富春江船閘安全監(jiān)測(cè)技術(shù)及自動(dòng)化建設(shè)

孫振鋒，劉傳新，2，萬曉峰,2，祁智國，夏鵬飛

（1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210017；2.江蘇省地下空間探測(cè)技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211112）

富春江船閘安全監(jiān)測(cè)技術(shù)及自動(dòng)化建設(shè)

孫振鋒1，劉傳新1，2，萬曉峰1,2，祁智國1，夏鵬飛1

（1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210017；2.江蘇省地下空間探測(cè)技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211112）

富春江船閘在建設(shè)期間曾多次遭遇洪水侵襲，給施工安全和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定帶來許多隱患。為評(píng)價(jià)其工程性能以及對(duì)工程安全進(jìn)行連續(xù)評(píng)估，采用完善的安全監(jiān)測(cè)技術(shù)方案，建立了一套原型觀測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)。

富春江船閘；安全監(jiān)測(cè)；自動(dòng)化

船閘作為船舶通航的主要建筑型式，其對(duì)于防洪和交通均有重要意義，因此保障船閘通航運(yùn)營安全是船閘安全監(jiān)測(cè)工作的重點(diǎn)。船閘自動(dòng)化觀測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)在我國發(fā)展歷程較短，相關(guān)技術(shù)仍不太成熟，但隨著近幾年大型水利水電樞紐的興建，積累和提供了許多寶貴經(jīng)驗(yàn)，其中三峽船閘工程的自動(dòng)化觀測(cè)系統(tǒng)于2010年4月建成[1]，確保整個(gè)三峽船閘樞紐的安全運(yùn)行。富春江船閘是我國第一座在原有船閘基礎(chǔ)上擴(kuò)建改造的工程項(xiàng)目，原有水電樞紐運(yùn)行和工程施工相互影響，安全管理工作難度很大[2]，其運(yùn)行能力和實(shí)踐價(jià)值備受國務(wù)院領(lǐng)導(dǎo)的關(guān)注。本文以該船閘工程為例，重點(diǎn)對(duì)船閘安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)進(jìn)行總結(jié)，為相關(guān)工程的監(jiān)測(cè)服務(wù)提供一定的參考意義。

1 工程概況

富春江船閘擴(kuò)建改造工程位于桐廬縣富春江鎮(zhèn)境內(nèi)，富春江水電站樞紐右岸，工程包括船閘主體范圍及建德、桐廬境內(nèi)錨泊區(qū)、航道等。該工程在原有土木下游，新建1座Ⅳ級(jí)通航標(biāo)準(zhǔn)兼顧1000t級(jí)船舶過閘能力的船閘[3]，原有土木經(jīng)過加固改造后作為上游引航渠道。

船閘總長364.0m，閘室有效尺度為300.0m × 23.0m × 4.5m（有效長度×有效寬度×門檻水深），上下閘首為整體空箱式結(jié)構(gòu)，閘室為分離式結(jié)構(gòu)；新建上下游引航道，建設(shè)相應(yīng)導(dǎo)航和靠船建筑物；壩下唐家洲左側(cè)河道切灘疏浚及邊坡防護(hù)，并開挖行洪渠道及節(jié)制分水閘；配建相應(yīng)船閘配套及附屬設(shè)施等見圖1。

圖1 富春江船閘總平面布置圖

2 監(jiān)測(cè)目的

老船閘已運(yùn)行近40a，因船舶撞擊及老化等因素，閘墻、輸水廊道內(nèi)部混凝土存在一定的破損和碳化，其結(jié)構(gòu)體的使用功能、性質(zhì)也必然發(fā)生了一定變化。此次擴(kuò)建改造工程對(duì)老船閘進(jìn)行了加固改造，原土木功能改變后，現(xiàn)有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將不能滿足相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求，需增加沉降位移、滲流等監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，老船閘原有的觀測(cè)設(shè)施將繼續(xù)使用。

