民生引水樞紐除險(xiǎn)加固工程閘體施工安全監(jiān)測(cè)方法設(shè)計(jì)

游世超

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院勘測(cè)總隊(duì)，新疆 昌吉 831100)

民生引水樞紐主要位于巴楚縣境內(nèi)，作為我國(guó)重要的引水樞紐，主要位于阿克東附近的河段上[1]。民生引水樞紐工程根據(jù)建設(shè)的規(guī)模不同，等級(jí)劃分的方式也不同，通常情況下，除險(xiǎn)加固工程劃分為2個(gè)級(jí)別，主要工程與次要工程[2]。民生引水樞紐工程的作用為灌溉和防洪[3]。現(xiàn)階段，工程建設(shè)主要包括進(jìn)水閘、攔河沙壩、沖沙閘、泄洪閘四個(gè)部分。水閘在民生引水樞紐除險(xiǎn)加固工程中至關(guān)重要，能夠全方位地實(shí)現(xiàn)防洪、灌溉、擋潮、水力發(fā)電等目標(biāo)，是大壩能否穩(wěn)定運(yùn)行的重要決定因素。一旦水閘閘體在運(yùn)行中出現(xiàn)損壞未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，會(huì)造成極大的工程安全隱患與經(jīng)濟(jì)損失。此時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用有效的閘體施工安全監(jiān)測(cè)方法，傳統(tǒng)的閘體施工安全監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)結(jié)果精度較低，且監(jiān)測(cè)效率不高。因此，本文提出了民生引水樞紐除險(xiǎn)加固工程閘體施工安全監(jiān)測(cè)方法設(shè)計(jì)，為我國(guó)水利工程提供一定的幫助。

1 施工安全監(jiān)測(cè)方法設(shè)計(jì)

1.1 采集閘體施工安全數(shù)據(jù)

為了有效地監(jiān)測(cè)民生引水樞紐除險(xiǎn)加固工程閘體施工安全，本文設(shè)計(jì)了具體的施工安全監(jiān)測(cè)方法。首先，要采集工程閘體施工安全數(shù)據(jù)。在民生引水樞紐除險(xiǎn)加固工程閘體施工中，閘體施工安全數(shù)據(jù)主要包括施工環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)以及壩體的相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)。

采用自動(dòng)監(jiān)測(cè)的方式，明確大壩的進(jìn)水口與出水口，在兩個(gè)端口處各設(shè)置一個(gè)傳感器，通過(guò)傳感器的采集與感知作用，實(shí)時(shí)掌握大壩的水位數(shù)據(jù)變化情況。在選擇傳感器型號(hào)的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)綜合考慮具體的除險(xiǎn)加固工程情況，選擇合適的種類(lèi)與型號(hào)。結(jié)合人工采集方式的優(yōu)勢(shì)，在監(jiān)測(cè)大壩頂部的大氣溫度變化時(shí)，采用人工采集的方式，保證每天對(duì)大氣溫度實(shí)行三次采集，提高大氣溫度采集結(jié)果的精度。在采集壩體施工安全數(shù)據(jù)時(shí)，將傳感器的視準(zhǔn)線與壩頂對(duì)齊，在視準(zhǔn)線上布設(shè)大量的測(cè)點(diǎn)，將測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分組處理，分組后進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào)，保證每個(gè)組內(nèi)的測(cè)點(diǎn)數(shù)量保持一致，且各個(gè)測(cè)點(diǎn)間的距離大小相同。垂直水流方向，在閘墩上安設(shè)一排標(biāo)點(diǎn)，每個(gè)伸縮縫兩側(cè)及邊墩各安設(shè)一個(gè)標(biāo)點(diǎn)，共計(jì)6個(gè)點(diǎn)，并且在工程施工時(shí)埋入。滲流觀測(cè)水閘基底的滲透壓力可通過(guò)埋設(shè)滲壓計(jì)或測(cè)壓管監(jiān)測(cè)，新建泄洪閘設(shè) 3 處斷面，每個(gè)斷面的測(cè)點(diǎn)3個(gè)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)布置1個(gè)滲壓計(jì)。4側(cè)向繞滲設(shè)在潰壩右岸導(dǎo)流堤起始端1個(gè)斷面，左岸導(dǎo)堤2個(gè)斷面，每個(gè)端設(shè)3個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)布置1個(gè)滲壓計(jì)。水位觀測(cè)的工作范圍為上下游水位。

