引江濟淮工程蜀山泵站安全監(jiān)測設(shè)計

胡國安

(安徽省水利水電勘測設(shè)計院研究總院有限公司，安徽 合肥 230088)

1 工程概況

引江濟淮工程是2014年5月國務(wù)院第48次常務(wù)會議要求加快推進的172項節(jié)水供水重大水利工程之一。引江濟淮工程共分為三段：引江濟巢、江淮溝通、江水北送，其中引江濟淮江淮溝通段按滿足航運功能要求進行設(shè)計，在江淮分水嶺以南利用派河、以北利用東淝河輸水后入瓦埠湖，在江淮分水嶺沿地勢較低處穿越，同時利用合肥市規(guī)劃預(yù)留的通道布置線路。蜀山泵站工程位于引江濟淮線路江淮溝通段，地處安徽省合肥市肥西縣境內(nèi)，進水池連接派河段輸水河道，出水池連接分水嶺段輸水河道(圖1)。其主要任務(wù)是輸水與航運，是引江濟淮江淮溝通段的重要組成部分。

圖1 蜀山泵站樞紐布置示意圖

蜀山泵站為一等工程，主要建筑物有引水渠、進水閘、前池、泵房、安裝間、泄水閘、出口控制段及出水渠等。泵房為堤身干室型，站內(nèi)8臺機組作一列式布置，采用肘型進水流道，直管式出水流道。泵站設(shè)計流量340 m3/s，設(shè)計凈揚程12.7 m。水泵型號為3430HLQ-40，配套電機型號為TL7500-48，單機功率7 500 kW，共裝機組8臺套，總裝機容量60 000 kW。

2 安全監(jiān)測的目的

引江濟淮工程蜀山泵站安全監(jiān)測設(shè)計以監(jiān)測各類建筑物在施工期、蓄水期和運行期的安全為主要目的，同時兼顧反饋設(shè)計、優(yōu)化施工等需要。

首先，通過對各類建筑物整體狀態(tài)全過程的持續(xù)監(jiān)測，采集建筑物的變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變、溫度等各效應(yīng)量各階段變化過程的數(shù)據(jù)，及時進行分析處理，對建筑物的穩(wěn)定性、安全度作出評價，及時發(fā)現(xiàn)各效應(yīng)量異?，F(xiàn)象和可能危及建筑物的不安全因素，為有關(guān)部門的處理決策提供參考依據(jù)。

其次，通過建筑物在各階段的運行情況及安全監(jiān)測提供的有效數(shù)據(jù)，檢驗設(shè)計方案及施工質(zhì)量是否滿足設(shè)計要求，從而改進和完善施工方法和措施，優(yōu)化和完善設(shè)計，同時為工程的運行提供指導(dǎo)，以達到優(yōu)化設(shè)計、指導(dǎo)施工、調(diào)控運行的目的，確保工程全生命周期的安全穩(wěn)定。

3 安全監(jiān)測設(shè)計原則

針對蜀山泵站的工程特點，參考相關(guān)規(guī)范要求，本工程安全檢測系統(tǒng)的設(shè)計原則為：

(1)目的明確。主要建筑物的安全是工程監(jiān)測的主要目的，須滿足工程施工期、運行期工程安全評價的要求。

(2)突出重點。將建筑物及基礎(chǔ)作為整體來考慮，監(jiān)測的重點放在兩個效應(yīng)量，即變形和滲流，監(jiān)測斷面(部位)選擇在泵站具有代表性的部位，能夠反映各建筑物結(jié)構(gòu)的工作狀況。

(3)性能可靠。所選的監(jiān)測儀器設(shè)備必須滿足本工程量測精度的要求，且性能可靠、長期穩(wěn)定性好、操作簡便、技術(shù)先進。

(4)儀器觀測和人工巡視檢查相結(jié)合，缺一不可。

(5)監(jiān)測數(shù)據(jù)實行自動化采集。

4 安全檢測設(shè)計內(nèi)容

根據(jù)蜀山泵站的具體情況，主要內(nèi)容可以確定為建筑物的水位監(jiān)測、垂直位移和不均勻沉降監(jiān)測、水平位移和傾斜監(jiān)測、基礎(chǔ)揚壓力監(jiān)測、地基反力監(jiān)測、泵站流量監(jiān)測、人工巡視檢查等。

4.1 監(jiān)測斷面的選擇

蜀山泵站主要建筑物包括引水渠、進水閘、前池、泵房、泄水閘、安裝間、出口控制段、出水渠等；蜀山泄水閘主要包括控制段、閘室、消力池等。監(jiān)測斷面應(yīng)布置在重要性較高、結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜、地質(zhì)條件不利或具有較強代表性的部位。根據(jù)蜀山泵站及泄水閘地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)分塊和受力特點，決定在進水閘布置3個順流向監(jiān)測斷面(左側(cè)岸墻、1#孔和2#孔聯(lián)合塊體1個、3#～5#孔塊體1個、6#～8#孔聯(lián)合塊體1個)，泵房及泄水閘段共布置3個順流向監(jiān)測斷面(泄水閘閘室1個，泵房1#～2#孔聯(lián)合塊體1個，3#～4#孔聯(lián)合塊體1個)，出口控制段布置3個順流向監(jiān)測斷面(泄水閘控制段中部1個，泵站控制段1#～2#孔聯(lián)合塊體1個、3#～4#孔聯(lián)合塊體1個)，前池段和出口翼墻各布置1個垂直流向監(jiān)測斷面。

