续向北、向东坍

塌,急需在9垛下首修建10—13垛，以有效控制该段

2安装选址与布设

址

2.1

选

该系统安装的目的是实现坝岸险情实时监测及工

程现场信息采集,融监控、报警、报险功能于一体，使险

情发生发展可感知、工程运行情况可掌控、指挥调度可

协同。因此，安装选址需要考虑的主要因素就是坝岸

险情发生的原因。

根据近几年焦作局险情统计情况可以看出，焦作

黄河河道工程常见的险情主要分为根石坍塌、坦石坍

塌、坝基坍塌和坝裆坍塌后溃4种类型,险情的成因主

要有以下几个方面。

(1) 坝岸自身问题。坝岸自身不稳定是造成险情

发生的内在因素。坝岸从总体结构来看，可分为根石

和坝身两部分,其中根石是坝岸稳定的基础，坝岸工程

的稳定程度直接取决于坝岸根石的稳定与完整程度。

根石传统结构是散抛石块裹护根石土胎，在水流冲刷

下，一部分根石容易离开坝体造成走失,若根石走失严

重而未被及时发现和抢护，则坝身将会发生裂缝、蛰

陷、墩蛰或滑塌等险情，最终导致坝岸出险。新建的坝

岸工程尚未遇到过大水或抢过险的坝岸，由于根石少

且根基多数座落在淤积的泥沙上，因此一旦着溜淘刷，

就会因根石埋深不足导致坝基不断下切，从而发生根

石坍塌等险情。根石自身安放条件不足,如深度不够、

断面不足等,在水流冲刷下易形成冲刷坑，造成护根石

蛰动，导致根石坍塌险情。由险情统计可以看出，坝岸

发生的根石坍塌等险情中60%以上是由坝岸根石走

失引起的。

(2) 河势影响。畸形河势是黄河下游河势演变的

一种特殊的自然现象[2],其平面表现形式多为横河、

斜河，其水流轴线与规划流路轴线的夹角一般大于

65° ,往往形成

S

形、

Z

形、^形等河势。畸形河势的发

生和发展易造成现有水流不能按照工程治导线行进,

使控导工程失去控制主溜、稳定河势的作用，也极易出

现重大工程险情。

根据2017年汛后黄河河势查勘报告，焦作河段河

势预估变化及应对措施为:①逯村、开仪、化工控导工

程河势不会有太大变化。化工3—16坝、38—41坝容

易出险，需对易出险坝道进行加固。②大玉兰控导工

程受横河河势影响，1一10坝、30—36坝出险概率增

大,急需进行根石加固或对该段河道内河心滩进行治

• 38 •

河势流路,减少滩岸坍塌。⑤老田庵控导工程中小流

量河势相对稳定，若来大水，则31 —35坝将受主溜持

续冲刷，出险概率将进一步增大。

从焦作黄河河势图和大玉兰控导工程险情统计表

(见表1)可以看出，发生险情的坝岸多为各工程靠河

且容易发生大溜顶冲、回溜淘刷和边溜冲刷的地方。

如2014—2017年大玉兰控导工程受河心滩影响出现

横河河势,河心滩挑溜至28坝，使28坝以下坝岸靠大

溜,工程出险频繁。在29—35坝迎水面形成强回溜，

致使丁坝迎水面、坝前头等部位根坦石下蛰发生一般

或较大险情。由表1还可以看出,2016年安装坝岸监

测系统后由于发现险情及时，做到了“抢早、抢小”，因

此抢险用石较少，节约了一定投资。

表

1

大玉兰控导工程

2014—2017

年出险情况统计

出险次数

年份

用石里

重大险情较大险情

一般险情

/m

3

主要出险坝垛

2014

1

