管袋壩信息化施工設(shè)計與初步實踐

劉欣欣,束一鳴,顧 克

(1.北京礦冶研究總院礦山工程研究設(shè)計所,北京 102628;2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098; 3.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院,江蘇 南京 210098)

20世紀(jì)80年代以來,管袋壩技術(shù)以其就地取材、工藝簡單、成本低廉、施工快捷與安全可靠等優(yōu)勢,在我國水利水運、海岸工程等建設(shè)中發(fā)揮了重要作用[1]。近年來在我國長江下游深水航道整治、東南沿海圍墾以及南海海域人工島礁等工程中,積累了大量的工程經(jīng)驗,同時也促進(jìn)了施工技術(shù)的不斷進(jìn)步[2-5]。然而,從信息化角度衡量,目前管袋壩施工尚處于目測或簡單觀測階段,技術(shù)人員主要通過現(xiàn)象以經(jīng)驗判斷施工過程的安全性,或者簡單安置觀測儀器,事后對測試結(jié)果進(jìn)行分析[6-9]。信息技術(shù)(information technology, IT)是一門發(fā)展極快的科學(xué)技術(shù),它已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個科技領(lǐng)域[10-12]。2016年11月北京召開的第一屆全國水利水電工程信息化技術(shù)研究與應(yīng)用研討會指出“信息化的地位和作用空前突出,須加快水利工程信息化建設(shè)步伐”[13],可見,信息化技術(shù)應(yīng)用于管袋壩工程將漸成趨勢,由此形成的技術(shù)可稱之為管袋壩信息化施工技術(shù)。管袋壩信息化施工技術(shù)通過設(shè)置各種測量元件和儀器,實時采集管袋壩施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)并加以分析,依據(jù)分析結(jié)果對原設(shè)計和施工方案進(jìn)行合理調(diào)整,并反饋到下一階段的施工,充分保證工程的安全性、高效性與經(jīng)濟(jì)性[14]。

本文結(jié)合東海某圍墾管袋壩工程,介紹管袋壩信息化施工的設(shè)計和初步實踐工作,包括監(jiān)測指標(biāo)選取、監(jiān)測儀器與現(xiàn)場布設(shè)、監(jiān)測數(shù)據(jù)分析與處理以及反饋、控制與決策等,可為類似工程提供參考。

1 技術(shù)流程

表1 管袋壩工程施工監(jiān)測指標(biāo)篩選[17]

管袋壩信息化施工技術(shù)流程如圖1所示,主要分為4個環(huán)節(jié):信息采集、信息分析處理、信息反饋以及控制決策。其中信息采集是基礎(chǔ),主要包括初始設(shè)計參數(shù)輸入和安全監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取兩項工作,安全監(jiān)測數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場施工監(jiān)測實時獲取;信息分析處理是核心,通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析處理,定量判定管袋壩施工期的安全性;信息反饋則依據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果,實時預(yù)警,并觸發(fā)專家知識系統(tǒng),分析出現(xiàn)的異常狀況并給出處理建議,輔助技術(shù)人員決策[15]。

圖1 管袋壩信息化施工技術(shù)流程

2 監(jiān)測指標(biāo)選取

施工現(xiàn)場監(jiān)測是信息化施工技術(shù)的基礎(chǔ)。管袋壩工程實踐表明,現(xiàn)有的計算理論、軟件或計算方法往往與實際情況存在一定的差距,因此,科學(xué)施工需要一套合理的監(jiān)測控制系統(tǒng)。通過監(jiān)測工作,不僅可以及時發(fā)現(xiàn)不安全因素,還能夠驗證設(shè)計方案,指導(dǎo)施工。依據(jù)系統(tǒng)性、可靠性、與設(shè)計和施工相結(jié)合、關(guān)鍵部位優(yōu)先且兼顧全局等基本原則,合理選擇施工監(jiān)測指標(biāo)[16]。所謂系統(tǒng)性,指的是在時間和空間維度上監(jiān)測具有連續(xù)性,且監(jiān)測項目相互之間有機(jī)結(jié)合;可靠性指的是監(jiān)測點、監(jiān)測儀器以及監(jiān)測手段穩(wěn)定、可靠;與設(shè)計、施工相結(jié)合,要求監(jiān)測與設(shè)計和施工過程動態(tài)反饋;關(guān)鍵部位優(yōu)先且兼顧全局則需要做到重點監(jiān)測、測點布設(shè)均勻合理。遵循上述原則,管袋壩工程的施工監(jiān)測指標(biāo)篩選如表1所示。

