界牌樞紐外部變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改造方案及實(shí)施

楊曉波 丁玉堂 陸陽(yáng)洋 姜曉楨 熊國(guó)文

摘 要：許多興建于上世紀(jì)的航電樞紐，安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)較為陳舊，難以滿足當(dāng)前日趨規(guī)范化的安全管理要求。本文以信江界牌樞紐安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改造項(xiàng)目為案例，針對(duì)樞紐建筑物“種類多、工作面小;軸線長(zhǎng)、測(cè)量精度要求高”等技術(shù)難點(diǎn)，詳細(xì)探討了樞紐外部變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改造方案與實(shí)施要點(diǎn)。系統(tǒng)改造后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析表明，改造方案與改造施工是成功的。本案例可為我國(guó)眾多老舊樞紐的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改造提供參考。

關(guān)鍵詞：界牌樞紐;安全監(jiān)測(cè)改造;外部變形

中圖分類號(hào)：TV61? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）09-0102-03

航電樞紐具有航運(yùn)、防洪、發(fā)電、灌溉等功能，是一類重要的水利樞紐工程。自1986年西江桂平樞紐開(kāi)工建設(shè)以來(lái)，我國(guó)興建了數(shù)量眾多的航電樞紐[1]，許多樞紐的服役期目前已逾20a。水利樞紐在長(zhǎng)期服役條件下，其結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)均存在劣化的風(fēng)險(xiǎn)，樞紐病險(xiǎn)案例近年來(lái)時(shí)常見(jiàn)諸報(bào)道[2]。隨著安全管理的日趨重視，航電樞紐的長(zhǎng)效運(yùn)行狀態(tài)成為工程人員與科研人員關(guān)注的重點(diǎn)[3]。

規(guī)范化的安全監(jiān)測(cè)是評(píng)判樞紐長(zhǎng)效運(yùn)行狀態(tài)、保障樞紐安全的一個(gè)有效手段。許多航電樞紐受以往投資額度與技術(shù)手段的限制，監(jiān)測(cè)設(shè)施不足，監(jiān)測(cè)精度與效率低下，不能滿足當(dāng)前樞紐運(yùn)行管理的需求。因此，對(duì)這些老舊樞紐開(kāi)展安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的后期改造升級(jí)是極為必要的。

與新建工程相比，在已建成的樞紐上開(kāi)展安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改造面臨一些難點(diǎn)。其中，樞紐的外部變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改造最具代表性。

一方面，航電樞紐多位于寬河道、大流量的河流中下游，壩軸線較長(zhǎng);樞紐運(yùn)行多年后變形狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，年度變化量最低可在數(shù)個(gè)毫米內(nèi)。老舊樞紐的變形監(jiān)測(cè)很多采用人工觀測(cè)方法。其結(jié)果往往因設(shè)備精度不足、專業(yè)技術(shù)人員缺乏以及氣象條件干擾等因素影響，可信度較低。在長(zhǎng)壩軸線條件下，人工觀測(cè)精度更難以保證。因此，為避免測(cè)量誤差掩蓋樞紐的真實(shí)變形規(guī)律，改進(jìn)后的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須具備較高的測(cè)量精度且能勝任長(zhǎng)壩軸線的監(jiān)測(cè)需求。

另一方面，樞紐建筑物種類雜、數(shù)量多，擋水、泄水、通航、發(fā)電、過(guò)魚(yú)及壩頂公路橋等不同建筑物結(jié)構(gòu)迥異，位置緊湊。測(cè)點(diǎn)的布置既要保證各建筑物的監(jiān)測(cè)需求，還要避讓現(xiàn)有重要結(jié)構(gòu)，克服工作面狹小的制約。

針對(duì)上述難點(diǎn)，本文以信江界牌航電樞紐安全監(jiān)測(cè)改造為例，詳細(xì)介紹了界牌老樞紐壩段外部變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的改造方案與實(shí)施要點(diǎn)，并對(duì)改造后的監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行分析。在總結(jié)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，以期對(duì)國(guó)內(nèi)類似項(xiàng)目提供有價(jià)值的參考。