404 64529—32

坝

2015

2

185 15431—34

坝

2016

112

3 54833、34

坝

2017344029、35

坝

合计

0

47313 787

综上所述，系统安装选址应优先考虑在坝身有问

题（根石不稳固）或者受河势影响容易发生险情的坝

岸工程处。

2.2

系统布设

该系统沿根石台外沿或相应黄河花园口站流量

4 000

m

3/

s

(沁河武陟站流量500

m

3/

s

)水位线位置,

每间隔1〜3

m

距离布设一个采样点，以特制传导线连

接采样点，用拉力传感器监测传导线拉力，并将数据上

传至

YRAP-D

(黄河险情数据采集协议转换装置，焦

作局自行研发的一种新型数据采集设备），实现实时

数据监测。当有根石台且根石台高程低于相应黄河花

园口站流量4 000

m

3/

s

(沁河武陟站流量500

m

3/s)水

位线时，采样点布设在根石台外沿处;当无根石台或根

石台高程高于相应黄河花园口站流量4 000

m

3/S(沁

河武陟站流量500

m

3/

S

)水位线时，则布设在相应黄河

人民黄河2018年第9期

花园口站流量4 000

m

3/

s

(沁河武陟站流量500

m

3/

s

)

水位线位置处。之所以选择这个高程设置，原因主要

有以下几个方面。

(1)

及圆头出现险情，并自动报警，在恶劣天气下实现了真

实环境中的险情报警功能，见图2、图3。

花园口站流量达到4 000

m

3/

s

(沁河武陟站流

量达到500

m

3/

s

)，是黄河（沁河）防汛由一般戒备状

态到高度戒备状态的一个转折点。根据黄河水情信息

查询及会商系统近几年的数据，黄河花园口站发生超

4 000

m

3/

s

流量的概率较小，采样点布设在此位置线，

完全可以监测到此流量下发生的各种险情，此时即使

河势工情观测次数较少，通过该系统也不会漏掉任何

险情，可以做到险情的“抢早、抢小”。当预报花园口

站发生流量4 000

m

3/

s

(沁河武陟站流量500

m

3/

s

)洪

水时，按照《河南黄河防汛应急预案》要求，河南省防

指将发布

W

级(蓝色)汛情预警，河势工情观测需增加

观测次数，可以不借助于该系统进行观测。

(2) 当根石台高程低于黄河花园口站流量4 000

m

3/

s

(沁河武陟站流量500

m

3/

s

)水位线时，采样点应

图

2

2016

年

6

月

5

日

20

时

6

分坝岸监测系统报警界面

布设在根石台外沿处。若布设在相应黄河花园口站流

量4 000

m

3/

s

(沁河武陟站流量500

m

3/

s

)水位线处或

根石台以上其他位置，则由于根石台有一定宽度，因此

对于根石台以下位置发生的险情，布设的采样点将无

法感应，系统将失效。

图

3 2016

年

6

月

6

曰

33

坝圆头出险现场

3.2

其他工程

(1)

龙湾险工7垛安装1套该系统，截至目前系统运行正

常，未发生任何险情。

(2)

生任何险情。

(3)