新船閘監(jiān)測(cè)是為了掌握施工期的結(jié)構(gòu)狀況，確保工程施工期間老船閘和新船閘的結(jié)構(gòu)安全；其次，能及時(shí)為土木施工提供反饋信息，通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，掌握結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的變化規(guī)律；同時(shí)，能積累區(qū)域性設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)的經(jīng)驗(yàn)，為提高類似工程的設(shè)計(jì)和施工整體水平提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

3 監(jiān)測(cè)技術(shù)

富春江船閘安全監(jiān)測(cè)內(nèi)容，按照建筑物涵蓋了老船閘、新船閘、節(jié)制分水閘、臨近或附屬設(shè)施等，主要涉及滲流（揚(yáng)壓力）、墻后土壓力、鋼筋應(yīng)力、錨桿應(yīng)力、沉降位移等監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。

3.1 滲流監(jiān)測(cè)

本船閘滲流監(jiān)測(cè)工作主要是監(jiān)測(cè)閘墻基礎(chǔ)揚(yáng)壓力，同時(shí)監(jiān)測(cè)滲流場(chǎng)改變對(duì)臨近溢流壩段的影響，以及閘室底板止水一旦失效對(duì)滲流的影響。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況和施工設(shè)計(jì)圖紙，在新船閘上下閘首部位各布置1個(gè)觀測(cè)橫斷面，在閘室每結(jié)構(gòu)段基面下共布置13處觀測(cè)橫斷面，每個(gè)斷面布設(shè)4～ 8個(gè)滲壓計(jì)，滲壓計(jì)采用鉆孔方式埋設(shè)，深入基巖1.0～1.5m；老船閘段設(shè)置3個(gè)觀測(cè)橫斷面，每個(gè)斷面布設(shè)4個(gè)滲壓計(jì)。自動(dòng)化系統(tǒng)形成以前，采用便攜式讀數(shù)儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，監(jiān)測(cè)周期為1次/d。

3.2 墻后土壓力監(jiān)測(cè)

富春江船閘基坑開挖深度在35.0m左右，后期在船閘右側(cè)回填碎石土，其中含有許多大尺寸石塊，如此大的填方量和土壓力勢(shì)必對(duì)船閘結(jié)構(gòu)穩(wěn)定產(chǎn)生影響，因此墻后土壓力監(jiān)測(cè)是本工程安全監(jiān)測(cè)工作的一項(xiàng)重點(diǎn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件和設(shè)計(jì)圖紙，在新船閘上下閘首及閘室中段共設(shè)置4個(gè)觀測(cè)斷面，每個(gè)斷面沿墻高每3.0m間距布設(shè)土壓力計(jì)，各測(cè)點(diǎn)埋設(shè)位置見圖2。

圖2 土壓力計(jì)布置圖

3.3 鋼筋、錨桿應(yīng)力監(jiān)測(cè)

應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)應(yīng)根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及應(yīng)力狀況進(jìn)行布置，使監(jiān)測(cè)結(jié)果能反映結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布、最大應(yīng)力的大小和方向等。船閘結(jié)構(gòu)的主應(yīng)力方向一般較為明確，與其他研究成果及監(jiān)測(cè)資料綜合分析，能更好地反映出結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)和穩(wěn)定性。根據(jù)船閘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙，在其重要的鋼筋混凝土部位特別是內(nèi)力較大部位布置鋼筋應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，主要布設(shè)在上下閘首部位，橫向和縱向鋼筋計(jì)共計(jì)37支，以觀測(cè)船閘結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化；在船閘中底板錨桿上布置錨桿應(yīng)力計(jì)，與閘室每結(jié)構(gòu)段的滲壓計(jì)組成1個(gè)觀測(cè)橫斷面，監(jiān)測(cè)錨桿應(yīng)力的同時(shí)能結(jié)合基底揚(yáng)壓力的變化進(jìn)行綜合觀測(cè)分析。

3.4 沉降位移觀測(cè)

