水闸安全监测技术规范关键要素研究

水闸安全监测技术规范关键要素研究

王永亮 白光英 张凯

菏泽市洙赵新河流域工程管理处 山东菏泽 274000

摘要：近年来,水闸安全越来越引起党和政府的高度重视,今后几年将开展大规模病险水闸除险加固建设。为了评价施工质量、验证设计,特别是为了掌握水闸安全运行性态,在水闸设计和施工时一般都考虑布置数量不等的安全监测仪器,这些监测仪器在水闸施工期和运行期起到了掌握工程安全的耳目作用,为实现水闸的安全运行、发挥效益等起到了重要作用。

关键词：水闸；安全监测；技术规范；关键要素

1水闸安全监测现状

(1)大多数中小型水闸基本没有安全监测设施,部分水闸仅有水位观测,这是由于无行业规范可依,但主要原因是设计及管理人员认识不到位,错误地认为水闸规模小,即使失事其危害也不大,因此造成水闸设计或加固改造时安全监测项目存在缺失。如某大型水闸初步设计仅布置水位、沉降等人工观测项目,通过调研发现该工程地质条件复杂,砂质粉土覆盖层厚,尽管设计提出了较为完善的基础加固措施,但仍会存在不均匀沉降、液化及渗透变形等安全问题,施工期闸底板裂缝也证实了上述隐患,由于缺乏完善的安全监测设施,无法及时掌握水闸安全性态,造成工程盲目运行。

(2)一些大中型水闸初步设计或除险加固时设置了相对完善的安全监测设施,由于管理体制、人员素质及业主认知不到位等因素,在实施过程中将监测系统划入土建标段、或交由没有相关经验的单位承担,造成监测仪器没按规程规范进行标定就直接安装埋设,再加上监理单位未配备监测工程师,使得仪器成活率不高,系统功能差,起不到安全监测作用,甚至有个别工程竣工验收时监测系统已报废。

(3)有个别水闸尽管安装有安全监测设施,甚至实现了自动化遥测,但由于缺乏必要维护,监测设施损坏严重,大多不能正常工作。再者,水闸管理单位因技术力量薄弱,监测数据束之高阁,缺乏整编,更谈不上系统分析,给水闸工程安全运行和科学调度留下隐患。

综合上述典型工程调研,大多数水闸工程没有布置完备的安全监测系统,监测资料没有及时整编和系统分析。为掌握水闸运行性态、评价施工质量、反馈设计指标、降低失事风险,有必要编制水闸安全监测技术规范,为水闸安全监测工作有序、健康发展奠定坚实的基础。

2水闸安全监测项目体系

2.1变形监测

1)水平位移。水平位移是对水闸运行性态和健康状态的最直观的综合反映。水平位移测点一般布置在水闸闸墩顶部和上下游翼墙顶部,每个闸段布置1个测点。一般采用视准线法、引张线法或前方交会法等方法进行观测。2)闸墩倾斜。也称闸墩挠度,反映了在水荷载作用下闸墩沿高度方向的水平位移分布情况。一般选择典型闸墩,采用固定式测斜仪或活动式测斜仪进行观测。3)垂直位移。软基承载能力较低,有可能导致水闸产生过大的沉降,影响水闸的正常运用和工程安全,因此垂直位移是水闸变形监测的重点监测项目。一般可在水闸闸墩顶部和上下游翼墙顶部布置垂直位移标点,采用几何水准法进行观测。也可采用在代表性部位布置沉降仪来进行观测。4)不均匀沉降。不均匀沉降是影响水闸正常运用和工程安全的重要因素,一般通过合理布置的成组垂直位移测点的观测成果计算得到,也可通过专门布置的成组测点进行观测。5)接缝变形。当水闸产生较大的不均匀沉降时,闸段之间将会产生错动(如接缝开合度变化或发生剪切错动),因此,需要设置接缝变形监测项目;当出现裂缝时,还应设置裂缝变化监测项目。接缝(裂缝)变形可根据需要采用单向测缝计或多向测缝计进行观测。