4.2 監(jiān)測設(shè)施的布置

4.2.1 水位監(jiān)測

在泵站前池段和出水渠段水流相對較平穩(wěn)的位置各布設(shè)1組水尺，為實現(xiàn)水位自動化監(jiān)測，在水尺附近位置各布設(shè)1支水位計。根據(jù)泄水閘和泵站的相對位置關(guān)系，泄水閘進出口水位可直接利用蜀山泵站水位資料，無須另外設(shè)置水位計或水尺。共布設(shè)水尺2組、水位計2支。

4.2.2 變形監(jiān)測

變形監(jiān)測包括建筑的垂直位移、水平位移、相鄰塊體錯動監(jiān)測。

(1)垂直位移監(jiān)測。泵站各結(jié)構(gòu)塊體的表面垂直位移及相鄰塊體間的不均勻沉降、泄水閘的表面垂直位移均采用水準(zhǔn)法觀測。根據(jù)泵站各組成部位的分塊設(shè)計情況，在進水閘、泵房段、泄水閘閘室段、安裝間、出口控制段各塊體的頂部四角各布設(shè)1個水準(zhǔn)點(圖2)，在擋墻的各塊體中部布設(shè)1個水準(zhǔn)點。共布設(shè)水準(zhǔn)點105個。

圖2 水準(zhǔn)點簡圖

為監(jiān)測施工期結(jié)構(gòu)物的沉降情況，在泵房段上游側(cè)頂部垂直水流向布設(shè)1條靜力水準(zhǔn)測線，每個結(jié)構(gòu)塊體上游側(cè)的水準(zhǔn)點旁各布設(shè)1個靜力水準(zhǔn)測點，以實現(xiàn)泵房段沉降變形的自動化監(jiān)測。將該條靜力水準(zhǔn)測線延伸至右岸平臺，在該平臺上鉆孔埋設(shè)1套雙金屬標(biāo)，作為靜力水準(zhǔn)測線的工作基點。該雙金屬標(biāo)同時兼作泵站水準(zhǔn)觀測的工作基點。在泄水閘上游側(cè)頂部利用蜀山泵站靜力水準(zhǔn)測線，在結(jié)構(gòu)塊體上游側(cè)的水準(zhǔn)點旁各布設(shè)1個靜力水準(zhǔn)測點，以實現(xiàn)泄水閘沉降變形的自動化監(jiān)測，共布設(shè)靜力水準(zhǔn)測點12個、雙金屬標(biāo)1套。

在泵房段、泄水閘室段及安裝間各結(jié)構(gòu)塊體的四角鉆孔埋設(shè)1支沉降計，鉆孔深度約10 m，以監(jiān)測在上部荷載作用下，各塊體的基礎(chǔ)沉降變形情況，共布設(shè)沉降計24支，鉆孔約240 m。

(2) 水平位移監(jiān)測。在進水閘、泵房段、泄水閘閘室、安裝間的上游側(cè)墩頭各垂直流向布置1條視準(zhǔn)線，經(jīng)過的每個結(jié)構(gòu)塊體頂部各布設(shè)1～2個視準(zhǔn)線測點，兩岸延長線上選擇穩(wěn)定安全處各布設(shè)1個視準(zhǔn)線工作基點和校核基點。共布設(shè)視準(zhǔn)線測點22個、視準(zhǔn)線工作基點4個、校核基點4個(圖3)。

圖3 工作基點、校核基點簡圖

在泵房段2個塊體中部的監(jiān)測斷面上，分別于閘墩內(nèi)各埋設(shè)1根測斜管，每根管內(nèi)各安裝5支固定式測斜儀，以實現(xiàn)各塊體的水平位移(傾斜)的自動化觀測，共需布設(shè)固定式測斜儀10支，測斜管在塊體基礎(chǔ)部位采用鉆孔埋設(shè)，在塊體內(nèi)部隨混凝土澆筑同步埋設(shè)，基礎(chǔ)部位鉆孔深度約為8 m，共鉆孔約16 m。

在前池和出口翼墻的監(jiān)測斷面上，分別于兩側(cè)翼墻內(nèi)各埋設(shè)1根測斜管，以監(jiān)測兩側(cè)翼墻的傾斜變形情況，該測斜管采用活動式測斜儀進行觀測，共布設(shè)測斜管4根，測斜管在翼墻基礎(chǔ)部位采用鉆孔埋設(shè)，在翼墻內(nèi)部隨混凝土澆筑同步埋設(shè)?；A(chǔ)部位鉆孔深度約為5 m，共鉆孔約20 m。

