羅家河壩渡槽結(jié)構(gòu)工程安全監(jiān)測(cè)方案應(yīng)用

王靈鴿

(四川省水利科學(xué)研究院，成都 610072)

0 引 言

我國(guó)是個(gè)水利大國(guó)，水利工程建筑數(shù)量眾多，渡槽作為典型的水工結(jié)構(gòu)，對(duì)農(nóng)業(yè)輸水灌溉工程有著十分重大的價(jià)值[1-3]。近年來，隨著早期建設(shè)的渡槽結(jié)構(gòu)逐步進(jìn)入病害多發(fā)及性能退化期，渡槽結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行和養(yǎng)護(hù)管理工作面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。在此背景下，強(qiáng)化渡槽動(dòng)態(tài)運(yùn)行監(jiān)管，防范突發(fā)安全事故，進(jìn)一步提升灌區(qū)既有渡槽結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行和智能養(yǎng)護(hù)管理水平，顯得尤為重要和迫切[4-5]。

筆者通過對(duì)四川省都江堰東風(fēng)渠既有渡槽的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)渡槽普遍存在接近或超過設(shè)計(jì)使用年限。在進(jìn)行輸水建筑物的技術(shù)改造中，需要評(píng)價(jià)現(xiàn)有渡槽安全性態(tài)是否能滿足安全運(yùn)用要求，進(jìn)而判定是保留或維修加固或拆除重建[6-8]。在渡槽工程整體運(yùn)行現(xiàn)狀及安全評(píng)價(jià)方面，目前尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，致使渡槽工程改造建設(shè)中無法準(zhǔn)確判斷工程是需要維修還是拆除重建。當(dāng)前的運(yùn)行管理一般都交給管理站自行巡查，只能采用目測(cè)、巡視的手段，在運(yùn)行管理和判別工程建筑物質(zhì)量上要較大的安全隱患[9-10]。

為了解決這個(gè)問題，本文選取四川省成都市東風(fēng)渠羅家河壩渡槽為研究案例，通過調(diào)查分析渡槽現(xiàn)狀及存在的問題，提出與之相應(yīng)的監(jiān)測(cè)方案，旨在及時(shí)掌控既有渡槽的健康狀態(tài)，了解渡槽結(jié)構(gòu)的工作情況。

1 羅家河壩渡槽工程簡(jiǎn)介

羅家河壩渡槽位于新南干進(jìn)水閘出口下游，由左右兩個(gè)渡槽組成，進(jìn)出口由分水魚嘴銜接，實(shí)測(cè)渡槽間距2.1 m，進(jìn)口魚嘴高度3.1 m，出口魚嘴高度3.3 m。左側(cè)為舊渡槽，起止樁號(hào)0+055～0+097(km+m)，進(jìn)口段渠底高程499.374 m，出口段渠底高程499.324 m，流量16.7 m3/s，水深2.613 m；槽身類型為U型薄殼鋼筋砼簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，支承形式為漿砌條石重力墩，實(shí)測(cè)槽身長(zhǎng)度為3跨42 m(從上游往下游方向跨度依次分別為：14.5，14，13.5 m)，渠底比降1/800，建成時(shí)間約為1966年。右側(cè)為新渡槽，起止樁號(hào)0+053～101(km+m)，進(jìn)口段渠底高程500.040 m，出口段渠底高程500.028 m，流量33.3 m3/s，水深1.934 m，槽身類型為矩形鋼筋砼簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，支承形式為鋼筋砼排架，實(shí)測(cè)跨徑組合為8 m×5(孔)，渠底比降1/2 800，建成時(shí)間為1978年。渡槽現(xiàn)狀照片見圖1。通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，羅家河壩渡槽常年遭受洪水威脅，支撐墩極易發(fā)生傾斜變形，影響該渡槽的正常運(yùn)行。

2 渡槽結(jié)構(gòu)預(yù)警與安全評(píng)估子系統(tǒng)

綜合預(yù)警與結(jié)構(gòu)安全評(píng)估子系統(tǒng)作為渡槽安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心部分之一，它通過監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)，通過荷載輸入和結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)對(duì)渡槽整體及關(guān)鍵部件的安全狀況進(jìn)行評(píng)估，判斷結(jié)構(gòu)是否處于正常使用極限狀態(tài)內(nèi)，是否即將達(dá)到或超越服役極限狀態(tài)。對(duì)結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的重要變化及渡槽出現(xiàn)不安全征兆時(shí)進(jìn)行預(yù)警，提供報(bào)警信號(hào)，提醒管理人員關(guān)注結(jié)構(gòu)運(yùn)行安全狀況，及時(shí)進(jìn)行維修養(yǎng)護(hù)，保障結(jié)構(gòu)安全正常運(yùn)行。具體為：對(duì)監(jiān)測(cè)及識(shí)別的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、對(duì)比分析、趨勢(shì)分析和相關(guān)性分析；對(duì)結(jié)構(gòu)變形等監(jiān)測(cè)參數(shù)建立明確的預(yù)警指標(biāo)，對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分級(jí)預(yù)警；綜合各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、內(nèi)力狀態(tài)信息對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合評(píng)估。傳感傳輸控制子系統(tǒng)所采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是為預(yù)警與評(píng)估子系統(tǒng)服務(wù)的，依據(jù)上述兩者信息進(jìn)行結(jié)構(gòu)的綜合預(yù)警及安全評(píng)估。