24坝安装1套该系统。当年6月16 —17日，分别通

过系统监测到24坝受大溜顶冲发生的根石坍塌一般

险情各1次，做到了险情的“抢早、抢小”。截至目前，

该系统运行正常。

2017年4月，在武陟第一黄河河务局沁河

3实例运用

2010年至今，大玉兰控导工程出现两段畸形河

2017年5月，在兰考黄河河务局蔡集控导

3.1

焦作大玉兰控导工程

势，分别为2010—2013年大溜顶冲1一7坝、2014—

2017年大溜顶冲29—35坝。2015年9月，在该工程

正式启动了坝岸监测系统项目，并在30—34坝共安装

5套该系统。2016年3月31日7时50分，大玉兰控

导34坝迎水面发生较大险情，系统监测到34坝迎水

面出险并自动报警，首次实现了在真实防汛环境中的

险情报警功能。该系统自动录制了出险及抢险视频

(见图1)，这是黄河上首次以监控视频方式完整记录

出险全过程。

程9坝安装1套该系统，截至目前系统运行正常，未发

2017年5月，在长垣黄河河务局大留寺控

4结语

综上所述，坝岸监测系统的安装首先考虑在坝身

有问题和受河势影响容易发生险情的坝岸，且安装时

采样点宜选取在沿根石台外沿或相应黄河花园口站流

量4 000

m

3/

s

(沁河武陟站流量500

m

3/

s

)水位线位

置处。

通过系统的推广与应用，很好地实现了工程险情

的“抢早、抢小”，节约了投资，改变了 “防守靠人力、巡

查靠人眼、决策靠电话”的防汛工作局面，有效降低了

图

1 2016

年

3

月

31

日大玉兰

34

坝出险现场视频截图

人工查险的劳动强度和工作风险，提高了黄河沿岸河

务工作的管理水平和工作效率。

(下转第43页）

• 39 •

2016年6月5日20时3分，大玉兰控导工程出现

降雨量50

mm

以上的暴雨，系统监测到33坝迎水面

人民黄河2018年第9期

0.95

m

,距右堤顶0.93

m

,沟道最大水深4.07

m

,坎前

最大壅水高度2.87

m

。1、2、3号防冲坎顶部厚度分别

是最大坎顶水头的0.15倍、0.14倍、0.14倍，顶部厚度

小于0.67倍坎顶水头，防冲坎顶部厚度和坎顶水头的

关系满足薄壁堰条件，验证了将防冲建筑物作为薄壁

堰处理的合理性。分析可知，防冲建筑物壅水效果较

为明显,壅水高度较大，导致沟道行洪能力减弱，将对

两岸堤防安全和沿岸防洪等产生不利影响。虽然坎前

最高水位未超过堤顶高程，但防冲建筑物处水位与堤

顶接近，属防汛重点关注位置。

..沟道防冲建筑物优化措施建议

由山洪计算结果和防冲建筑物壅水风险分析结果

可知，防冲建筑物减小了沟道过流断面面积，壅水抬升

作用较为明显，导致沟道行洪能力减弱。根据沟道防

冲建筑物的水位、流量等,从降低防冲建筑物壅水风险

角度提出以下几点优化措施建议:①在山区沟道满足

抗冲刷要求的条件下，应尽可能避免或减少防冲坎等

防冲建筑物，包括防冲建筑物的数量和规模;②为了减

弱防冲坎的阻水效果和减小衔接处上下游水位差，防

冲坎坎顶石料宜釆用斜面石;③因防冲坎壅水水位接

近堤顶高程，故为了避免堤防在长期高水位作用下发

生流土、管涌和溃堤等险情，对防冲建筑物处的两岸堤

防应进行加高、加固处理,并在迎水坡面设置混凝土防

渗墙、防渗斜板及防渗趾墙;④为了避免超百年稀遇洪

水造成洪水漫溢，可在防冲建筑物的某一侧或两侧修建

适当的导洪堤，导洪堤结构可采用浆砌石重力式直墙。

可用于沟道山洪演进过程的精细仿真模拟。

参考文献：

233

3结语

为了合理评估沟道防冲建筑物壅水风险，基于

Saint-Venant

方程组和

Villemonte

堰流公式，建立了适

用于模拟防冲建筑物壅水过程的一维水动力模型。针

对沟道防冲建筑物的过流特点，将防冲建筑物概化为

薄壁堰。模型应用于防冲建筑物密集的宁夏北武当沟

防冲坎壅水分析,结果表明：在100

a

—遇洪水情况

下，防冲建筑物壅水效果明显，壅水高度较大，防冲建

筑物处水位距堤顶较近，导致沟道行洪能力减弱，设置

防冲建筑物的沟段属防汛重点关注位置。从降低防冲

建筑物壅水风险角度提出了几点优化措施建议，所建

模型适用于评估山洪沟道防冲建筑物的壅水风险，也

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【责任编辑许立新】

(上接第39页）

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【责任编辑翟戌亮】

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