3 監(jiān)測儀器與現(xiàn)場布設(shè)

管袋壩現(xiàn)場監(jiān)測方案如圖2所示,該方案依托東海某管袋壩工程設(shè)計。針對某一監(jiān)測斷面,設(shè)計集成監(jiān)測平臺1處、滲流監(jiān)測點3處和變形監(jiān)測點1處。其中集成監(jiān)測平臺位于管袋壩近海一側(cè),平臺集成雷達(dá)波潮儀、電磁流速儀和氣象站3種設(shè)備,用于監(jiān)測施工過程中的波浪要素、潮位、基床面海流流速以及風(fēng)速等。3處滲流監(jiān)測點的位置分別為:

圖2 管袋壩現(xiàn)場監(jiān)測方案

①吹填區(qū)管袋壩壩腳基礎(chǔ);②壩軸線基礎(chǔ);③臨海側(cè)管袋壩戧臺基礎(chǔ)。設(shè)立滲流監(jiān)測點的目的在于建立壩基滲流網(wǎng),驗證管袋壩基底滲流安全性。變形監(jiān)測點位于臨海側(cè)管袋壩戧臺的滲流監(jiān)測點附近,用于監(jiān)測管袋壩體與基礎(chǔ)的沉降及水平位移變形。滲流與變形監(jiān)測設(shè)備的數(shù)據(jù)采集箱安裝于集成平臺上。

3.1 集成監(jiān)測平臺

集成監(jiān)測平臺如圖3所示,其主體為一座監(jiān)測塔架。以塔架為平臺,集成雷達(dá)波潮儀、電磁流速儀和氣象站3種設(shè)備,其中雷達(dá)波潮儀可以用來采集波浪浪高、波陡、波速以及潮位等數(shù)據(jù),傳感器安裝在平臺懸臂架上,懸臂架距離水面高度不小于1 m;氣象站安裝于塔架頂部,用來實時監(jiān)測施工過程中的氣象要素,如風(fēng)速、溫度、濕度、風(fēng)寒溫度等;為便于底部流速監(jiān)測,電磁流速儀則通過獨立支架錨置于塔架附近的海床表面。上述3種設(shè)備以及滲流、變形監(jiān)測設(shè)備相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集箱全部安裝于塔架平臺上,數(shù)據(jù)采集箱通過天線向遠(yuǎn)程控制中心無線傳輸采集到的數(shù)據(jù)。

圖3 集成監(jiān)測平臺示意圖

3.2 變形監(jiān)測設(shè)備

對于壩基分層豎向、水平位移變形,可采用如圖4(a)所示變形監(jiān)測設(shè)備定量監(jiān)測。設(shè)備主要由測斜儀、測斜儀電纜和測斜管三部分構(gòu)成,其中測斜管采用鉆孔方式垂直安裝于地基內(nèi)部,測斜管的底部需埋設(shè)到受荷載影響較小、土質(zhì)較硬的土層中。在測斜管應(yīng)采用質(zhì)地較軟的材料,管內(nèi)不同高程安裝測斜儀,可獲取壩基內(nèi)部不同高程的豎向、水平位移數(shù)據(jù)。測斜儀電纜與放置于集成監(jiān)測平臺上的數(shù)據(jù)采集箱連接,可方便地實現(xiàn)遠(yuǎn)程遙測,并可準(zhǔn)確而連續(xù)地監(jiān)測壩基內(nèi)部的變形情況,為壩基的穩(wěn)定校核提供定量依據(jù)。

3.3 滲流監(jiān)測設(shè)備

壩基滲流監(jiān)測設(shè)備與安裝如圖4(b)所示。滲流監(jiān)測設(shè)備是滲壓計,采用鉆孔方式安裝于壩基內(nèi)部不同高程位置處。具體安裝方式為:①鉆孔完成后,在孔內(nèi)某一設(shè)計安裝高程位置下部投入一定量膨潤土球,形成滲壓計下部膨潤土隔離層;②再放入適量粗砂,之后放入包裹無紡布袋(反濾)的滲壓計,最后用粗砂完全覆蓋滲壓計;③頂部同樣采用投入膨潤土球的方法形成上部隔離層。

其他高程的滲壓計安裝方式與之類似。滲壓計安裝完成后,采用膨潤土封孔,并樹立套管標(biāo)記孔位。滲壓計通過電纜與數(shù)據(jù)采集箱連接,實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集。

