高良澗閘安全監(jiān)測現(xiàn)狀分析與對策研究

梁豪杰，夏 晶，唐 穎，嚴(yán) 升

（1.江蘇省灌溉總渠管理處，江蘇 淮安 223001；2.江蘇省水利防汛物資儲備中心，江蘇 南京 210029）

蘇北灌溉總渠工程于1952年5月建成，同期分別建成了高良澗閘、運(yùn)東閘、六垛南北閘等節(jié)制閘以及涵洞工程，解決了兩岸農(nóng)田的灌溉問題，發(fā)揮著防洪、排澇、灌溉、航運(yùn)和發(fā)電等綜合效益，對保障洪澤湖周邊地區(qū)防洪安全和促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會發(fā)展具有重要意義。隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，水閘工程管理從規(guī)范化、制度化、信息化到精細(xì)化，管理水平不斷迭代升級，對于水閘安全性態(tài)的分析也越來越受到管理人員的重視。水閘安全監(jiān)測是了解水閘安全性態(tài)，對水閘安全實(shí)施科學(xué)管理的必要措施，也是保障蘇北灌溉總渠運(yùn)行安全和效益充分發(fā)揮的重要手段［1-2］。

高良澗閘是洪澤湖的主要控制性工程之一，及時準(zhǔn)確對高良澗閘安全監(jiān)測成果進(jìn)行分析，可動態(tài)隨時監(jiān)視水閘安全狀況，為評估水閘運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)，保障工程運(yùn)行安全和正常運(yùn)行調(diào)度，也可提前預(yù)測并避免事故發(fā)生，保障淮河下游蘇北地區(qū)的防洪安全和社會民生。

1 工程概況

高良澗閘是蘇北灌溉總渠的渠首工程，建成于1952年6月，為1 級水工建筑物。閘室底板為混凝土平底板，垂直水流方向總寬81.24 m，順?biāo)鞣较蜷L18 m，底板共有3 塊，中塊上布置4 孔，邊塊上分別布置6 孔，左右堤頂高程19.5 m，消力池底高程5.0 m。岸墻及上游翼墻為圓弧型空箱式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，下游翼墻為重力式漿砌塊石結(jié)構(gòu)。

工程自建成以來經(jīng)歷過5次較大規(guī)模的加固改造和2次大修，2014年進(jìn)行第五次除險(xiǎn)加固，2016年12月通過竣工驗(yàn)收。為規(guī)范水閘安全監(jiān)測，掌握水閘運(yùn)行狀態(tài)，指導(dǎo)工程施工與運(yùn)行管理，降低水閘風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范［3-4］，對高良澗閘工程運(yùn)行進(jìn)行安全監(jiān)測，主要監(jiān)測內(nèi)容有變形監(jiān)測、滲流監(jiān)測、環(huán)境量監(jiān)測等。監(jiān)測范圍主要包括閘室段、上下游連接段、管理范圍內(nèi)的上下游河道堤防以及與水閘工程安全有關(guān)的其他建筑物和設(shè)施，安全監(jiān)測方法為人工現(xiàn)場檢查和儀器監(jiān)測。

2 安全監(jiān)測現(xiàn)狀分析

2.1 變形監(jiān)測

高良澗閘變形監(jiān)測內(nèi)容主要有垂直位移、伸縮縫和引河河床變形觀測。垂直位移變形觀測標(biāo)點(diǎn)共計(jì)40個，其分布如圖1所示。其中，閘室設(shè)3塊底板，每塊底板設(shè)置4 個標(biāo)點(diǎn)；左右岸各設(shè)1 塊岸墻，每塊岸墻設(shè)2 個標(biāo)點(diǎn)；上游左右岸各設(shè)2 節(jié)翼墻，每節(jié)翼墻設(shè)2 個標(biāo)點(diǎn)；下游左右岸各設(shè)2 節(jié)翼墻，每節(jié)翼墻各設(shè)4 個標(biāo)點(diǎn)。采用電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行人工觀測，每年汛前、汛后各觀測1次，觀測精度為二等水準(zhǔn)。

圖1 垂直位移變形觀測標(biāo)點(diǎn)布置示意

伸縮縫變形觀測標(biāo)點(diǎn)共有6個，其分布如圖2所示。其中，在1 閘室1 段之間設(shè)有伸縮縫，閘室段與左、右岸翼墻之間各設(shè)置1 道伸縮縫，上游2 個翼墻之間各設(shè)置1道伸縮縫。伸縮縫變形觀測均采用游標(biāo)卡尺進(jìn)行人工觀測。根據(jù)伸縮縫變形觀測成果，發(fā)現(xiàn)伸縮縫因氣溫變化而變化，氣溫升高，伸縮縫縫寬變小，氣溫降低則縫寬變大。

