低水頭船閘安全監(jiān)測(cè)設(shè)置方案研究

周杰源, 雷路平, 熊浩奇

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司, 湖南 長(zhǎng)沙 410200)

0 前言

船閘的安全監(jiān)測(cè)是一門集船閘、結(jié)構(gòu)、測(cè)量、地質(zhì)、水文、氣象、電氣等多學(xué)科交叉的邊緣學(xué)科。目前，低水頭船閘安全監(jiān)測(cè)在水運(yùn)行業(yè)尚無(wú)專門的規(guī)范，監(jiān)測(cè)方案需參考《船閘水工建筑物設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]、《水運(yùn)工程水工建筑物原型監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》[2]和水利、電力行業(yè)的其它相關(guān)規(guī)范，而以上規(guī)范的主要適用對(duì)象分別為船閘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、海港碼頭結(jié)構(gòu)原型監(jiān)測(cè)、水利工程中的大型壩工建筑物和參與擋水的船閘部分結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)，對(duì)低水頭船閘考慮存在較多的不足之處。開展對(duì)低水頭船閘安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)方案的研究，提出適合于湖南省低水頭船閘安全監(jiān)測(cè)的實(shí)施方案，總結(jié)歸納船閘安全監(jiān)測(cè)成功經(jīng)驗(yàn)，對(duì)指導(dǎo)后續(xù)的低水頭船閘建設(shè)具有重要意義。

1 低水頭船閘安全風(fēng)險(xiǎn)及現(xiàn)有相關(guān)規(guī)范分析

本研究中低水頭船閘主要指水位差在15 m以下的船閘，其主要工程特點(diǎn)為：含組成壩軸線的結(jié)構(gòu)部分和非壩軸線組成的結(jié)構(gòu)部分。本研究中成壩結(jié)構(gòu)，即組成壩軸線的結(jié)構(gòu)部分，具有水利水電工程攔河壩特征，涉及潰壩風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)高，發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)后果嚴(yán)重，該部分通常為閘首結(jié)構(gòu)等。非壩結(jié)構(gòu)即非壩軸線組成的結(jié)構(gòu)部分，也具有擋水作用，擋水為過閘需要，擋水落差控制在設(shè)計(jì)運(yùn)行范圍內(nèi)，其安全等級(jí)與前者存在較大的差異。此外，船閘在上下游水頭和岸坡巖體變形的反復(fù)作用下，可能產(chǎn)生順?biāo)飨虻乃轿灰苹蜷l門門槽的變形，以致閘門的振動(dòng)和漏水，也是低水頭船閘所特有的現(xiàn)象。

目前，與低水頭船閘相關(guān)的安全監(jiān)測(cè)類技術(shù)規(guī)范、規(guī)程有二十余項(xiàng)[3]，但均存在不足之處。如《水利水電工程安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]要求船閘上游擋水部分(上閘首)監(jiān)測(cè)斷面宜與其他擋水壩段監(jiān)測(cè)斷面統(tǒng)一考慮和布置，其他擋水壩段可以理解為大壩擋水線上結(jié)構(gòu)，而隨著低水頭船閘布置方案的不斷優(yōu)化，部分船閘的上閘首和上游結(jié)構(gòu)并非大壩擋水線所在。如某二線船閘布置中由于下游改擴(kuò)建場(chǎng)地有限，擋水線布置在下閘首，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)斷面不能直接套用規(guī)范進(jìn)行布置。另外，規(guī)范要求船閘應(yīng)進(jìn)行垂直位移監(jiān)測(cè)，垂直位移測(cè)點(diǎn)布置在閘首和閘墻頂部，每一閘首邊墩和閘墻塊宜布置至少1個(gè)垂直位移測(cè)點(diǎn)。該要求是針對(duì)船閘全面變形監(jiān)測(cè)所提出，但高等級(jí)船閘閘首閘室形體較大，結(jié)構(gòu)內(nèi)變形不能直接忽略，則該布置要求偏弱，布置測(cè)點(diǎn)數(shù)量偏少。而樞紐等級(jí)和船閘等級(jí)均較低時(shí)產(chǎn)生危害小，觀測(cè)要求的降低未有提及。

