寒區(qū)鋼壩閘安全監(jiān)測設(shè)計(jì)研究

李 昂

(黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

1 工程概況

雞冠山渠首樞紐工程坐落于雞東縣城西8 km雞西市郊內(nèi)穆棱河上，穆棱河流域?qū)儆谥袦貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，多年平均蒸發(fā)量為742 mm(穆棱站E601蒸發(fā)皿觀測值)。全年日照時(shí)數(shù)2632 h，年盛行風(fēng)向?yàn)槲黠L(fēng)和西南風(fēng)，多年平均風(fēng)速3.3 m/s，年最大風(fēng)速28.7 m/s。根據(jù)穆棱河穆棱站冰情資料統(tǒng)計(jì)，穆棱河封凍期一般在11月中旬，解凍期4月上旬，最大冰厚1.42 m，多年平均最大冰厚1.08 m。

雞冠山渠首工程是雞林灌區(qū)的水源工程，對雞林灌區(qū)灌溉起著至關(guān)重要的作用，攔河蓄水灌溉形式：全閘方案。全閘方案采用3孔×30 m鋼壩閘，兩個(gè)中墩2.0 m×6.3 m，閘頂高程186.84 m，設(shè)計(jì)引水位181.75 m，設(shè)計(jì)洪水位185.20 m(P=5%)，校核洪水位186.30 m(P=2%)。該方案基本恢復(fù)天然河道行洪能力，改善渠首的運(yùn)行條件，春季凌汛排冰問題得以有效的解決，開閘是泄洪，對閘前的淤積沖刷較徹底，同時(shí)對于水生態(tài)來說，沒有完全阻斷魚類的洄游通道。全閘方案的渠首工程特性如表1所示。

表1 雞冠山渠首工程特性表

鋼壩閘屬于翻板閘門的一種(底軸驅(qū)動(dòng)翻板閘門)，其創(chuàng)新之處在于：由于結(jié)構(gòu)受力(設(shè)計(jì)理念按縱向懸臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使計(jì)算斷面與跨度大小無關(guān)，單孔跨度較大)的不同，使得孔口寬度范圍可在10～100 m；水頭差可在1～6 m。閘門門頁繞底軸翻轉(zhuǎn)，具有常規(guī)翻板閘和橡膠壩的雙重優(yōu)勢。

黑龍江省為寒冷地區(qū)，雞冠山渠首采用的底軸驅(qū)動(dòng)翻板閘門從規(guī)模上為中型水閘，同時(shí)為我省單孔跨度較大的水閘，從工程運(yùn)行安全角度和后期工程管理出發(fā)，對鋼壩閘進(jìn)行安全監(jiān)測設(shè)計(jì)為后期同規(guī)模工程指導(dǎo)施工及提高設(shè)計(jì)水平是很有必要的。

2 鋼壩閘安全監(jiān)測設(shè)計(jì)

2.1 滲流監(jiān)測

根據(jù)《水利水電工程安全監(jiān)測設(shè)計(jì)規(guī)范》，水閘基底滲透壓力監(jiān)測斷面應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件、水閘結(jié)構(gòu)型式、閘基輪廓線形狀等因素確定。鋼壩閘滲流監(jiān)測沿順?biāo)鞣较虿贾?個(gè)滲流斷面，每個(gè)斷面在地下輪廓線有代表性部位布置7個(gè)監(jiān)測點(diǎn)[1-2]。滲流監(jiān)測采用振弦式滲壓計(jì)(見圖1)，振弦式傳感器是以拉緊的金屬弦作為敏感元件的諧振式傳感器。當(dāng)弦的長度確定之后，其固有振動(dòng)頻率的變化量即可表征弦所受拉力的大小，通過相應(yīng)的測量電路，就可得到與拉力成一定關(guān)系的電信號。

圖1 振弦式滲壓計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 位移監(jiān)測

鋼壩閘的閘門底軸凈寬為30 m，作用在閘室底板上，閘室的不均勻沉降或者位移等會(huì)對鋼壩閘的底軸造成一定影響，甚至造成底軸變形進(jìn)而閘門無法啟閉。鋼壩閘位移監(jiān)測在閘室底板6個(gè)分縫處各布置2支傳感器，分別測垂直位移和水平位移[3-5]。位移監(jiān)測采用振弦式測縫計(jì)(見圖2)，測縫計(jì)用于測量混凝土、巖石、土體和結(jié)構(gòu)物伸縮縫的開合度，內(nèi)置的溫度傳感器可同時(shí)監(jiān)測安裝位置的溫度，內(nèi)部萬向節(jié)接頭允許一定程度的剪切位移。采用不銹鋼制造的振弦式測縫計(jì)具有很高的精度和靈敏度、卓越的防水性能、耐腐蝕性和長期穩(wěn)定性。由專用的四芯屏蔽電纜傳輸頻率和溫度電阻信號，頻率信號不受電纜長度的影響。適合埋設(shè)在混凝土內(nèi)長期監(jiān)測建筑物的裂縫變化。