基準(zhǔn)點(diǎn)：在原有2個(gè)GPS控制點(diǎn)基礎(chǔ)上新增平面觀測(cè)墩7個(gè)，共9個(gè)點(diǎn)組成二等永久監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)?？刂凭W(wǎng)增補(bǔ)點(diǎn)的布設(shè)結(jié)合了船閘擴(kuò)建區(qū)的地形地貌以及施工總平面布置圖，在室內(nèi)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行野外實(shí)地勘察比較，最終選定的點(diǎn)位地基牢固可靠，便于埋石和后期加密低等級(jí)控制點(diǎn)的觀測(cè)需要，同時(shí)確保各方向視線與障礙物的距離不小于2.0m[4]。

沉降點(diǎn)：對(duì)于新建船閘，在其上下閘首頂面4個(gè)角點(diǎn)共布設(shè)8個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，閘室每結(jié)構(gòu)段墻頂4個(gè)角點(diǎn)共布設(shè)80個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)點(diǎn)采用不銹鋼觀測(cè)釘，埋設(shè)時(shí)配以斜筋焊接在底板面層及豎向鋼筋上，并用圓形鐵質(zhì)盒保護(hù)；對(duì)于老船閘，在其左右兩側(cè)共布設(shè)8個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，基本呈對(duì)稱分布；在節(jié)制分水閘閘墩頂、閘室底板、上下游擋墻結(jié)構(gòu)段角點(diǎn)設(shè)置沉降觀測(cè)點(diǎn)共50個(gè)。

位移觀測(cè)墩：新船閘段，在上下閘首兩側(cè)各設(shè)置2座位移控制墩，閘室每結(jié)構(gòu)段墻頂設(shè)置6座位移墩，共計(jì)10座位移觀測(cè)墩，觀測(cè)墩為強(qiáng)制對(duì)中測(cè)量基座并配備保護(hù)蓋；在老船閘左側(cè)設(shè)置4個(gè)位移觀測(cè)墩，右側(cè)設(shè)置3個(gè)位移觀測(cè)墩；節(jié)制分水閘在閘墩頂設(shè)置3座位移觀測(cè)墩，樣式與前述觀測(cè)墩一致。

3.5 裂縫及沉降縫觀測(cè)

裂縫觀測(cè)是為了了解水工建筑裂縫的發(fā)展情況及其對(duì)建筑物安全的影響，主要對(duì)裂縫發(fā)生位置、其長度和寬度以及是否形成貫穿裂縫等進(jìn)行觀測(cè)，以便分析其產(chǎn)生的原因，并做出相應(yīng)的處理；沉降縫觀測(cè)是為了了解水工建筑物沉降縫的開合情況，主要觀測(cè)沉降縫的寬度、豎向錯(cuò)位變化等，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能產(chǎn)生的不正?，F(xiàn)象；在裂縫和沉降縫觀測(cè)期間，同時(shí)觀測(cè)記錄混凝土溫度、氣溫、水溫以及上下游和閘室水位。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況，在新船閘每結(jié)構(gòu)段胸墻沉降縫兩側(cè)各布設(shè)1組金屬標(biāo)點(diǎn)，共計(jì)38處，并用游標(biāo)卡尺進(jìn)行測(cè)量；在老船閘胸墻裂縫和結(jié)構(gòu)縫兩側(cè)布設(shè)金屬標(biāo)點(diǎn)13處；節(jié)制閘擋墻結(jié)構(gòu)段沉降縫及裂縫兩側(cè)布設(shè)金屬標(biāo)點(diǎn)29處。

4 自動(dòng)化觀測(cè)系統(tǒng)

船閘自動(dòng)化觀測(cè)系統(tǒng)立足于穩(wěn)定可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的特點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合船閘的傳感器分布情況，對(duì)系統(tǒng)建設(shè)規(guī)模和造價(jià)要求等因素進(jìn)行綜合考慮，著力滿足船閘觀測(cè)數(shù)據(jù)處理、綜合信息管理和關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)評(píng)判的需要。