水位觀測(cè)點(diǎn)的布置：上游測(cè)點(diǎn)設(shè)在鋪蓋上游的左右岸導(dǎo)流堤護(hù)坡上，下游測(cè)點(diǎn)設(shè)在護(hù)坡下游的左右岸護(hù)坡上。水位觀測(cè)的測(cè)次應(yīng)按水文規(guī)范的規(guī)定，并且在閘門(mén)開(kāi)始變動(dòng)前及全部關(guān)閉后加測(cè)一次。伸縮縫觀測(cè)的測(cè)點(diǎn)安設(shè)在閘墩頂，每道縫設(shè)2個(gè)測(cè)點(diǎn)，共4個(gè)測(cè)點(diǎn)，采用差動(dòng)式電阻測(cè)量計(jì)。伸縮縫的觀測(cè)應(yīng)在建筑物竣工后即進(jìn)行，每月觀測(cè)一次，并且在水位和溫度變化后增加測(cè)次。在觀測(cè)范圍內(nèi)，沿水流方向于兩岸側(cè)墻上設(shè)立一系列水尺，水尺間距和刻畫(huà)精度能充分地測(cè)得水躍或水面形態(tài)。根據(jù)民生引水樞紐除險(xiǎn)加固的相關(guān)建設(shè)要求，添加相應(yīng)的大壩沖擊磨損信息，通過(guò)對(duì)信息進(jìn)行整合處理，獲取水庫(kù)大壩牢固性與穩(wěn)定性的相關(guān)系數(shù)。

通過(guò)傳感器采集到的水位變化狀況，記錄不同測(cè)點(diǎn)的水位數(shù)據(jù)信息，通過(guò)記錄的數(shù)據(jù)信息，獲取大壩壩體的相關(guān)參數(shù)信息。采用觀測(cè)儀器，獲取大壩壩頂?shù)乃轿灰菩畔?。首先，將觀測(cè)儀器布設(shè)在大壩的觀測(cè)基墩上，調(diào)節(jié)觀測(cè)儀器上的裝置，使儀器實(shí)現(xiàn)精平的目標(biāo)。當(dāng)觀測(cè)儀器調(diào)平后，開(kāi)啟測(cè)量模式，設(shè)置測(cè)量大壩的基點(diǎn)方向，實(shí)時(shí)記錄大壩的水平度盤(pán)讀數(shù)。對(duì)準(zhǔn)大壩的壩體目標(biāo)，對(duì)不同的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，控制測(cè)點(diǎn)之間讀數(shù)的差值大小?？v向轉(zhuǎn)動(dòng)觀測(cè)儀器，保證觀測(cè)儀器每次轉(zhuǎn)動(dòng)的角度相同，減少觀測(cè)結(jié)果的誤差。在每次測(cè)點(diǎn)測(cè)量完成后，根據(jù)半測(cè)回角值平均值計(jì)算的原理，獲取不同測(cè)點(diǎn)的測(cè)回平均值與偏離角度，完成閘體施工安全數(shù)據(jù)的采集工作。

1.2 建立除險(xiǎn)加固工程施工三維模型

基于上述民生引水樞紐除險(xiǎn)加固工程閘體施工安全數(shù)據(jù)采集獲取到壩體上不同測(cè)點(diǎn)的測(cè)回平均值與偏離角度，接下來(lái)，采用有限元軟件建立除險(xiǎn)加固工程施工三維模型，將采集到的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)輸入到模型中。