圖2 振弦式測縫計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

每支傳感器有專用水工電纜將信號傳輸至自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集儀，故布置電纜走向同時(shí)需布置保護(hù)管防止電纜受到破壞。

3 鋼壩閘安全監(jiān)測成果分析

3.1 滲流監(jiān)測成果

通過對傳感器的數(shù)據(jù)采集，部分傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 滲壓計(jì)監(jiān)測數(shù)據(jù)

由于不同傳感器的率定表不同，現(xiàn)選取其中一支進(jìn)行成果計(jì)算演示：

編號1519648滲壓計(jì)的當(dāng)前讀數(shù)R1是8454.603 kPa，當(dāng)前溫度T1是14.1 ℃，初始溫度是22.4 ℃，系數(shù)K=-0.050 27 kPa/℃，A=-1.874 99E-07，B=-0.108 835 682，C=963.455 532。滲流壓力P計(jì)算公式如式(1)所示。

(1)

式中：A為多項(xiàng)式率定系數(shù)；R1為傳感器讀數(shù)，kPa；B、C為已知率定系數(shù)；K為系數(shù)，kPa/℃；T1為傳感器讀數(shù)當(dāng)前溫度數(shù)值， ℃；T0為初始溫

度， ℃；S1為當(dāng)前大氣壓值，mbar；S0為初始大氣壓值，998.1 mbar。

通過計(jì)算可知，選取的編號1519648滲壓計(jì)的壓強(qiáng)值為30.31 kPa。

根據(jù)上表計(jì)算結(jié)果并分析可知，當(dāng)正常蓄水工況下，鋪蓋和齒墻前布置的滲壓計(jì)壓強(qiáng)為31.96 kPa，鋪蓋和齒墻后布置的滲壓計(jì)壓強(qiáng)值16.82 kPa，這說明上游鋪蓋和齒墻的防滲效果較好，起到了一定的防滲作用。

3.2 位移監(jiān)測成果

位移監(jiān)測同樣對傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過分析處理計(jì)算，部分傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 測縫計(jì)監(jiān)測數(shù)據(jù)

現(xiàn)選取其中一支測縫計(jì)進(jìn)行成果計(jì)算演示：

編號1410882測縫計(jì)的當(dāng)前讀數(shù)R1是6319.392 mm，當(dāng)前溫度T1是15.2 ℃，初始溫度是22.0 ℃，系數(shù)K=-0.003 63 mm/℃，A=8.384 37E-09，B=0.004 062 785，C=-10.195 924 54。位移L計(jì)算公式如式(2)所示。

(2)

式中：A為多項(xiàng)式率定系數(shù)；R1為傳感器讀數(shù),mm；B、C為已知率定系數(shù)；K為系數(shù)，mm/℃；T1為傳感器讀數(shù)當(dāng)前溫度數(shù)值， ℃；T0為初始溫度， ℃。

通過計(jì)算可知，選取的編號1410882測縫計(jì)的豎向位移值為15.84 mm。

通過在鋼壩閘閘室底板分縫處上布置的測縫計(jì)進(jìn)行觀測，根據(jù)上表計(jì)算結(jié)果并分析可知，閘室底板分縫處最大的豎向位移為23.06 mm，單跨鋼壩閘底軸長度為30 m，在正常運(yùn)行工況下位移不會(huì)對底軸產(chǎn)生不利影響。

4 結(jié) 語

隨著水閘安全監(jiān)測的快速發(fā)展，其安全監(jiān)測研究與應(yīng)用將日趨深入廣泛。本文研究僅以雞冠山渠首鋼壩閘工程為依托，鋼壩閘安全監(jiān)測布置設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)工程規(guī)模、復(fù)雜程度和不利后果、經(jīng)濟(jì)分析等因素，本工程布置了滲流監(jiān)測和位移監(jiān)測，從鋼壩閘的滲流監(jiān)測結(jié)果來看，在蓄水完成水位穩(wěn)定后，上游鋪蓋和齒墻的防滲效果較好，起到了一定的防滲作用。從鋼壩閘的位移監(jiān)測結(jié)果來看，閘室底板在分縫處產(chǎn)生一定的位移，但位移對鋼壩閘底軸不會(huì)產(chǎn)生不利影響。加強(qiáng)對工程安全監(jiān)測與相關(guān)問題研究，對于保證工程的安全、反饋設(shè)計(jì)、延長工程運(yùn)行壽命、為運(yùn)行管理提供決策依據(jù)以及提高工程運(yùn)行的社會(huì)經(jīng)濟(jì)綜合效益等方面都有著十分重要的意義。