南水北調(diào)大型泵站工程監(jiān)測設(shè)計

于文蓬，王淑鳳 ，牟燕妮

（1.山東省水利勘測設(shè)計院，山東 濟南 250013；2.東阿縣水務(wù)局，山東 東阿 252200）

安全監(jiān)測對保證大型泵站的安全具有十分重要的作用。目前國內(nèi)外許多大型泵站都進行了有效的安全監(jiān)測，并取得了良好的效果，獲得了大量翔實可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù)，為大型泵站的正常運行提供了有效的安全保證，并對設(shè)計理論的改進提供了許多必要的依據(jù)。

1 大型泵站安全監(jiān)測內(nèi)容

大型泵站的安全監(jiān)測是指通過儀器觀測和巡視檢查對大型泵站主體結(jié)構(gòu)、地基基礎(chǔ)、兩岸邊坡、相關(guān)設(shè)施以及周圍環(huán)境所做的測量及觀察；監(jiān)測既包括對建筑物固定測點按一定頻次進行的儀器觀測，也包括對建筑物外表及內(nèi)部大范圍對象的定期或不定期的直觀檢查和儀器探查。常用的大型泵站安全監(jiān)測主要有：

1.1 變形監(jiān)測

變形監(jiān)測是指利用專用的儀器和方法對變形體的變形現(xiàn)象進行持續(xù)觀測、對變形體變形性態(tài)進行分析和變形體變形的發(fā)展態(tài)勢進行預(yù)測等的各項工作。其任務(wù)是確定在各種荷載和外力作用下，變形體的形狀、大小及位置變化的空間狀態(tài)和時間特征。主要包括表面變形、內(nèi)部變形、裂縫及接縫觀測、水平及垂直位移等監(jiān)測。

1.2 應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測

應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測是指建（構(gòu)）筑物施工過程中，采用監(jiān)測儀器對受力結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變變化進行的技術(shù)監(jiān)測，以監(jiān)視建筑物的安全運行，全面反映建筑物的工作狀況，對可能發(fā)生的險情提前預(yù)報。主要包括應(yīng)力監(jiān)測、應(yīng)變監(jiān)測、溫度監(jiān)測等。

1.3 土壓力監(jiān)測

土壓力監(jiān)測是指利用土壓力計對接觸面上的土壓力及地基反力進行監(jiān)測的技術(shù)手段。通過監(jiān)測，實時掌握建筑物的運行情況，并可對土壓力及基底應(yīng)力的設(shè)計、計算提供驗證依據(jù)。

2 安全監(jiān)測實例

根據(jù)工程實際，選取南水北調(diào)東線一期工程鄧樓泵站（簡稱：鄧樓泵站）主廠房為例，介紹一下其安全監(jiān)測設(shè)計。

鄧樓泵站是南水北調(diào)東線工程第十二級抽水梯級泵站，位于山東省梁山縣境內(nèi)，梁濟運河與東平湖新湖區(qū)南大堤相交處。工程等別為Ⅰ等，建筑物級別為1級。泵房底板長36.47 m，寬37.30 m。鄧樓泵站主廠房的安全監(jiān)測采用了水平及垂直位移觀測、大體積混凝土內(nèi)部應(yīng)力監(jiān)測，泵站外側(cè)接觸面土壓力監(jiān)測、泵站主廠房基地壓力監(jiān)測等安全監(jiān)測方法。

水平及垂直位移觀測采用的是傳統(tǒng)的設(shè)置觀測標點的方法，其優(yōu)點是觀測方法簡單，易于實行。本文著重從混凝土內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測、接觸面土壓力監(jiān)測及基底壓力監(jiān)測方面進行闡述。

2.1 混凝土內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測

混凝土內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變觀測通常包括混凝土應(yīng)力、應(yīng)變以及鋼筋應(yīng)力觀測，使用的觀測儀器一般包括混凝土應(yīng)變計或應(yīng)變計組，混凝土應(yīng)力計、混凝土無應(yīng)力計以及鋼筋計。鄧樓泵站選擇采用振弦式傳感器進行測量，其優(yōu)點在于靈敏度和精度較高，穩(wěn)定性好，易于自動化測量，長電纜傳輸可靠，電纜絕緣要求低。

振弦式傳感器的測量原理為：將一張緊的鋼弦與傳感器受力部件連接固定，利用鋼弦自振頻率與鋼弦所受到的外加張力關(guān)系測得各種物理量。

鄧樓泵站主廠房混凝土內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變測量采用了應(yīng)變計和應(yīng)變計組進行監(jiān)測，其主要作用為通過測量結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)變，推算相應(yīng)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。根據(jù)工程實際，應(yīng)變計主要選擇在主廠房的底板邊墩及進水池擋墻等高度較大的結(jié)構(gòu)上選取代表性斷面布置測點，根據(jù)具體結(jié)構(gòu)的受力特點的理論分析來確定采用單向應(yīng)變計或雙向應(yīng)變組進行測量。