結(jié)合民生引水樞紐除險(xiǎn)加固工程的施工圖紙，針對(duì)閘體的具體結(jié)構(gòu)圖形，采用有限元軟件，導(dǎo)入CAD形式的施工圖紙中，實(shí)現(xiàn)施工圖紙的三維轉(zhuǎn)換，能夠更好地掌握?qǐng)D紙的具體結(jié)構(gòu)內(nèi)容[4]。根據(jù)CAD結(jié)構(gòu)圖紙，初步構(gòu)建施工三維模型，并對(duì)模型進(jìn)行全方位的網(wǎng)格劃分，將模型劃分為大小與數(shù)量保持一致的網(wǎng)格，在網(wǎng)格內(nèi)輸入民生引水樞紐除險(xiǎn)加固工程的相關(guān)參數(shù)，在操作時(shí)一定要注意細(xì)致，避免出現(xiàn)遺漏的情況。網(wǎng)格劃分結(jié)束后，明確本文構(gòu)建的三維模型中各個(gè)網(wǎng)格之間的關(guān)系，結(jié)合具體的施工參數(shù)，設(shè)置模型的約束條件。在垂直大壩水流的方向，布設(shè)一排標(biāo)點(diǎn)在閘體的閘墩上，控制每個(gè)伸縮縫內(nèi)都具有一個(gè)標(biāo)點(diǎn)，共計(jì)6個(gè)點(diǎn)，并且在工程施工時(shí)埋入。

綜合考慮除險(xiǎn)加固工程中施工的各項(xiàng)環(huán)境影響因素，確定相關(guān)安全監(jiān)測(cè)的荷載作用與邊界條件，選擇無(wú)厚度的單元材料描述施工安全中壩體之間的影響[5]。在模型中進(jìn)行鉆孔操作，采用孔斜測(cè)量的方式對(duì)鉆孔參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，避免鉆孔偏斜值超過(guò)規(guī)定?；诰€彈性模型計(jì)算出施工安全管理中壩體的基座與基巖參數(shù)，線彈性模型的參數(shù)，如表1所示。

表1 線彈性模型的基座與基巖參數(shù)取值

由表1線彈性模型中壩體基座與基巖的參數(shù)取值，根據(jù)線彈性模型的原理，獲取到壩體材料中地層滲透參數(shù)的取值，如表2所示。

表2 壩體材料地層滲透參數(shù)取值

通過(guò)線彈性模型的參數(shù)取值范圍，確定民生引水樞紐除險(xiǎn)加固工程閘體施工材料的地層滲透參數(shù)取值，將獲取到的參數(shù)值輸入到本文構(gòu)建的除險(xiǎn)加固工程三維模型中，完成模型的構(gòu)建工作。根據(jù)構(gòu)建的施工安全三維模型，設(shè)定除險(xiǎn)加固工程閘體在施工期與運(yùn)行期的監(jiān)測(cè)頻率，如表3所示。

表3 除險(xiǎn)加固工程閘體施工期與運(yùn)行期監(jiān)測(cè)頻率

表3為本文根據(jù)施工安全三維模型設(shè)計(jì)的除險(xiǎn)加固工程閘體施工期與運(yùn)行期的監(jiān)測(cè)頻率，嚴(yán)格根據(jù)表3設(shè)定監(jiān)測(cè)頻率，提高監(jiān)測(cè)結(jié)果的精度。

1.3 基于安全指標(biāo)評(píng)價(jià)算法修正監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

基于上述除險(xiǎn)加固工程三維模型，獲取到工程閘體施工期與運(yùn)行期的監(jiān)測(cè)頻率等參數(shù)，采用等級(jí)評(píng)價(jià)算法，處理采集到的大壩監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。設(shè)置大壩加固的影響度數(shù)值為w1，安全度影響數(shù)值為w2，基于安全指標(biāo)評(píng)價(jià)算法，計(jì)算民生引水樞紐除險(xiǎn)加固工程閘體施工的影響因素貢獻(xiàn)度數(shù)值，計(jì)算公式(1)如下：

(1)

式中：s為施工影響因素的貢獻(xiàn)度數(shù)值。

結(jié)合歷年來(lái)民生引水樞紐除險(xiǎn)加固工程的安全監(jiān)測(cè)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)大壩的除險(xiǎn)加固安全度進(jìn)行更精確的計(jì)算與判斷。設(shè)置閘體施工安全評(píng)價(jià)指標(biāo)，獲取到民生引水樞紐除險(xiǎn)加固工程中施工安全權(quán)重?cái)?shù)值n，接下來(lái)，計(jì)算水庫(kù)大壩的受力特征向量數(shù)值，計(jì)算公式(2)如下：