綜上，現(xiàn)有相關(guān)船閘安全監(jiān)測(cè)規(guī)范對(duì)于低水頭船閘安全監(jiān)測(cè)的實(shí)際布置和要求并不細(xì)致，局部存在不適宜。低水頭船閘安全監(jiān)測(cè)關(guān)鍵在于針對(duì)船閘的實(shí)際結(jié)構(gòu)布置和受力特點(diǎn)，按照不同監(jiān)測(cè)目標(biāo)等級(jí)的需求，細(xì)化監(jiān)測(cè)要求和布置，形成具有安全可靠、運(yùn)行高效、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的低水頭安全監(jiān)測(cè)技術(shù)要求體系。

2 低水頭船閘工程安全監(jiān)測(cè)布置原則

低水頭船閘工程安全監(jiān)測(cè)除需滿足一般安全監(jiān)測(cè)布置要求外，還應(yīng)該：①監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)盡量分層細(xì)化，應(yīng)結(jié)合結(jié)構(gòu)等級(jí)、結(jié)構(gòu)功能特點(diǎn)，將其分為重要部位監(jiān)測(cè)和正常監(jiān)測(cè)等。②監(jiān)測(cè)項(xiàng)目應(yīng)結(jié)合一般性和專門性監(jiān)測(cè)的需要進(jìn)行布置，一般性檢測(cè)應(yīng)設(shè)置最低要求，其他專門性監(jiān)測(cè)則根據(jù)工程實(shí)際布置，總體上應(yīng)滿足：關(guān)鍵部位把握到位，重點(diǎn)區(qū)域監(jiān)測(cè)全面，整體情況掌控有力。

3 低水頭船閘安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目設(shè)置

結(jié)合前文分析，充分吸收低水頭船閘實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、結(jié)合相關(guān)已有研究成果[5]，優(yōu)化船閘安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目分類(見表1)，其中未考慮強(qiáng)震監(jiān)測(cè)。

表1 船閘安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目設(shè)置分類序號(hào)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目建筑物級(jí)別及項(xiàng)目設(shè)置123451垂直位移★★★☆☆2水平位移★★☆ 一般性監(jiān)測(cè)3水位★★☆☆☆4滲流★★☆☆☆5溫度監(jiān)測(cè)★☆☆ 1基巖變位★☆☆ 2應(yīng)力應(yīng)變★☆☆ 專門性監(jiān)測(cè)3土壓力★★☆ 4接縫監(jiān)測(cè)★☆☆5裂縫監(jiān)測(cè)★☆☆ 注: ★為必設(shè)項(xiàng)目,☆為可選項(xiàng)目。

表1與現(xiàn)有規(guī)范的主要不同之處如下：

1)增加了4級(jí)和5級(jí)船閘的安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。有別于水電規(guī)范，本文依據(jù)《渠化工程樞紐總體設(shè)計(jì)規(guī)范》劃分為5級(jí)，有利于項(xiàng)目設(shè)置時(shí)綜合考慮水電擋水線的強(qiáng)制要求以及航道建設(shè)需求，對(duì)各結(jié)構(gòu)部位進(jìn)行科學(xué)精準(zhǔn)細(xì)分，避免了水電規(guī)范對(duì)船閘的籠統(tǒng)處理。

2)按照一般性監(jiān)測(cè)和專門性監(jiān)測(cè)進(jìn)行分類。其中一般性監(jiān)測(cè)是針對(duì)施工質(zhì)量和工程安全運(yùn)行需要的基本監(jiān)測(cè)內(nèi)容，專門性監(jiān)測(cè)是指針對(duì)實(shí)施或運(yùn)行中可能的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行監(jiān)控。船閘的一般性監(jiān)測(cè)應(yīng)作為最低要求，建議規(guī)范予以細(xì)化明確；其他應(yīng)結(jié)合可能發(fā)生的不利情況進(jìn)行具有針對(duì)性的專門監(jiān)測(cè)，該部分建議不做硬性約束。