1工程概述

界牌樞紐位于信江中下游鷹潭市中童鎮(zhèn)的界牌村，是信江渠化工程的第一個(gè)梯級(jí)樞紐。工程于1992年11月開(kāi)工建設(shè)，1997年6月基本完工。樞紐主體工程主要由電站、船閘、左支泄水閘、右支泄水閘、平板壩、溢流壩、土壩以及壩頂公路橋等組成，壩軸線總長(zhǎng)約1.0km。樞紐的布置如圖1所示。

樞紐興建時(shí)，除船閘、廠房外，其余壩段基礎(chǔ)均未開(kāi)挖至新鮮基巖，而是采取了置換回填砂礫石的方式進(jìn)行基礎(chǔ)處理。運(yùn)行多年后，部分壩段分縫處已有一定的變形發(fā)展，因此需要持續(xù)的監(jiān)測(cè)關(guān)注。

2018年11月界牌船閘改建工程開(kāi)工，對(duì)原有船閘、土壩拆除重建，并對(duì)樞紐其余部分進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)設(shè)施改造。南京水利科學(xué)研究院承擔(dān)了本次改造的前期方案布置與后期施工工作，中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司承擔(dān)了具體設(shè)計(jì)。其中外部變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改造區(qū)域包含（自左至右）：左支泄水閘、平板壩、溢流壩（含交通橋）、右支泄水閘。

2 改造方案與施工要點(diǎn)

2.1改造方案

2.1.1總體布局

采用當(dāng)前廣泛應(yīng)用的引張線系統(tǒng)與靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)[4]開(kāi)展樞紐表面水平位移與垂直位移（沉降）的觀測(cè)，并以倒垂裝置與雙金屬標(biāo)作為水平位移與垂直位移測(cè)量的工作基點(diǎn)。上述設(shè)施均接入自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化觀測(cè)及記錄。針對(duì)樞紐壩軸線長(zhǎng)、各壩段結(jié)構(gòu)形式不同、存在線路遮擋的情況，采用分段布置的方式設(shè)置測(cè)點(diǎn)。左支泄水閘壩段、平板壩與溢流壩壩段、右支泄水閘壩段各布置1套獨(dú)立的測(cè)點(diǎn)系統(tǒng)。

2.1.2測(cè)點(diǎn)布置

左、右支泄水閘壩段測(cè)點(diǎn)均布置于閘墩迎水側(cè)，以避免對(duì)閘門(mén)日常啟閉、檢修造成干擾。由于安裝空間不足，平板壩與溢流壩測(cè)點(diǎn)布置在平板壩支墩及溢流壩上部交通橋橋墩的迎水側(cè)。倒垂裝置與雙金屬標(biāo)布置于左、右支泄水閘兩端，與平板壩、溢流壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)共用。各壩段測(cè)點(diǎn)數(shù)量統(tǒng)計(jì)如表1所示。

以左支泄水閘為例，測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。倒垂裝置（IP-Z-1，IP-Z-2）、雙金屬標(biāo)（LS-Z-1）、引張線系統(tǒng)的固定張拉端以及靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)中的基準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)（TA-Z-1，TA-Z-6）布置于壩段兩側(cè)。靜力水準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)與引張線測(cè)點(diǎn)配合布置，位于閘墩迎水側(cè)。其中，倒垂裝置IP-Z-1與雙金屬標(biāo)LS-Z-1同時(shí)承擔(dān)平板壩與溢流壩測(cè)點(diǎn)系統(tǒng)工作基點(diǎn)的任務(wù)。

2.1.3設(shè)備選型

引張線儀與靜力水準(zhǔn)儀采用南京南瑞生產(chǎn)的RY-40S型引張線儀與RJ-50S型靜力水準(zhǔn)儀，綜合誤差均≤0.7%F.S.。自動(dòng)化系統(tǒng)采用南京水利科學(xué)研究院研發(fā)的DBJC型安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)。

2.2施工要點(diǎn)