(2)

式中：F為大壩的區(qū)域受力特征數(shù)值。

根據(jù)水庫(kù)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)水庫(kù)大壩的除險(xiǎn)加固等級(jí)進(jìn)行劃分，本文將其具體劃分為4個(gè)等級(jí)，根據(jù)等級(jí)的不同，進(jìn)行水庫(kù)大壩的具體特征判斷與評(píng)估?；诎踩笜?biāo)評(píng)價(jià)算法，計(jì)算大壩除險(xiǎn)加固的最小誤差數(shù)值，計(jì)算公式(3)為：

(3)

式中：e為大壩除險(xiǎn)加固的最小誤差；R為大壩受力特征向量判斷矩陣值。

采用權(quán)重系數(shù)算法，分配大壩的權(quán)重系數(shù)，并進(jìn)行相應(yīng)的賦值處理，在賦值中必須保持客觀，避免賦值出現(xiàn)偏差。設(shè)定水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固后結(jié)構(gòu)的原始變量為f；變換分量為g；變量線性權(quán)重?cái)?shù)值設(shè)定為h；大壩的原始采集樣本為E，其安全貢獻(xiàn)度的取值范圍通過(guò)式(4)進(jìn)行計(jì)算：

(4)

獲取到大壩安全貢獻(xiàn)度取值結(jié)果后，對(duì)施工安全相關(guān)的特征向量經(jīng)過(guò)一定的組合方式進(jìn)行組合。基于統(tǒng)一化處理的原則，設(shè)定大壩施工安全監(jiān)測(cè)的時(shí)間尺度與幅值范圍。在設(shè)定好的時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)民生引水樞紐除險(xiǎn)加固工程閘體施工安全進(jìn)行監(jiān)控，定期采集大壩相關(guān)參數(shù)數(shù)值的變化數(shù)據(jù)信息，并建立相應(yīng)的信息熵模型。保證在固定的時(shí)間段內(nèi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息相同，必須為均勻的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的具體情況，生成相應(yīng)的除險(xiǎn)加固風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警文本，結(jié)合具體的預(yù)警文本信息對(duì)民生引水樞紐除險(xiǎn)加固工程中的安全監(jiān)測(cè)數(shù)值進(jìn)行修正。

1.4 設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)層次結(jié)構(gòu)

綜合上述的設(shè)計(jì)步驟，逐步完成了施工安全數(shù)據(jù)的采集、除險(xiǎn)加固工程施工三維模型的建立、對(duì)于民生引水樞紐除險(xiǎn)加固工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的修正工作。最后，采用層次分析方法，設(shè)計(jì)施工安全監(jiān)測(cè)的層次結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)閘體的施工安全監(jiān)測(cè)目標(biāo)。

劃分處理監(jiān)測(cè)方法的關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)，確定影響監(jiān)測(cè)方法順利進(jìn)行的具體因素，初步構(gòu)建施工安全監(jiān)測(cè)的層次結(jié)構(gòu)。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的遞階層次結(jié)構(gòu)，對(duì)水庫(kù)大壩的區(qū)域進(jìn)行劃分，使監(jiān)測(cè)層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得更加精準(zhǔn)?；诹Ｗ尤核惴ㄓ?jì)算出監(jiān)測(cè)內(nèi)容結(jié)構(gòu)的隸屬度數(shù)值，并將數(shù)據(jù)輸入到施工三維模型中，進(jìn)行系統(tǒng)分析，得出優(yōu)化處理的隸屬度數(shù)值。修正處理大壩區(qū)域預(yù)警數(shù)據(jù)，設(shè)置不同層級(jí)隸屬度數(shù)值的模糊程度，檢測(cè)層級(jí)信息的具體實(shí)際值。結(jié)合相應(yīng)的監(jiān)測(cè)儀器，采集大壩的承重?cái)?shù)據(jù)，規(guī)范化處理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。最后，采用模糊評(píng)價(jià)矩陣，進(jìn)一步評(píng)價(jià)除險(xiǎn)加固工程閘體施工安全的影響指標(biāo)等級(jí)，根據(jù)隸屬度數(shù)值的變化區(qū)間，判斷民生引水樞紐除險(xiǎn)加固工程閘體施工安全等級(jí)的監(jiān)測(cè)結(jié)果。