3)增加了水位和土壓力等監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。水位是船閘運(yùn)行的重要參數(shù)，因其對(duì)于結(jié)構(gòu)安全預(yù)警和電子控制閘門開啟等運(yùn)行調(diào)度均是不可或缺的參數(shù)。在低等級(jí)的船閘運(yùn)行中，閘門多為人工現(xiàn)場(chǎng)控制，增加該項(xiàng)效果有限，因此列為可選項(xiàng)目。土壓力監(jiān)測(cè)主要側(cè)重于得到船閘結(jié)構(gòu)的受力情況，包括墻后壓力和基地反力的監(jiān)測(cè)。

4)監(jiān)測(cè)選項(xiàng)有所優(yōu)化。在結(jié)構(gòu)縫和溫度監(jiān)測(cè)中，結(jié)構(gòu)縫的安全不一定必選通過接縫開合度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，也可在變形監(jiān)測(cè)中實(shí)現(xiàn)；且船閘相對(duì)于壩軸線來(lái)說，可視為橫斷面巨大的結(jié)構(gòu)，安全可靠度較高，若有開縫，還可從滲流和墻后水位上進(jìn)行監(jiān)測(cè)，補(bǔ)救的余地較大。因此，實(shí)踐中進(jìn)行普遍的接縫開合度監(jiān)測(cè)價(jià)值并不大。結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對(duì)大型橋梁與船閘聯(lián)合布置監(jiān)測(cè)可能產(chǎn)生的擾動(dòng)，開縫監(jiān)測(cè)是較好的選擇?？傮w來(lái)看，表1中專門性監(jiān)測(cè)項(xiàng)目相對(duì)于水電規(guī)范大幅設(shè)置成了可選設(shè)置，因?qū)ｉT性監(jiān)測(cè)項(xiàng)目本身具有工程特殊性，盲目設(shè)置為必選設(shè)置不符合規(guī)范的科學(xué)約束原則。

4 大源渡二線船閘安全監(jiān)測(cè)布置

大源渡二線船閘主要建筑物(閘首、閘室)為3級(jí)，次要建筑物(導(dǎo)航、靠船、隔水建筑物、護(hù)坡)為4級(jí)，臨時(shí)建筑物為5級(jí)。二線船閘工程采用單級(jí)船閘，有效尺度：180 m×34 m×4.5 m(長(zhǎng)×寬×門檻水深)。新建二線船閘位于一線船閘右側(cè)，新建船閘軸線與原有一線船閘軸線平行布置，距離100 m，下閘首齊平。二線船閘為單向水頭，最大水頭差為10.5 m。

根據(jù)表1安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，結(jié)合大源渡二線船閘各部位等級(jí)，以及局部布置和結(jié)構(gòu)上對(duì)施工和運(yùn)營(yíng)的特殊性，選擇安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目如表2。

從表1可知，3級(jí)建筑物可只設(shè)置垂直位移監(jiān)測(cè)。但結(jié)合本工程特點(diǎn)，除布置垂直位移監(jiān)測(cè)外，還包含了其他一般性監(jiān)測(cè)和專門性監(jiān)測(cè)，具體說明如下：

表2 大源渡二線船閘安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目設(shè)置分類序號(hào)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目整體上閘首下閘首和閘室次要建筑物1垂直位移▲▲▲▲2水平位移▲▲▲▲一般性監(jiān)測(cè)3水位▲▲4滲流▲▲▲▲5溫度監(jiān)測(cè)▲▲1基巖變位▲▲▲專門性監(jiān)測(cè)2應(yīng)力應(yīng)變▲▲▲▲3土壓力▲▲4接縫監(jiān)測(cè)▲▲ 注:▲為需設(shè)置監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目。

1)大源渡二線船閘采用半自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)，閘門開啟等需要水位數(shù)據(jù)支持，上下游和閘室內(nèi)水位監(jiān)測(cè)有效集成于安全運(yùn)行系統(tǒng)。

2)由于一、二線船閘緊鄰的位置關(guān)系，要在保護(hù)已有一線船閘安全運(yùn)行的狀況下施工完成二線船閘，對(duì)于一、二線船閘的施工監(jiān)測(cè)均具有較大挑戰(zhàn)，因此專門加密布置了如垂直位移、水平位移和土壓力等監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