圖2 伸縮縫變形觀測標(biāo)點(diǎn)布置示意

引河河床變形觀測內(nèi)容包括河道地形觀測和固定斷面觀測，其中固定斷面觀測包括過水?dāng)嗝婧痛髷嗝嬗^測，過水?dāng)嗝娣植既鐖D3所示。閘上游設(shè)有4個過水?dāng)嗝?，下游設(shè)有12 個過水?dāng)嗝?。引河河床斷面每年汛后觀測1 次，大斷面觀測及水下地形每5年觀測1次，斷面樁樁頂高程考證每5年考證1次。水下高程采用過河索和測深桿進(jìn)行觀測，觀測精度為0.01 m，岸上高程及樁頂高程按四等水準(zhǔn)測量進(jìn)行考證。如測量中發(fā)現(xiàn)異?；蚬こ檀嬖诔瑯?biāo)準(zhǔn)工況運(yùn)用情況時，會增加測點(diǎn)與測次。根據(jù)2022年河床斷面變形觀測成果，發(fā)現(xiàn)上下游各斷面間隔沖淤量不大，河床基本穩(wěn)定。

圖3 過水?dāng)嗝娌贾檬疽?/p>

從多年變形監(jiān)測成果來看，高良澗閘工程累計(jì)位移量過程線平順，建筑物沉降均勻并已趨于穩(wěn)定，最大沉降和相鄰兩塊底板最大沉降差滿足規(guī)范要求。但從監(jiān)測時效性和現(xiàn)代化水平來看，變形監(jiān)測均為人工觀測方式，水平位移觀測設(shè)施未布設(shè)，監(jiān)測內(nèi)容較為單一。為滿足現(xiàn)代化水閘工程管理要求，需針對工程實(shí)際特點(diǎn)，在現(xiàn)有工程條件下實(shí)現(xiàn)觀測點(diǎn)能設(shè)盡設(shè)，以滿足工程安全監(jiān)測需要。

2.2 滲流監(jiān)測

高良澗閘滲流監(jiān)測項(xiàng)目僅有閘底板揚(yáng)壓力監(jiān)測，采用測壓管水位觀測方式。閘室段共設(shè)有4根測壓管，其布置如圖4 所示，分為2 組，于1989年11月分別埋設(shè)于1#底板和3#底板的上下游。觀測采用測深鐘法，每月由人工采用電測水位計(jì)觀測2次，精度達(dá)0.01 m。測壓管管口高程考證每年進(jìn)行1 次，進(jìn)水管段靈敏度試驗(yàn)和管內(nèi)淤積高程每5年觀測1 次。從近年測壓管水位觀測結(jié)果看，013#、033#測壓管水位均異常，管中水位過高，不能正確反映閘室滲流規(guī)律，測壓管近乎失效。

圖4 測壓管布置示意

2.3 環(huán)境量觀測

高良澗閘環(huán)境量觀測內(nèi)容主要有水位、流量和降水量觀測，閘區(qū)上下游水位采用雷達(dá)自記水位計(jì)自動采集，每日8：00以人工觀測水位進(jìn)行校正。流量由上下游水位和閘門開啟高度，根據(jù)流量率定公式計(jì)算得出，當(dāng)開閘流量超過300 m3/s 時，采用多普勒流速剖面儀（ADCP）進(jìn)行固定斷面測流的方式進(jìn)行校測比對，確保工程流量精準(zhǔn)調(diào)度。降水量觀測有自動觀測和人工雨量觀測2 種，每日8：00 進(jìn)行人工觀測報(bào)汛。經(jīng)多年發(fā)展，閘區(qū)環(huán)境量觀測技術(shù)已較為成熟，觀測結(jié)果每年進(jìn)行整編分析，但觀測成果尚未統(tǒng)一納入安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)管理平臺。

3 對策研究

3.1 GNNS變形監(jiān)測

針對高良澗閘現(xiàn)有變形監(jiān)測設(shè)施布置特點(diǎn)，采用先進(jìn)實(shí)用的科技監(jiān)測手段GNSS（global navigation satellite system）全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)定位技術(shù)。為保持變形觀測資料的連續(xù)性，在各底板角點(diǎn)上、下游側(cè)均布置變形測點(diǎn)，與人工觀測點(diǎn)位的布設(shè)基本相同。在監(jiān)測點(diǎn)上安裝無人值守的GNSS 觀測設(shè)備，可正常測量其垂直、水平方向位移，也可測量不均勻沉降導(dǎo)致的傾斜情況。

水閘上游閘室段及翼墻部位共布置10 個自動變形監(jiān)測點(diǎn)。下游段布設(shè)點(diǎn)與上游相同，對稱布置，閘室段共布置6 個測點(diǎn)，左右翼墻布置4 個測點(diǎn)。在水閘右側(cè)地質(zhì)條件穩(wěn)定處設(shè)立GNSS 工作基點(diǎn)站1座，用于監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)，為防止啟閉房對衛(wèi)星信號的干擾影響，閘室段8 根GNSS 測桿采用4 m 高桿，其他采用2 m 桿。變形監(jiān)測點(diǎn)具體布置情況如圖5所示。