2.2渗流监测

1)闸基扬压力。闸基扬压力的大小,直接关系到水闸的整体稳定性,是水闸渗流监测的重点监测项目。闸基扬压力可采用渗压计或测压管进行监测;一般沿纵向布置1~2个监测断面,在横向布置不少于3个监测断面;横向监测断面的选择,应具有代表性,尽量选择在最大闸高处、地质条件复杂处等,并综合考虑水闸地下轮廓线形状。在横向监测断面上,应保证能绘制出闸基扬压力横向分布图,以便与设计闸基扬压力和设计地下轮廓线进行对比,评价闸基防渗效果。2)渗透坡降。软基抗渗性能一般较差,易发生管涌、流土等渗透破坏,因此确保各部位渗透坡降小于地基允许渗透坡降对防止坝基出现渗透破坏十分重要。一般可与坝基扬压力监测设施综合考虑,也可根据实际情况布置专门监测渗透坡降的渗压计或测压管。3)闸基渗流量。在具备条件的水闸,可布置量水堰进行闸基渗流量监测。4)闸下流态。水闸泄流流态,对水闸消能防冲和闸后河床及岸坡冲刷有重要影响,一般宜设置泄流的闸下流态监测项目。5)绕闸渗流。绕闸渗流监测的布置,应根据水闸的枢纽布置情况来考虑。对侧向绕闸渗流监测,可在岸墙、翼墙填土侧布置测压管或渗压计。

2.3应力应变监测

1)地基反力。水闸底板是闸室段的基础,是承受荷载的主要构件。地基反力是作用在底板上的分布力,与底板上的外部荷载、底板的结构性能以及地基的土料特性等有关。地基反力的大小,决定着底板内力的大小,也反映了基底应力的大小。最大基底应力应不大于地基允许承载力的1.2倍,基底应力不均匀系数应不大于规范的规定值。地基反力可采用土压力计进行观测,一般布置若干纵向监测断面和横向监测断面,以能监测地基反力分布情况为原则。2)土压力。当水闸翼墙后填土高度较高时,将产生较大的土压力,有可能导致翼墙倾覆或滑移。可在翼墙混凝土与填土的结合面上布置土压力计,观测翼墙后的填土土压力。3)混凝土钢筋应力。水闸结构主要为钢筋混凝土结构,钢筋应力监测是掌握结构压力状态的主要依据。一般根据结构应力设计计算成果,在受力相对比较复杂的部位、或存在应力集中的部位,布置钢筋计。其中,底板钢筋应力为重点监测对象。4)混凝土应力应变。一般根据结构应力设计计算成果,在受力相对比较复杂的部位、或存在压力集中的部位,布置适量的应变计和无应力计,以观测混凝土应力应变状态。其中,底板混凝土应力应变为重点监测对象。5)混凝土温度。为满足混凝土温控的需要,可适当布置温度计。

3监测项目及测点布置

3.1主要监测项目

根据水闸特性和主要病害特征,水闸监测项目宜包括闸墩及翼墙变形、闸基扬压力及侧向绕渗、基础沉降及闸墩倾斜、上下游水位及冲刷等监测项目。

3.2测点布置合理性分析

为全面掌握水闸运行安全性态,监测测点宜尽量多,但测点过多会带来诸多问题,不仅加大工程投资、影响施工进度、增加监测和分析强度等,而且协调不同监测数据的难度加大。因此,安全监测相关规范都提出:监测仪器、设施的布置,应密切结合工程具体条件,既能较全面地反映工程的运行状态,又宜突出重点和少而精。水闸工程安全监测也需要遵循上述原则,但水闸有其自身特性,测点布置也有所不同,与混凝土坝、土石坝安全监测差异性有以下几个方面。

(1)大多数水闸座落在土基上,其不均匀沉降测点需要布置在闸室结构块体顶部的四角(闸墩顶部)、上下游翼墙顶部各结构分缝两侧、水闸两岸的结合部位或墙后回填土上。

(2)建在河口处的挡潮闸需要双向挡水,其垂直水流向、顺水流向监测断面应合理选择双向布置形式。

(3)对于地基条件差需要进行基础处理的水闸,应布置地基反力监测,测点宜沿闸室整体结构顺水流方向和垂直水流方向各至少设置一个监测断面。同时,地基反力监测宜与扬压力监测结合布置。

(4)对于翼墙背后有较高填土的水闸,宜在翼墙和背后填土的结合面上布置土压力计,测点宜布置在翼墙和墙后填土结合面的中下部,沿高度方向选取有代表性的部位。

结论

安全监测是实时掌握水闸运行形态的基本措施,是保障水闸安全运行的主要手段。目前水闸安全监测设计主要采用工程类比的方法,缺乏专门的技术规范可以遵循,主观随意性较大;水闸安全监测信息管理系统还不完善,主要以监测信息的日常管理为主,资料分析和安全评价功能不强,且普遍缺乏安全监控和健康诊断功能,不能满足水闸安全监控的要求。

参考文献：

[1]曹国福,洪波,臧光文.某大型水闸工程安全监测系统设计[J].大坝与安全,2018(1):5-7

[2]张君禄,陈晓文,刘敏,等.广东省潮州供水枢纽大坝安全监测系统[J].广东水利水电,2018(1):63-65,74.