系統(tǒng)研發(fā)期間，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、設(shè)備選擇、產(chǎn)品供應(yīng)商的技術(shù)服務(wù)和維修響應(yīng)能力等多方面都做到嚴(yán)格要求，盡可能降低故障發(fā)生的可能性；系統(tǒng)軟硬件選用相對(duì)成熟的技術(shù)和設(shè)備，提高了系統(tǒng)的可靠性，從而降低實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)賦予系統(tǒng)自我診斷和恢復(fù)能力；此外，系統(tǒng)設(shè)置人工檢測(cè)接口，以便定期校驗(yàn)以及在系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)故障時(shí)進(jìn)行人工檢測(cè)，確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資料的連續(xù)性；系統(tǒng)設(shè)計(jì)充分考慮到未來發(fā)展的需要，留有足夠的預(yù)留接口，以備后期對(duì)系統(tǒng)的設(shè)備進(jìn)行容量擴(kuò)充和升級(jí)；系統(tǒng)設(shè)有密碼和多級(jí)控制級(jí)別，通過對(duì)操作人權(quán)限的不同劃分來對(duì)系統(tǒng)使用人員進(jìn)行管理，防止非法用戶操作。

為確保系統(tǒng)研發(fā)環(huán)境的穩(wěn)定，整個(gè)軟件系統(tǒng)在Windows XP操作系統(tǒng)下開發(fā)完成，并采用功能較為強(qiáng)大的Microsoft VC++ 6.0編程工具編寫程序，能夠滿足系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各復(fù)雜功能模塊的需求。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫在外站采用Access 2003，遠(yuǎn)程采用Oracle 10數(shù)據(jù)庫，可以存儲(chǔ)不同類型的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，保證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的完整性。運(yùn)行富春江船閘自動(dòng)化監(jiān)測(cè)軟件后，程序進(jìn)入系統(tǒng)主菜單界面見圖3。

圖3 自動(dòng)化觀測(cè)系統(tǒng)主界面圖

整個(gè)自動(dòng)化觀測(cè)系統(tǒng)利用高性能計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，針對(duì)船閘的滲流、鋼筋應(yīng)力、錨桿應(yīng)力、土壓力、水位等監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，動(dòng)態(tài)反映船閘環(huán)境激勵(lì)和結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)狀態(tài)的信息，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)船閘的工作性能，并提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析、人工操作界面等功能（見圖4），以保證船閘的安全運(yùn)營，為船閘的養(yǎng)護(hù)維修提供科學(xué)依據(jù)。

圖4 自動(dòng)化系統(tǒng)功能模塊關(guān)系圖

5 結(jié) 語

富春江船閘現(xiàn)已投入試運(yùn)營階段，期間雖歷經(jīng)多次洪水而未出現(xiàn)安全事故，可以說高效實(shí)施的監(jiān)測(cè)工作是其重要的保障手段之一，特別是富春江大壩泄洪過程中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，能及時(shí)獲取、處理、分析和反饋給相關(guān)單位與部門，做到準(zhǔn)確、可靠、實(shí)時(shí)，有力支援了船閘的安全施工建設(shè)。目前，船閘處在自動(dòng)化監(jiān)測(cè)管理之下，自動(dòng)化系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行將繼續(xù)保障后期的安全運(yùn)營。

[1] 羅孝兵，劉冠軍，湯祥林，等．三峽船閘安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)[J]．水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè)，2011(1)：46- 50．

[2] 朱權(quán)華，代彥．施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估在大型船閘工程的運(yùn)用[J]．中國水運(yùn)，2014(5)：284- 285．

[3] 曹一中，張公略，金國強(qiáng)，等．富春江船閘擴(kuò)建改造工程總體布置方案[J]．水運(yùn)工程，2009(9)：136- 141．

[4] 中國有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)．工程測(cè)量規(guī)范：GB 50026— 2007[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2008．

TV663

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1008- 701X(2017)06- 0083- 03

10.13641/j.cnki.33- 1162/tv.2017.06.024

2017-03-08

孫振鋒(1989- )，男，助理工程師，碩士，主要從事巖土工程勘察和地下工程監(jiān)測(cè)等工作。

E - mail：szf007@163.com

（責(zé)任編輯 郎忘憂）