圖5 GNSS變形監(jiān)測點(diǎn)布置

3.2 底板揚(yáng)壓力滲流監(jiān)測

水閘滲流監(jiān)測內(nèi)容包括閘基揚(yáng)壓力監(jiān)測和側(cè)向繞滲監(jiān)測。高良澗閘上下游水頭差較小，經(jīng)過多年運(yùn)行，未見明顯繞閘滲漏現(xiàn)象，且閘體左右端有電站廠房和發(fā)電尾水通道，若實(shí)施繞閘滲流鉆孔會有一定安全風(fēng)險(xiǎn)，所以應(yīng)不予設(shè)置側(cè)向繞滲監(jiān)測項(xiàng)目。閘底板揚(yáng)壓力測值是水閘安全鑒定滲流穩(wěn)定必要的計(jì)算參數(shù)，目前僅有的4 根測壓管已存在部分淤堵失效的情況，應(yīng)進(jìn)行清理和修復(fù)，并在測壓管內(nèi)安裝滲壓計(jì)。通過采集單元自動采集數(shù)據(jù)，將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳遞至監(jiān)測平臺實(shí)現(xiàn)自動化監(jiān)測。安全監(jiān)測系統(tǒng)通信架構(gòu)見圖6。

圖6 安全監(jiān)測系統(tǒng)通信架構(gòu)

3.3 安全監(jiān)測管理系統(tǒng)

在監(jiān)測數(shù)據(jù)采集傳輸方面，基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)芯片的GNSS 變形監(jiān)測設(shè)備，測站間無需保持通視，同時接收北斗信號和GPS 信號，實(shí)現(xiàn)多星融合全天候在線監(jiān)測。測定監(jiān)測點(diǎn)的三維位移數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)傳輸至啟閉機(jī)房監(jiān)測中心站。滲壓計(jì)的揚(yáng)壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)采集單元集成采集后，采用485 通訊方式有線連接至監(jiān)測中心。高良閘安全監(jiān)測系統(tǒng)通信架構(gòu)見圖6。監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)自動化，為適應(yīng)工程管理現(xiàn)代化發(fā)展需要，將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至云平臺，可通過電腦或手機(jī)端訪問監(jiān)測數(shù)據(jù)。

安全監(jiān)測管理系統(tǒng)軟件采用B/S 結(jié)構(gòu)開發(fā)，主要包括4 個軟件模塊：數(shù)據(jù)采集、資料分析、資料整編和信息發(fā)布。在監(jiān)測數(shù)據(jù)分析中，對各監(jiān)測點(diǎn)效應(yīng)量進(jìn)行實(shí)時分析，判定工程運(yùn)行性態(tài)，并根據(jù)運(yùn)行水位和設(shè)計(jì)參數(shù)，擬定總變形量或變化速率監(jiān)控指標(biāo)。當(dāng)變形測值達(dá)到設(shè)置的閥值時即啟動預(yù)警程序，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測預(yù)警，為管理者提供決策支持。

4 結(jié)語

高良澗閘工程建設(shè)中的水閘安全監(jiān)測有關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)尚待完善。目前，現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的部分監(jiān)測項(xiàng)目需隨工程施工，同步開展監(jiān)測儀器的安裝埋設(shè)工作，高良澗閘已不具備安裝部分監(jiān)測設(shè)施的條件，如應(yīng)力、應(yīng)變和滲流壓力監(jiān)測設(shè)施等。

高良澗閘工程安全監(jiān)測系統(tǒng)更新改造應(yīng)按照“統(tǒng)籌協(xié)調(diào)、因閘制宜、實(shí)用有效、信息共享”的原則，根據(jù)工程建設(shè)年代久遠(yuǎn)、缺少水平位移等變形監(jiān)測設(shè)施、環(huán)境量監(jiān)測需完善等工程特點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)前水利信息化前沿技術(shù)，通過增設(shè)GNNS 變形監(jiān)測設(shè)施，修復(fù)完善揚(yáng)壓力監(jiān)測設(shè)施，對監(jiān)測成果進(jìn)行及時動態(tài)分析，開發(fā)安全監(jiān)測自動化管理系統(tǒng)等安全監(jiān)測改造提升方案。實(shí)現(xiàn)水閘安全監(jiān)測信息應(yīng)用從人工觀測到自動化及智能化監(jiān)測轉(zhuǎn)變，提高智慧水利技術(shù)在高良澗閘的應(yīng)用水平，保障工程安全運(yùn)行，不斷提升現(xiàn)代化管理水平，為今后工程數(shù)字孿生建設(shè)打下基礎(chǔ)，同時為灌溉總渠沿線工程除險(xiǎn)加固、拆建工程監(jiān)測項(xiàng)目提供參考。