利用當(dāng)代傳感測(cè)試技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)、光電子信息技術(shù)、渡槽結(jié)構(gòu)計(jì)算分析技術(shù)、結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù)等最新成果，構(gòu)建渡槽結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過可靠的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、及時(shí)的預(yù)警響應(yīng)、準(zhǔn)確的安全評(píng)估和科學(xué)的決策支持，切實(shí)提高渡槽的安全運(yùn)行和管理水平，本工程主要用到的監(jiān)測(cè)儀器見圖2。

圖2 羅家河壩渡槽監(jiān)測(cè)儀器

渡槽結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心任務(wù)是獲得渡槽在役期的代表性環(huán)境荷載、結(jié)構(gòu)的響應(yīng)以及局部損傷等信息，在對(duì)監(jiān)(檢)測(cè)信息進(jìn)行評(píng)估的基礎(chǔ)上定期獲得結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)信息，為結(jié)構(gòu)的安全、高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行管養(yǎng)決策的制定提供技術(shù)支持。系統(tǒng)包括以下子系統(tǒng)：

1) 傳感傳輸控制子系統(tǒng)，其包括以下三大模塊：①傳感器模塊：通過傳感器將各類監(jiān)測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電(光)以及以太網(wǎng)信號(hào)。②數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊：將監(jiān)測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)數(shù)字信號(hào)并完成遠(yuǎn)程傳輸。③數(shù)據(jù)處理與控制模塊：將監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理以及二次處理以便向其它子系統(tǒng)提供有效的信息源或力學(xué)指標(biāo)，根據(jù)需要設(shè)定程序監(jiān)測(cè)并控制監(jiān)測(cè)參數(shù)的采集。

2) 結(jié)構(gòu)預(yù)警與安全評(píng)估子系統(tǒng)。對(duì)渡槽結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的代表性監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析、預(yù)警，以及根據(jù)歷次巡檢和監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)按照業(yè)主要求定期編制報(bào)告報(bào)表、進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體內(nèi)力狀態(tài)識(shí)別、承載能力評(píng)估等工作。

以及兩大輔助子系統(tǒng)：

3) 中心數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)。各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)的支撐系統(tǒng)，完成運(yùn)行期所有監(jiān)測(cè)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)的資料、信息、數(shù)據(jù)的歸檔、查詢、存儲(chǔ)、管理和調(diào)用等工作。

4) 用戶界面子系統(tǒng)。將渡槽運(yùn)行期各種監(jiān)測(cè)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)的資料、信息、數(shù)據(jù)按用戶要求分類分級(jí)按授權(quán)向不同用戶展示，并且按授權(quán)接受不同用戶對(duì)系統(tǒng)的控制與輸入。

3 羅家河壩渡槽安全監(jiān)測(cè)方案分析

根據(jù)羅家河壩渡槽工程實(shí)際需要，其監(jiān)測(cè)范圍為右側(cè)新渡槽，修建于1978年。在對(duì)渡槽進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)及評(píng)估的基礎(chǔ)上，根據(jù)被測(cè)渡槽的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、既有缺陷病害(既有同類型渡槽的主要病害情況)和周邊環(huán)境條件，對(duì)渡槽構(gòu)(部)件進(jìn)行易損性、冗余性和可恢復(fù)性分析，確定渡槽結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)需覆蓋的主要項(xiàng)目主要分為荷載與環(huán)境、渡槽整體響應(yīng)和渡槽局部響應(yīng)3類。因此，羅家河壩渡槽新渡槽的測(cè)點(diǎn)布設(shè)方案見表1，測(cè)點(diǎn)布設(shè)位置見圖3。

表1 羅家河壩渡槽新渡槽測(cè)點(diǎn)布設(shè)方案

圖3 羅家河壩渡槽新渡槽測(cè)點(diǎn)布設(shè)位置

分析可知，監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括槽身周邊環(huán)境、水位、結(jié)構(gòu)表面溫度、支撐變位和槽身梁端變位。其中，槽身周邊環(huán)境監(jiān)測(cè)工具采用高清攝像儀，布設(shè)在跨中部位，含一個(gè)傳感器。槽身水位采用水位計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，設(shè)置在跨中部位，設(shè)置一個(gè)傳感器，溫度計(jì)設(shè)置在第三跨。而支撐變位主要采用傾角計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，設(shè)置在3個(gè)較高的支撐墩墩頂處，左右側(cè)各布設(shè)1個(gè)，包含6個(gè)傳感器。槽身梁端變位則采用測(cè)縫計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在每個(gè)支撐墩處左右側(cè)各布設(shè)1個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)采用2支測(cè)縫計(jì)監(jiān)測(cè)兩個(gè)方向(錯(cuò)縫情況)，共計(jì)4個(gè)支撐墩，總共設(shè)置16個(gè)傳感器。

4 結(jié) 論

針對(duì)早期建設(shè)的渡槽結(jié)構(gòu)逐步進(jìn)入病害多發(fā)及性能退化期，渡槽結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行存在各方面的問題，本文以四川省成都市羅家河壩渡槽為研究案例，通過調(diào)查分析渡槽現(xiàn)狀及存在的問題，發(fā)現(xiàn)該渡槽常年遭受洪水威脅，槽身和支撐容易出現(xiàn)變形。鑒于此，依據(jù)渡槽結(jié)構(gòu)預(yù)警與結(jié)構(gòu)安全評(píng)估系統(tǒng)原理，提出相應(yīng)的監(jiān)測(cè)方案，用于渡槽結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測(cè)，保障渡槽水工結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行，便于及時(shí)掌控既有渡槽的健康狀態(tài)，了解渡槽結(jié)構(gòu)的工作情況。最后，分析該渡槽的監(jiān)測(cè)方案和測(cè)點(diǎn)布設(shè)，對(duì)今后類似渡槽工程的監(jiān)測(cè)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。