2 應(yīng)用分析

基于上述的設(shè)計(jì)，為了進(jìn)一步對(duì)本文設(shè)計(jì)的民生引水樞紐除險(xiǎn)加固工程閘體施工安全監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行客觀分析，進(jìn)行了如下測(cè)試。本次實(shí)驗(yàn)測(cè)試以某水庫(kù)大壩為主要對(duì)象，該水庫(kù)的流域面積較大，且地形復(fù)雜，流域面積約為58.34 km2，作為集灌溉、防洪為一體的中型水庫(kù)。首先，在大壩的壩體上設(shè)置塑性防滲心墻，在壩基處進(jìn)行帷幕灌漿操作。進(jìn)行系統(tǒng)鉆孔和爆破作業(yè)的巖石開(kāi)挖，清理工程區(qū)域內(nèi)的垃圾、廢渣及其他有礙物。實(shí)驗(yàn)選用的鋼筋材料應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照施工圖紙的規(guī)定，保證鋼筋的表面潔凈無(wú)損傷，油漆污染和鐵銹等應(yīng)在使用前清除干凈。監(jiān)測(cè)中需要用到的支架材料選用質(zhì)量較好的鋼材，控制鋼模面板的厚度，盡量選擇表面光滑不存在缺陷的鋼膜面板，避免影響施工安全監(jiān)測(cè)結(jié)果的精度。電纜的結(jié)構(gòu)縫布置，應(yīng)采用穿管過(guò)縫的保護(hù)措施，避免由于縫面張開(kāi)變形導(dǎo)致的電纜事故。根據(jù)實(shí)際的監(jiān)測(cè)需求，設(shè)計(jì)儀器的加長(zhǎng)電纜，連接時(shí)控制各芯線長(zhǎng)度的變化。觀測(cè)位置的電纜布線應(yīng)當(dāng)整齊，用中央控制方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)巡測(cè)與定時(shí)巡測(cè)，測(cè)量方式為每10分鐘～1個(gè)月采集一次。在大壩的上游位置布設(shè)砌塊石，主要起到大壩的護(hù)坡作用，在下游布設(shè)護(hù)坡草皮，提高大壩的除險(xiǎn)加固效果，以上布設(shè)全部結(jié)束后，對(duì)民生引水樞紐除險(xiǎn)加固工程閘體施工安全進(jìn)行全方位監(jiān)測(cè)。

通過(guò)本文設(shè)計(jì)的安全監(jiān)測(cè)方法，對(duì)實(shí)驗(yàn)大壩的施工中壩段的橫向觀測(cè)面、縱向觀測(cè)面的滲壓水位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖1所示。

根據(jù)圖1可知，本次測(cè)試，施工中壩段的橫、縱向觀測(cè)面的滲壓水位監(jiān)測(cè)值具有一定的差異，變化幅度不同，大壩橫向觀測(cè)面的滲壓水位監(jiān)測(cè)值明顯低于縱向觀測(cè)面，且不斷呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，表明施工過(guò)程中，大壩的橫向觀測(cè)面除險(xiǎn)加固的效果更好，安全性與穩(wěn)定性較高。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種民生引水樞紐除險(xiǎn)加固工程閘體施工安全監(jiān)測(cè)方法，能夠有效地監(jiān)測(cè)工程施工期間，水庫(kù)大壩的狀態(tài)變化，掌握大壩閘體的運(yùn)行情況，根據(jù)監(jiān)測(cè)的結(jié)果及時(shí)制定有關(guān)的應(yīng)急處理方案，保證除險(xiǎn)加固工程質(zhì)量的同時(shí)，還能提高民生引水樞紐工程建設(shè)的安全性與穩(wěn)定性，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)施工安全，提高水庫(kù)大壩防洪的效果，促進(jìn)我國(guó)水利工程的穩(wěn)定發(fā)展。