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析與處理

通過施工監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析與處理,可定量判定管袋壩的施工期安全性?；谶x取的監(jiān)測指標(biāo)，相應(yīng)的壩體穩(wěn)定性判定指標(biāo)共分為抗波浪穩(wěn)定性、抗淘刷穩(wěn)定性、抗風(fēng)浪穩(wěn)定性、壩基變形穩(wěn)定性和壩基滲流穩(wěn)定性5類。

4.1 抗波浪穩(wěn)定性

在管袋壩施工過程中,若遭遇臺風(fēng)或風(fēng)暴潮等極端氣象情況,壩體頂層或頂部數(shù)層管袋極易被波浪掀翻,最終導(dǎo)致壩體局部或整體破壞[18]。因此,管袋壩整體穩(wěn)定性可以用壩體頂層管袋的穩(wěn)定系數(shù)來表示:

(1)

式中:Fw為管袋壩抗波浪穩(wěn)定指標(biāo);μ為管袋間摩擦因數(shù);k為安全系數(shù);G′為充填管袋有效重力,當(dāng)管袋位于水下時,管袋有效重力等于重力與浮力之差,當(dāng)管袋部分位于水下時,管袋有效重力等于水面以上重力和水面以下有效重力之和;U為頂層管袋所受上抬波浪力;P為頂層管袋所受水平波浪力。研究表明,波浪力的大小主要受波浪的影響,而波浪力沿管袋壩迎浪坡面的分布則主要與潮位有關(guān),因此,波浪和潮位共同對管袋壩的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。上抬波浪力U和水平波浪力P的計算方法見文獻(xiàn)[19]。

4.2 抗淘刷穩(wěn)定性

我國東南沿海江浙一帶灘涂多為超軟土地基,由松散的粉砂組成,抗淘刷穩(wěn)定性較差。在該種類型地基上構(gòu)筑管袋壩,則基床面海流極易對管袋壩壩腳部位地基形成淘刷,產(chǎn)生淘刷坑,如圖5所示。淘刷現(xiàn)象在管袋壩拐彎和龍口部位更加嚴(yán)重。隨著淘刷坑不斷擴(kuò)大,致使管袋壩整體發(fā)生下沉,甚至失穩(wěn),因此,需要對管袋壩的抗淘刷穩(wěn)定性進(jìn)行研究。地基淘刷最初都是從表層泥沙起動開始,故管袋壩抗淘刷穩(wěn)定性可以表示為

(2)

式中:Fc為管袋壩抗淘刷穩(wěn)定指標(biāo);k為安全系數(shù);u為基床面海流流速;ucr為床面泥沙臨界起動流速,計算方法可參考文獻(xiàn)[19]。

圖5 基床面海流在管袋壩壩腳處形成淘刷坑

4.3 抗風(fēng)浪穩(wěn)定性

風(fēng)速指標(biāo)對管袋壩穩(wěn)定性的影響是通過波浪間接產(chǎn)生的。風(fēng)作用于海面產(chǎn)生的波動稱為風(fēng)浪,風(fēng)速的大小直接決定了波浪的成長與發(fā)展。在管袋壩施工過程中實時監(jiān)測現(xiàn)場風(fēng)速,基于風(fēng)速指標(biāo)計算出海浪波高、波長以及周期等要素(計算方法可參考文獻(xiàn)[19]),再結(jié)合前述管袋壩抗波浪穩(wěn)定性分析過程,即可計算出管袋壩抗風(fēng)浪穩(wěn)定指標(biāo),其大小與抗波浪穩(wěn)定指標(biāo)相同。由于風(fēng)浪的成長需要一定的時間和過程,通過風(fēng)速指標(biāo)的監(jiān)測可以預(yù)判管袋壩穩(wěn)定性,為災(zāi)害防控工作提供依據(jù)。

4.4 壩基變形穩(wěn)定性

隨著管袋壩壩體的不斷加高,構(gòu)筑于超軟土地基上的管袋壩往往還面臨著壩基變形失穩(wěn)的問題。在沿海圍墾工程中,潮間帶地區(qū)一天兩潮的狀況決定了管袋壩施工需要滿足一天一層的進(jìn)度要求,快速堆載極易造成超軟土地基產(chǎn)生過大的水平向變形,若不能及時采取措施,地基連同管袋壩結(jié)構(gòu)整體都會發(fā)生失穩(wěn)破壞。因此,需要在施工過程中實時監(jiān)測壩基的水平向變形狀態(tài),以此作為管袋壩壩基變形穩(wěn)定性的判定依據(jù)。管袋壩變形穩(wěn)定性的計算方法為

(3)

(4)

(5)