2.2 外側(cè)接觸面土壓力監(jiān)測

建筑物外側(cè)接觸面土壓力監(jiān)測可以通過在土體與混凝土接觸面安裝土壓力計實施監(jiān)測。鄧樓泵站接觸面土壓力監(jiān)測選用振弦式土壓力計。其優(yōu)點為：具有優(yōu)越的技術(shù)性能指標，精度和靈敏度較高，長期穩(wěn)定性好，抗腐蝕和抗沖擊性能好。

振弦式土壓力計的測量原理為：當表面剛性板受到土壓力作用后，通過傳力軸將作用力傳至彈性薄板，使之產(chǎn)生撓曲變形，同時也使嵌固在彈性薄板上的兩根鋼弦柱偏轉(zhuǎn)，使鋼弦應(yīng)力發(fā)生變化，鋼弦的自振頻率也相應(yīng)變化，利用鋼弦頻率儀中的激勵裝置使鋼弦起振并接收其振蕩頻率，使用預(yù)先標定的壓力——頻率曲線，即可換算出土壓力值。

在工程實踐中，為了保證工程的安全性，節(jié)約投資，一般選取土壓力較大、受力情況復(fù)雜、工程地質(zhì)條件差或者結(jié)構(gòu)薄弱等具有代表性的部位進行壓力計的布置。

鄧樓泵站的接觸面土壓力監(jiān)測選擇在主廠房右岸選取斷面布置測點。鄧樓泵站主廠房右岸有副廠房，其基礎(chǔ)采用混凝土灌注樁處理，其外部填土的狀況較左岸更為復(fù)雜，因此選擇在右岸布置測點。為了保證建筑物的可靠性，鄧樓泵站主廠房兩岸的回填土采用回填水泥土和回填黏性土相結(jié)合的方式，從而在一定程度上減小土壓力，有利于建筑物的安全。根據(jù)土壓力計算模型理論，結(jié)合工程實際：回填水泥土的頂高程為30.00 m（1985國家高程基準），同時兼顧經(jīng)濟因素，選擇沿主廠房高度布置4個測點，分別布置在高程 38.41 m、31.00 m、29.00 m、22.80 m，以滿足觀測需要。

2.3 基底壓力監(jiān)測

基底壓力監(jiān)測屬于接觸面土壓力監(jiān)測的一種，其作用主要用來測量基礎(chǔ)底面所產(chǎn)生的應(yīng)力，對保證建筑物的安全運行、驗證復(fù)雜結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定計算成果具有重要的作用。

鄧樓泵站基底壓力監(jiān)測采用振弦式壓力計進行，依據(jù)穩(wěn)定計算結(jié)果，在主廠房和進水池擋墻可能產(chǎn)生最大應(yīng)力的位置分別布置了振弦式壓力計。鄧樓泵站主廠房、前池及進水池均采用水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）進行基礎(chǔ)處理，因此基底壓力觀測采用2個壓力計為一組的布置方法，每組分別在原狀土和CFG樁頂部各設(shè)置1個壓力計，進行對比觀測。

3 其他設(shè)計問題

3.1 測點編號

泵站安全監(jiān)測過程中由于測點多，測點布置分散，因此，在設(shè)計階段對每個測點進行詳細的編號是十分必要的。這樣可以有效避免由于測點多，導(dǎo)線混亂而導(dǎo)致的測點被混淆的錯誤，同時，為以后施工的順利進行，以及獲得正確有效的安全監(jiān)測數(shù)據(jù)提供必要的保證。

3.2 電纜布設(shè)

電纜作為觀測儀器傳輸數(shù)據(jù)的媒介，其正常工作對于能否得到有效的觀測數(shù)據(jù)起著至關(guān)重要的作用，如果眾多電纜在建筑物內(nèi)部雜亂無序布置，對建筑物施工過程中的混凝土振搗十分不利，同時混凝土振搗也極易損傷電纜，造成觀測儀器無法正常工作。因此觀測電纜的有序布置是安全監(jiān)測設(shè)計及施工時必須考慮的問題。鄧樓泵站采用將電纜套管，就近與鋼筋網(wǎng)綁扎固定在一起的方法，避免了電纜走線的雜亂無序，同時減少了使用保護管的費用，不失為一個便捷經(jīng)濟的方法。

［1]林繼鏞.水工建筑物 ［M］.北京：中國水利水電出版社，2009.

［2]王才歡，屈國治等.水工程安全檢測與評估［M］.北京：中國水利水電出版社，2008.

［3]中華人民共和國水利部.SL 60-94土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范［M］.北京：水利電力出版社，1995.