大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在輸水管道工程中的應(yīng)用

(遼寧潤(rùn)中供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110166)

1 概況介紹

大伙房水庫輸水(二期)工程是遼寧省“十一五”期間重點(diǎn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目，輸水管線全長(zhǎng)261km，采用有壓重力流和串聯(lián)加壓相結(jié)合的方式，設(shè)計(jì)年供水量17.86億m3。輸水管線主要由DN6000隧洞及鋼管連接段、DN3200PCCP管線、DN2400PCCP管線及DN1800玻璃鋼管線組成。

根據(jù)管線及相關(guān)建構(gòu)筑物特點(diǎn)及工程地質(zhì)條件，大伙房水庫輸水(二期)工程采用大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)抗滑、巖體不均勻變形、管道的沉降及滲流狀態(tài)等。安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)沿輸水管線共布設(shè)46個(gè)監(jiān)測(cè)測(cè)站，分為取水首部檢測(cè)、輸水隧洞檢測(cè)、隧洞連接段檢測(cè)、輸水管線檢測(cè)、配水站穩(wěn)壓塔檢測(cè)等五部分。主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括圍堰變形、錨桿應(yīng)力、滲流壓力、混凝土應(yīng)力、伸縮縫變形、溫度水位監(jiān)測(cè)、鎮(zhèn)墩支墩沉降位移、管道接口縫、內(nèi)水壓力、管壁應(yīng)力、管道沉降等。

2 安全監(jiān)測(cè)儀器的選型

鑒于大伙房水庫輸水管線工程特點(diǎn)，主要選用了多點(diǎn)位移計(jì)、錨索應(yīng)力計(jì)、孔隙壓力計(jì)、測(cè)縫計(jì)、無應(yīng)力計(jì)、鋼板計(jì)、應(yīng)變計(jì)、溫度計(jì)等監(jiān)測(cè)儀器。

2.1 電位器式多點(diǎn)位移計(jì)

電位器式多點(diǎn)位移計(jì)具有量程大(最大可達(dá)1000mm)，便于長(zhǎng)距離信號(hào)傳輸，可最大限度地消除環(huán)境溫度對(duì)測(cè)量影響，測(cè)量精度高，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，體積小，可在較惡劣的環(huán)境中工作，如水下或埋地設(shè)置，且耐高壓(可達(dá)3MPa甚至更高)等特點(diǎn)。根據(jù)工程的地理環(huán)境和實(shí)際應(yīng)用需求，選用ND-3型(三維)電位器式多點(diǎn)位移計(jì)克服了潮濕和高壓的環(huán)境條件。該工程在取水頭部安設(shè)6支，輸水隧洞段5支，PCCP管段2支，玻璃鋼管段3支，進(jìn)行圍堰變形和支墩位移監(jiān)測(cè)。

2.2 差動(dòng)電阻式類儀器

該工程中所選用的錨桿應(yīng)力計(jì)、鋼板計(jì)、鋼筋計(jì)、測(cè)縫計(jì)、應(yīng)變計(jì)與無應(yīng)力計(jì)均屬于差動(dòng)電阻式傳感器。差阻式儀器內(nèi)的彈性鋼絲為直徑0.04～0.05mm的特高強(qiáng)鋼絲，通過兩組鋼絲差動(dòng)變化進(jìn)行測(cè)量。儀器在未受力變形時(shí)，內(nèi)部鋼絲應(yīng)力已高達(dá)2000MPa，所以該類儀器缺點(diǎn)是不耐震，更不能碰撞，易損壞，超載能力較差，測(cè)量精度受溫度影響明顯。但是，該類儀器長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠，并能兼測(cè)溫度，在高水壓下也可長(zhǎng)期可靠工作，非常適合于該工程的實(shí)際情況。

2.3 振弦式滲壓計(jì)

滲壓計(jì)主要有差阻式和振弦式兩種，結(jié)合該工程特點(diǎn)和精度要求，選用精度更高的振弦式滲壓計(jì)。它克服了電阻值隨溫度變化而變動(dòng)的弱點(diǎn)，因而能夠使用在寬溫范圍。除靈敏度高以外，振弦式滲壓計(jì)的儀器長(zhǎng)期穩(wěn)定性、耐久性好，輸出信號(hào)為頻率，抗干擾能力強(qiáng)，基本不受接長(zhǎng)電纜影響，且絕緣性要求相對(duì)較低。為了進(jìn)一步確保工程的安全性和可靠性，該工程中全線共布設(shè)27支。

2.4 壓阻式管道壓力計(jì)

壓阻式管道壓力計(jì)較其他壓力計(jì)相比，不受環(huán)境溫度、濕度、氣候、大氣壓力等變化的影響，長(zhǎng)期穩(wěn)定性高，動(dòng)態(tài)性能好，傳輸距離遠(yuǎn)，且防水密封和絕緣性能良好,傳感器極少發(fā)生漏水現(xiàn)象。鑒于以上優(yōu)點(diǎn)，在該工程中利用壓阻式管道壓力計(jì)來檢測(cè)隧洞、隧洞連接段、PCCP管段、玻璃鋼管段的內(nèi)水壓力。

3 典型斷面監(jiān)測(cè)儀器的布設(shè)