式中:F1l、F3l分別為連續(xù)1 d、3 d的管袋壩壩基變形穩(wěn)定指標(biāo);Fv為壩基變形速率穩(wěn)定指標(biāo);k為安全系數(shù);L1cr、L3cr分別為連續(xù)1 d、3 d的壩基水平向變形容許值;L1s、L3s分別為連續(xù)1 d、3 d的壩基水平向變形值;vcr為壩基水平向變形速率容許值;vmax為壩基最大水平向變形速率。L1s、L3s以及vmax的計算方法見文獻(xiàn)[19]。

4.5 壩基滲流穩(wěn)定性

潮間帶區(qū)域的管袋壩施工也會遇到壩基滲流失穩(wěn)問題。管袋壩尚未合龍期間,由于龍口部位過流能力有限,漲落潮時大量的潮水無法快速涌入或及時流出吹填區(qū),在管袋壩兩側(cè)產(chǎn)生一定的水頭差。若局部壩基地質(zhì)條件較差,則很容易在該部位發(fā)生滲流破壞,導(dǎo)致局部壩體失穩(wěn)。因此,管袋壩施工需做好壩基滲流監(jiān)測工作。基于壩基滲流監(jiān)測指標(biāo)可以繪制壩基滲流網(wǎng),如圖6所示。結(jié)合滲流網(wǎng)即可判斷管袋壩壩基的滲流穩(wěn)定性:

(6)

H=H1-H2

式中:Fs為管袋壩壩基滲流穩(wěn)定指標(biāo);k為安全系數(shù);Jcr1、Jcr2分別為壩基內(nèi)和滲流逸出處的臨界滲流坡降;J1、J2分別為壩基內(nèi)某點和滲流逸出處對應(yīng)網(wǎng)格的平均滲流坡降;H為水頭差;H1、H2分別為壩基入滲側(cè)和滲流逸出側(cè)的水頭;m為等勢線數(shù);ΔS1、ΔS2分別為壩基內(nèi)某點以及滲流逸出處對應(yīng)網(wǎng)格的流線平均長度。

圖6 管袋壩壩基滲流網(wǎng)

5 反饋、控制與決策

當(dāng)管袋壩安全性分析出現(xiàn)危險狀況或人工現(xiàn)場巡檢發(fā)現(xiàn)異常時,信息化施工技術(shù)中的控制與決策模塊不僅能夠及時預(yù)警并發(fā)出指令建議暫停相關(guān)工序,還可分析出現(xiàn)的問題,并能夠結(jié)合專家知識系統(tǒng)給出科學(xué)的處理措施,輔助施工技術(shù)人員決策[20]。專家知識系統(tǒng)就是采用管袋壩建設(shè)領(lǐng)域的多個專家知識解決該領(lǐng)域中困難問題的計算機(jī)軟件系統(tǒng),它由知識庫、推理機(jī)和用戶界面三大部分組成,其中推理機(jī)和用戶界面采用通用技術(shù)方案,因此,管袋壩專家知識系統(tǒng)的關(guān)鍵在于構(gòu)建專家知識庫。專家知識庫主要匯總施工中管袋出現(xiàn)的各種不利現(xiàn)象的原因與處置措施,部分專家知識如表2所示[21-26]。

表2 施工中各種管袋問題的原因和處置措施

6 結(jié) 語

管袋壩信息化施工技術(shù)主要分為信息采集、信息分析處理、信息反饋以及控制與決策4個流程。依據(jù)管袋壩工程自身特點與監(jiān)測原則,管袋壩施工監(jiān)測的主要指標(biāo)包括波浪要素、潮位、基床面海流流速、風(fēng)速、壩基變形和壩基滲流等幾項，波浪要素、潮位等指標(biāo)通過雷達(dá)波潮儀監(jiān)測,風(fēng)速可通過氣象站采集,基床面海流流速的監(jiān)測則采用電磁流速儀,壩基變形和壩基滲流則分別通過測斜儀和滲壓計監(jiān)測。此外,為保證監(jiān)測可靠性,需因地制宜,選擇合適的監(jiān)測設(shè)備現(xiàn)場布設(shè)安裝方案。信息分析處理是管袋壩信息化施工技術(shù)的核心,對應(yīng)每種監(jiān)測指標(biāo),采用文中所列計算方法,定量計算出管袋壩安全性,以此作為系統(tǒng)預(yù)警、控制的依據(jù)。根據(jù)系統(tǒng)反饋和人工現(xiàn)場巡檢發(fā)現(xiàn)的異?，F(xiàn)象,采用專家系統(tǒng)分析問題,給出科學(xué)的處理措施,輔助施工技術(shù)人員決策。

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