(3) 相鄰塊體錯動監(jiān)測。在進水閘的3個監(jiān)測斷面、泵房及泄水閘閘室段3個監(jiān)測斷面和出口控制段3個監(jiān)測斷面上，每個斷面上下游側(cè)結(jié)構(gòu)分縫處各埋設(shè)1支位錯計，以監(jiān)測與相鄰塊體間的錯動(不均勻沉降)變形情況。共布設(shè)位錯計15支(圖4)。

圖4 位錯計埋設(shè)圖

4.2.3 站身繞滲監(jiān)測

在站身段左右兩岸結(jié)合部位各埋設(shè)3根測壓管，以監(jiān)測繞站身滲流情況，共布設(shè)測壓管6根，并預(yù)留滲壓計6支，以實現(xiàn)站身繞滲監(jiān)測自動化。

4.2.4 基礎(chǔ)揚壓力和地基反力監(jiān)測

在進水閘的3個監(jiān)測斷面、泵房及泄水閘閘室段3個監(jiān)測斷面和出口控制段3個監(jiān)測斷面上，每個斷面的基礎(chǔ)結(jié)合部位順流向各埋設(shè)1支滲壓計(圖5)和1支土壓力計(圖6)，在泵房及泄水閘閘室段3個監(jiān)測斷面順?biāo)飨蛑胁扛髀裨O(shè)1支滲壓計和1支土壓力計，以監(jiān)測上部結(jié)構(gòu)所受地基反力和揚壓力情況。共布設(shè)滲壓計18支、土壓力計18支。

圖5 滲壓計埋設(shè)圖

圖6 土壓力計安裝示意圖

4.2.5 鋼筋混凝土應(yīng)力監(jiān)測

在泄水閘閘室及安裝間段垂直流向斷面上，根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點，分別在底板、扶壁和邊墻中下部布設(shè)鋼筋計，以監(jiān)測主受力鋼筋的鋼筋應(yīng)力情況，共布設(shè)鋼筋計約76支。

4.2.6 閘墻水土壓力監(jiān)測

在泄水閘閘室段、安裝間，于墻體與填土結(jié)合面的中下部各埋設(shè)3支土壓力計和3支滲壓計，以監(jiān)測墻體所受外部荷載作用情況，共布設(shè)土壓力計12支和滲壓計12支。

4.2.7 泵站流量監(jiān)測

在泵站出口后側(cè)的明渠段選擇1個水流平順位置布設(shè)1套多普勒流量計，以監(jiān)測泵站的抽水流量。

4.2.8 人工巡視檢查

人工巡視檢查是工程安全檢測不可或缺的重要環(huán)節(jié)，主要目的檢查泵站是施工及運行期間水工建筑物的安全與質(zhì)量問題，發(fā)現(xiàn)異常并及時提出補救措施是人工巡視檢查的主要任務(wù)。

滲壓計、工藝力計、沉降計、位錯計的安裝位置見表1～表4。

表1 滲壓計安裝位置表

表2 土壓力計安裝位置表

表3 沉降計安裝位置表

表4 位錯計安裝位置表

巡視檢查應(yīng)定期由熟悉工程且具有實踐經(jīng)驗的專業(yè)技術(shù)人員負責(zé)進行，主要分為施工期人工巡視檢查和運行期人工巡視檢查，其中施工期每周檢查1次，運行初期每周檢查1～2次，隨工程運行穩(wěn)定可逐漸減少檢查次數(shù)，但每月至少人工巡視檢查1次。

4.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)自動化

根據(jù)蜀山泵站的工程特點和監(jiān)測項目，建立自動化監(jiān)測系統(tǒng)來實現(xiàn)自動化監(jiān)測(圖7)。該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)儲存及數(shù)據(jù)分析等功能。自動化監(jiān)測系統(tǒng)主要有監(jiān)測儀器傳感器、電纜、測量控制單元(MCU)、專用軟件和監(jiān)控計算機等組成。

圖7 自動化監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

為了便于觀測、數(shù)據(jù)處理以及管理的自動化，在蜀山泵站設(shè)備控制樓中設(shè)立永久監(jiān)測站。監(jiān)測站設(shè)有計算機、繪圖機、打印機、報警器、備用電源燈設(shè)備。主要功能為：①通過MCU進行數(shù)據(jù)采集；②對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行檢查；③存儲數(shù)據(jù)，建立檔案；④對數(shù)據(jù)進行分析和評價；⑤打印、繪圖；⑥為全線自動化設(shè)置接口。

自動化監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)早于工程運行之前建立并投入使用，以便于獲得工程運行初期的監(jiān)測數(shù)據(jù)資料。

5 結(jié)束語

工程安全監(jiān)測是工程設(shè)計、工程施工及運行不可缺少的重要組成部分，引江濟淮蜀山泵站工程有著歷史性的重要意義，工程安全監(jiān)測更是至關(guān)重要，只有建立一個較為全面的工程安全監(jiān)測系統(tǒng),才能更好地了解工程施工、運行中的實際情況，驗證工程的設(shè)計，同時工程安全監(jiān)測也為工程施工、運行安全及工程管理打下了堅實的基礎(chǔ)，確保了工程生命周期的安全穩(wěn)定。