3.1 取水頭部

取水頭部主要為工程取水建筑物，其監(jiān)測(cè)儀器包括多點(diǎn)位移計(jì)(3D)、滲壓計(jì)(P)、測(cè)縫計(jì)(J)、錨桿應(yīng)力計(jì)(GR)、鋼筋計(jì)(R)、應(yīng)變計(jì)(S)、無應(yīng)力計(jì)(N)等，取水頭部0+26.95斷面儀器布設(shè)情況如圖1所示。

圖1 取水頭部0+61.95斷面儀器埋設(shè)布置

3.2 隧洞段及連接段

該區(qū)段布設(shè)儀器主要有多點(diǎn)變位計(jì)(3D)、滲壓計(jì)(P)、土壓計(jì)(Y)、錨桿應(yīng)力計(jì)(GR)、鋼筋計(jì)(R)、應(yīng)變計(jì)(S)、無應(yīng)力計(jì)(N)、錨索應(yīng)力計(jì)(MS)，隧洞段某特征斷面儀器布置示意圖如圖2所示。

圖2 隧洞段特征斷面儀器布置

3.3 PCCP管線

該工程中PCCP管線全長(zhǎng)154.5km，占工程管線全長(zhǎng)59%，該區(qū)段以內(nèi)水壓力和管線接縫檢測(cè)為主，主要布設(shè)儀器有內(nèi)水壓力計(jì)(NP)、測(cè)縫計(jì)(J)、鋼板計(jì)(GS)、土壓計(jì)(Y)、多點(diǎn)位移計(jì)(3D)等，具體布設(shè)情況如圖3、圖4所示。

圖3 沈陽2配水站至遼陽配水站內(nèi)水壓力計(jì)監(jiān)測(cè)布置

圖4 PCCP管線典型斷面儀器布置

3.4 玻璃鋼管線

該區(qū)段布設(shè)以內(nèi)水壓力計(jì)(NP)為主，輔以土壓計(jì)(Y)、測(cè)縫計(jì)(J)、鋼板計(jì)(GS)，其中土壓計(jì)、測(cè)縫計(jì)、鋼板計(jì)類似PCCP管段。圖5為營(yíng)口支線內(nèi)水壓力計(jì)(NPY表示，Y代表營(yíng)口)布置情況。

圖5 營(yíng)口支線內(nèi)水壓力計(jì)監(jiān)測(cè)布置

4 監(jiān)測(cè)儀器運(yùn)行現(xiàn)狀

大伙房水庫輸水(二期)工程沿線46個(gè)安全監(jiān)測(cè)測(cè)站共埋設(shè)各類傳感器1245支，目前損壞115支，整體完好率92.3%。工程自2010年末運(yùn)行至今，各類監(jiān)測(cè)儀器未出現(xiàn)大面積故障或數(shù)據(jù)失真，通過數(shù)據(jù)采集分析，有效反映了工程運(yùn)行期間地質(zhì)水文、管道接口、應(yīng)力變形等變化趨勢(shì)。以下為截取2017年11月4日—12月6日期間部分安全監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行曲線。

a.內(nèi)水壓力計(jì)。內(nèi)水壓力受系統(tǒng)供水水量的調(diào)節(jié)而變化，氣溫對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精度有一定影響但不顯著，11月4日—12月6日期間NP24測(cè)站內(nèi)水壓力(Kp)隨時(shí)間變化曲線如圖6所示。

圖6 NP24內(nèi)水壓力計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化曲線

b.測(cè)縫計(jì)。由于該工程地處東北，四季溫差較大，差動(dòng)電阻類儀器的檢測(cè)結(jié)果受氣候的影響明顯。冬天寒冷，縫隙張開，測(cè)縫計(jì)的測(cè)值較大。由于儀器使用時(shí)間不太長(zhǎng)，且截取時(shí)段較短，因此各測(cè)點(diǎn)的變幅不大，均在1mm以內(nèi)。11月4日—12月6日期間J002909804測(cè)縫計(jì)變化量(mm)隨時(shí)間變化曲線如圖7所示。

圖7 J002909804監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化曲線

c.應(yīng)力計(jì)。圖8為11月4日—12月6日期間GS00403502鋼板計(jì)應(yīng)變量(με)隨時(shí)間變化曲線。其中負(fù)值表示為壓力(正值為拉力)。隨著氣溫的降低，錨桿應(yīng)力狀況表現(xiàn)為壓力，且數(shù)值上呈增大趨勢(shì)。從運(yùn)行情況看，變位較小，據(jù)此可判定該測(cè)點(diǎn)處巖基處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖8 GS00403502監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化曲線

5 結(jié) 語

安全監(jiān)測(cè)是工程安全管理的重要部分，大伙房水庫輸水工程的運(yùn)行實(shí)踐證明，大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)用于輸水管道工程是可行的。但必須因地制宜合理選擇各類監(jiān)測(cè)儀器，并遵從“先進(jìn)性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、可擴(kuò)性”原則，綜合考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、設(shè)置才能發(fā)揮效益。

由于安全監(jiān)測(cè)的部分儀器在工程施工的同時(shí)埋設(shè)在了巖體、管體以及混凝土內(nèi)部，例如差動(dòng)電阻式監(jiān)測(cè)儀器，隨著使用年限的增長(zhǎng)，在潮濕的地下環(huán)境中，必將逐漸失效。安設(shè)在地上的儀器設(shè)備也會(huì)在風(fēng)吹日曬中慢慢老化出現(xiàn)故障，這都是不可避免的。所以，定期的維護(hù)和檢修，才是保證安全監(jiān)測(cè)儀器長(zhǎng)期有效地發(fā)揮作用的重要方法。

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