改造施工面臨的主要難題是作業(yè)空間的缺乏。界牌樞紐平板壩、溢流壩壩段測(cè)點(diǎn)布置在平板壩支墩及溢流壩上部交通橋橋墩的迎水側(cè)。測(cè)點(diǎn)附近無(wú)作業(yè)平臺(tái)及電纜、管路通道。針對(duì)此問(wèn)題，設(shè)計(jì)新增鋼棧橋一座，用于上述壩段儀器安裝及日常檢修。

溢流壩壩段鋼棧橋主體采用Φ114mm及Φ48mm鋼管焊接而成，每段長(zhǎng)約16m，寬0.9m。交通橋橋墩兩側(cè)通過(guò)化學(xué)錨栓各固定一根懸挑槽鋼，利用吊機(jī)將各段鋼棧橋體吊裝至安裝部位，通過(guò)手拉葫蘆將橋體固定于懸挑槽鋼上。平板壩段，先以化學(xué)錨栓將支撐三腳架固定在壩面迎水側(cè)，再鋪設(shè)鋼板橋面。鋼棧橋布置示意圖及安裝后效果圖分別如圖3、圖4所示。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改造施工于2021年1月底完工，隨后各測(cè)點(diǎn)接入自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。選取各壩段典型測(cè)點(diǎn)，對(duì)壩體水平位移與垂直位移計(jì)進(jìn)行分析。

（1）壩體水平位移典型測(cè)點(diǎn)測(cè)值（沿下游方向?yàn)檎┻^(guò)程線如圖5所示。由圖可以看出，左支泄水閘與平板壩壩段典型測(cè)點(diǎn)水平位移較小，測(cè)值在0mm附近波動(dòng)。右支泄水閘與溢流壩壩段典型測(cè)點(diǎn)測(cè)值在0～3mm范圍內(nèi)波動(dòng)。各壩段典型測(cè)點(diǎn)測(cè)值總體均較為平穩(wěn)，右支泄水閘與溢流壩壩段測(cè)值波動(dòng)更為顯著，主要與上述壩段位于主河道、擋水前緣寬有關(guān)。

（2）壩體垂直位移典型測(cè)點(diǎn)測(cè)值（沉降為正，上抬為負(fù)）過(guò)程線如圖6所示。由圖可以看出，各測(cè)點(diǎn)測(cè)值均在-2～1mm范圍內(nèi)，各壩段垂直位移狀態(tài)較為穩(wěn)定。觀測(cè)期內(nèi)測(cè)值有一定的上行趨勢(shì)，這與春季氣溫回升、混凝土微幅膨脹有關(guān)，符合混凝土結(jié)構(gòu)的一般變形規(guī)律。

上述監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，改造后外部變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)精度有明顯的提升，測(cè)值可反映出樞紐外部變形的微幅波動(dòng)特征。樞紐變形分布及變化特點(diǎn)與實(shí)際工況相吻合。觀測(cè)期內(nèi)樞紐外部變形狀態(tài)正常。

4 結(jié)論

以界牌樞紐為例，探討了已建航電樞紐外部變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的改造方案與施工要點(diǎn)，并對(duì)改造后的監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行分析。得到的主要結(jié)論如下：

（1）采用高精度的電測(cè)儀器及自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可勝任運(yùn)行期較久的老樞紐外部變形監(jiān)測(cè)。

（2）對(duì)于壩軸線長(zhǎng)、建筑物多的樞紐，宜采用分段布置的方式設(shè)置觀測(cè)系統(tǒng)。同時(shí)注意每套觀測(cè)系統(tǒng)應(yīng)配備足夠的工作基點(diǎn)。

（3）工作面不足是老樞紐監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改造施工過(guò)程面臨的主要難點(diǎn)。可通過(guò)增設(shè)施工平臺(tái)、便橋、通道等設(shè)施滿足施工要求。

（4）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，觀測(cè)期內(nèi)變形的波動(dòng)量在3mm以內(nèi)，各壩段水平位移與垂直位移均較為穩(wěn)定，樞紐運(yùn)行狀態(tài)正常。

參考文獻(xiàn)：

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[4]何金平.大壩安全監(jiān)測(cè)理論與應(yīng)用[M]. 中國(guó)水利水電出版社， 2010.

基金項(xiàng)目：南京水利科學(xué)研究院青年基金項(xiàng)目（Y316020）。