3)通常水位和滲流在較為簡(jiǎn)單的低水頭船閘滲流(滲徑簡(jiǎn)單)監(jiān)測(cè)上具有可替代性，但是本研究考慮到二線船閘布置在兩汊河流中間的中州島上，滲徑較短(最短處不足100 m)，尤其是在破開原有擋水線到新?lián)跛€完全形成的施工期間，砂卵石地層特性的船閘開挖、帷幕和擋水線接口的處理非常關(guān)鍵，處理不到位則可能導(dǎo)致滲流破壞，因此對(duì)滲流進(jìn)行主動(dòng)積極監(jiān)測(cè)成為現(xiàn)場(chǎng)控制和運(yùn)營(yíng)安全的共同需求。

4)該項(xiàng)目大體積混凝土施工工期避不開高溫炎熱夏季，因此針對(duì)大體積的船閘上閘首進(jìn)行溫度和應(yīng)力應(yīng)變專項(xiàng)監(jiān)測(cè)，便于施工質(zhì)量的控制。

5)上下游輔導(dǎo)航墻的超高雙排樁擋墻(擋土高度19.8 m)是設(shè)計(jì)難度高、受力偏大的結(jié)構(gòu)，因此在上下游輔導(dǎo)航墻集中受理處布置了應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)。

6)跨船閘橋橫跨閘室過河，樁基在閘室中部穿越，結(jié)合布置特點(diǎn)進(jìn)行了專門性監(jiān)測(cè)，選取周邊結(jié)構(gòu)段布置接縫監(jiān)測(cè)。

目前大源渡二線船閘安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已有效運(yùn)行，從實(shí)踐效果來(lái)看，按照表2進(jìn)行監(jiān)測(cè)項(xiàng)目布置，既可層次清晰地了解監(jiān)測(cè)項(xiàng)目布置，也有利于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的集成處理，可以較好地指導(dǎo)低水頭船閘安全監(jiān)測(cè)布置。此外，一般性監(jiān)測(cè)側(cè)重于較為普遍的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，而專門性監(jiān)測(cè)雖然為可選項(xiàng)目，但需結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際特征，對(duì)影響結(jié)構(gòu)安全、可能帶來(lái)巨大損失、突破常規(guī)的布置和結(jié)構(gòu)等情況進(jìn)行重點(diǎn)布置。專門性監(jiān)測(cè)和一般性監(jiān)測(cè)應(yīng)有機(jī)結(jié)合、系統(tǒng)統(tǒng)一;新建或者改擴(kuò)建項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)應(yīng)與已有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)統(tǒng)一，數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)共享。

5 結(jié)語(yǔ)

1) 低水頭船閘安全監(jiān)測(cè)設(shè)置方案要求既有別于直接將船閘作為大壩擋水線構(gòu)成的水利水電工程監(jiān)測(cè)規(guī)范要求，也有別于較為簡(jiǎn)單的船閘水工建筑物原型監(jiān)測(cè)要求。本文對(duì)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行了分析，對(duì)規(guī)范的適應(yīng)性和約束性進(jìn)行了梳理。

2) 低水頭船閘主要包括成壩和非壩結(jié)構(gòu)兩部分。成壩結(jié)構(gòu)具有水利水電工程攔河壩特征，結(jié)構(gòu)安全需引起高度重視；非壩結(jié)構(gòu)主要承擔(dān)船閘閘室內(nèi)外水頭，擋水落差可控制在設(shè)計(jì)運(yùn)行范圍內(nèi)。此外，在上下游水頭和岸坡巖體變形的反復(fù)作用下，可能產(chǎn)生順?biāo)飨虻乃轿灰苹蜷T槽的變形，導(dǎo)致閘門振動(dòng)和漏水。

3) 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目建議按照一般性和專門性監(jiān)測(cè)的需要進(jìn)行設(shè)置。低水頭船閘不建議船閘整體按照一個(gè)級(jí)別進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)布置，應(yīng)細(xì)化各部位的建筑物級(jí)別，結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)以及各部位功能和安全需求，按照表1進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的選擇。

大源渡二線船閘安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的成功布置驗(yàn)證了本文提出的低水頭船閘安全監(jiān)測(cè)設(shè)置方案的科學(xué)合理性。低水頭船閘安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目設(shè)置表和大源渡二線船閘安全監(jiān)測(cè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可供同類項(xiàng)目借鑒。