引輸水隧洞和管線工程安全監(jiān)測設計

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（遼寧省水利水電勘測設計研究院，遼寧沈陽 110000）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟社會發(fā)展進入新階段，水資源時空分布不均勻成為社會、經(jīng)濟、環(huán)境發(fā)展的重要制約因素之一，全國各地陸續(xù)建設多項重大引水、供水工程，如云南省滇中引水工程、吉林省中部城市引松供水工程、陜西省引漢濟渭工程等。這些工程均由多種構筑物構成，一般主要包括有壓隧洞、無壓隧洞、隧洞進出口構筑物、管線、溢流構筑物、檢修井等，具有工程總體規(guī)模巨大、單線工程長、沿程構筑物多樣化、穿越地質情況復雜多變等特點。

1 工程安全監(jiān)測必要性

1）長距離大型引輸水隧洞和輸水管線工程為典型的線性串聯(lián)工程，不同構筑物的運行狀態(tài)直接影響整個工程的運行，工程運行調(diào)度復雜，因此有必要對工程各個階段進行安全監(jiān)測，以了解和掌握工程沿線構筑物在不同階段的運行狀態(tài)，并對構筑物未來一段時間的運行狀態(tài)，作出一定的預測，為工程運行決策提供參考。

2）長距離大型引輸水隧洞和輸水管線工程監(jiān)測均為原型監(jiān)測，我國目前建成運行的長距離大型引輸水隧洞和輸水管線工程較少，通過對原型監(jiān)測數(shù)據(jù)反演分析等，可以驗證設計理論，提高設計水平，優(yōu)化設計方案，為類似工程設計提供參考。

2 監(jiān)測斷面的布置及監(jiān)測項目

2.1 引輸水隧洞監(jiān)測

隧洞作為長距離引輸水工程的重要組成部分，是安全監(jiān)測的重點對象。一般選擇對隧洞襯砌結構、外水壓力、水力學等方面進行監(jiān)測。結構、外水壓力監(jiān)測斷面一般布置在大斷層、軟弱巖層、淺埋、地下水豐富、穿越鐵路等部位，并結合監(jiān)測數(shù)據(jù)采集站進行綜合考慮，以減少監(jiān)測儀器和土建工程施工的相互影響。水力學監(jiān)測斷面一般布置在隧洞沿程構筑物、永久支洞主支交叉等部位。

隧洞監(jiān)測項目一般包括施工期收斂監(jiān)測、襯砌混凝土的應力應變監(jiān)測，重要部位的錨桿應力、錨索應力監(jiān)測，外水壓力監(jiān)測，沿程壓力水頭或水面線監(jiān)測、庫水位監(jiān)測等，其中外水壓力監(jiān)測可結合固結灌漿深度分層布置，以更好地了解固結罐漿效果和襯砌周邊滲流情況。也可根據(jù)工程需要監(jiān)測襯砌和巖石接觸縫、巖石作用在襯砌上的土壓力等。

2.2 引輸水隧洞構筑物監(jiān)測

引輸水隧洞構筑物監(jiān)測斷面一般布置在結構受力復雜部位、受外水壓力或土壓力較大部位。

隧洞構筑物監(jiān)測項目一般包括結構混凝土的應力應變監(jiān)測、外水壓力監(jiān)測、土壓力監(jiān)測、底板揚壓力監(jiān)測等。

2.3 輸水管線監(jiān)測

對于采用PCCP管道的輸水管線，監(jiān)測斷面可結合水平鎮(zhèn)墩布置，一般布置在轉角較大、水平推力較大、管線坡度較大、地基承載力較低、地下水位較高等部位的水平鎮(zhèn)墩處。

監(jiān)測項目一般包括鎮(zhèn)墩位移監(jiān)測、PCCP管道承插口變形監(jiān)測，也可根據(jù)工程需要對管道接觸縫變形進行監(jiān)測或選擇部分監(jiān)測鎮(zhèn)墩進行鎮(zhèn)墩混凝土的應力應變監(jiān)測等。

2.4 輸水管線沿程構筑物監(jiān)測

管線沿程構筑物種類較多，一般選擇對隧洞、連接井、溢流井及空氣閥井進行安全監(jiān)測設計。隧洞結構監(jiān)測斷面布置及監(jiān)測項目同2.1節(jié)所述。

連接井、溢流井、隧洞作為管線輸水系統(tǒng)的重要水力節(jié)點，對輸水系統(tǒng)平穩(wěn)水壓、控制水流具有重要作用，因此選擇對連接井、溢流井、隧洞進出口水位進行監(jiān)測，以及時了解管道水壓變化。

空氣閥井作為輸水管線排氣進氣的通道，對管線的安全運行至關重要，嚴寒地區(qū)應選擇位于地面起伏差較大部位空氣閥井，進行溫度監(jiān)測，以隨時了解空氣井內(nèi)溫度，防止發(fā)生凍結現(xiàn)象，影響管道排氣進氣。

3 監(jiān)測儀器的選擇

1）監(jiān)測儀器信號傳輸距離較短的監(jiān)測斷面。對于到監(jiān)測數(shù)據(jù)采集站距離較短（一般為200～500 m）的監(jiān)測斷面，如工程沿程構筑物附近監(jiān)測斷面、永久支洞口附近監(jiān)測斷面、隧洞打孔上引監(jiān)測斷面、水平鎮(zhèn)墩監(jiān)測斷面、連接井水位監(jiān)測斷面等，一般采用振弦式儀器、差動電阻式儀器等即可滿足儀器信號傳輸要求和監(jiān)測斷面對儀器的要求。

2）監(jiān)測儀器信號傳輸距離較遠的監(jiān)測斷面。長距離大型引輸水隧洞部分監(jiān)測斷面?zhèn)鬏斁嚯x可能較遠，一般為幾公里至十幾公里，對于這種信號傳輸距離較遠的監(jiān)測斷面，目前已有少量水利工程采用光纖光柵式儀器進行監(jiān)測。光纖光柵式儀器具有傳輸距離遠，儀器之間可串聯(lián)、并聯(lián)，可高頻采集等優(yōu)點，目前多采用4～5支儀器進行串聯(lián)或并聯(lián)，既可有效減少主干光纜芯數(shù)，又可防止接頭過多導致光損較大，影響信號在監(jiān)測儀器和數(shù)據(jù)采集站之間的傳輸。

光纖光柵式儀器在隧洞監(jiān)測中既可滿足信號遠距離傳輸要求，又可通過儀器的串聯(lián)、并聯(lián)減少尾纜芯數(shù)，多個監(jiān)測斷面共用一根主干傳輸光纜，從而減少傳輸光纜的芯數(shù)和采集設備的通道數(shù)，并可實現(xiàn)信號傳輸光纜冗余設計和光纖光柵式監(jiān)測儀器與采集設備之間的雙回路連接，提高現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)的設計保證率。

傳輸光纜可通過在隧洞襯砌底部設置光纜溝鋪設或在襯砌底角處預埋硅芯管，設置手孔來鋪設。

4 監(jiān)測自動化系統(tǒng)建設

長距離大型引輸水隧洞和輸水管線工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)多采用分布式系統(tǒng)，監(jiān)測信號通過監(jiān)測數(shù)據(jù)采集站采集傳輸?shù)奖O(jiān)測總站。

4.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)采集站位置的選擇

隧洞部分監(jiān)測數(shù)據(jù)采集站可以根據(jù)監(jiān)測斷面布置，設置在沿程構筑物啟閉機室內(nèi)、永久支洞洞口；對于信號傳輸距離較長的監(jiān)測斷面，若埋深較淺且交通便利，有網(wǎng)絡或移動通信信號（GPRS/4G），也可通過打孔上引的方式在隧洞上方設置監(jiān)測數(shù)據(jù)采集站。

管線部分構筑物種類較多，監(jiān)測斷面分散，監(jiān)測數(shù)據(jù)采集站，一般設置在構筑物監(jiān)測斷面附近。

4.2 信號傳輸方式的選擇

監(jiān)測數(shù)據(jù)采集站和監(jiān)測總站之間的通信傳輸，對于封閉性和安全性要求較高的工程可以自建光纜進行通信傳輸，一般情況下通過租用光纜進行通信傳輸，也可通過衛(wèi)星信號或者移動信號進行通信傳輸。監(jiān)測數(shù)據(jù)采集站，若設置在閘門啟閉機室，可通過光纜進行通信傳輸；監(jiān)測數(shù)據(jù)采集站若設置在永久支洞口、隧洞上方（打孔上引斷面）和管線構筑物的數(shù)據(jù)采集站一般均通過移動信號進行通信傳輸。

4.3 監(jiān)測總站

監(jiān)測總站一般設置在工程信息自動化控制中心，為工程綜合自動化系統(tǒng)的組成部分。主要由硬件設備和軟件系統(tǒng)組成。硬件設備一般包括管理工控機、數(shù)據(jù)庫服務器、應用服務器、網(wǎng)絡設備等，軟件包括系統(tǒng)支撐軟件和應用軟件。

4.4 供電電源

對于有供電條件的監(jiān)測數(shù)據(jù)采集站，可以采用220 V電源；對于供電困難的監(jiān)測數(shù)據(jù)采集站，可以根據(jù)設備功率選擇合適的太陽能電池作為電源進行供電。

5 結語

文中較為詳細的介紹了長距離大型引輸水隧洞和輸水管線工程的安全監(jiān)測系統(tǒng)設計，包括工程沿程構筑物監(jiān)測斷面位置及監(jiān)測項目選擇、監(jiān)測信號傳輸距離不同對監(jiān)測儀器的選擇，監(jiān)測數(shù)據(jù)采集站的位置選擇及其和監(jiān)測總站之間的通信方式選擇、監(jiān)測總站自動化系統(tǒng)的建設，其中，特別介紹了光纖光柵式儀器在隧洞遠距離監(jiān)測斷面上的應用，可為類似的大型引輸水工程和輸水管線工程安全監(jiān)測系統(tǒng)設計提供借鑒。

［1］朱化廣，何利華.山西省萬家寨引黃工程安全監(jiān)測設計［J］.水電自動化與大壩監(jiān)測，2005，29（1）：47-48，84.

［2］張穎軍.長距離輸調(diào)水工程安全監(jiān)測設計問題探討［J］.水科學與工程技術，2009（6）：64-66.