輸水隧洞測(cè)試儀器的布置研究

胡彥高

(華北水利水電大學(xué) 土木與交通學(xué)院，河南 鄭州 450046)

0 前 言

我國(guó)國(guó)土面積遼闊，地形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，水資源時(shí)空分布不均，為調(diào)節(jié)水資源的使用，國(guó)家陸續(xù)修建了多項(xiàng)跨流域調(diào)水工程，這些調(diào)水工程中輸水隧洞是重要組成部分。在輸水隧洞建設(shè)過(guò)程中，工程人員常常會(huì)在其結(jié)構(gòu)中埋設(shè)大量測(cè)試儀器設(shè)備，為了對(duì)輸水隧洞結(jié)構(gòu)的測(cè)試儀器布置做深入研究，本文對(duì)其布置的意義、現(xiàn)狀作總結(jié)分析，并提出相應(yīng)的建議。

1 測(cè)試儀器布置的意義

輸水隧洞在設(shè)計(jì)、施工階段均有相關(guān)規(guī)范，但設(shè)計(jì)時(shí)考慮的工作條件與實(shí)際情況難以完全相同，施工質(zhì)量可能不盡完美，同時(shí)結(jié)構(gòu)在運(yùn)行中可能會(huì)遇到一些不利情況?；诖?，總結(jié)輸水隧洞布設(shè)測(cè)試儀器的主要意義如下。

1)從輸水隧洞結(jié)構(gòu)安全角度考慮，其所處環(huán)境復(fù)雜，建設(shè)周期相對(duì)較長(zhǎng)，投資造價(jià)較高，通過(guò)測(cè)試儀器可以實(shí)時(shí)采集結(jié)構(gòu)信息，及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的安全隱患，保證輸水隧洞的正常運(yùn)行，避免國(guó)家財(cái)產(chǎn)的損失和安全事故的發(fā)生[1]。

2)從輸水隧洞結(jié)構(gòu)本身出發(fā)，通過(guò)測(cè)試儀器可以讀取不同時(shí)期、不同工況下結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)處理分析，可以隨時(shí)掌握隧洞結(jié)構(gòu)的受力變化規(guī)律，指導(dǎo)日常的運(yùn)行管理，提升輸水隧洞的綜合效益。

3)從輸水隧洞結(jié)構(gòu)理論設(shè)計(jì)及優(yōu)化方面考慮，通過(guò)測(cè)試儀器反饋的結(jié)構(gòu)參數(shù)信息，可以驗(yàn)證輸水隧洞結(jié)構(gòu)的理論設(shè)計(jì)，檢驗(yàn)施工質(zhì)量，完善理論方法，進(jìn)一步優(yōu)化輸水隧洞的結(jié)構(gòu)形式、施工工藝等[2]。

2 測(cè)試儀器布置的現(xiàn)狀

2.1 測(cè)試儀器分類

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)輸水隧洞工程而言，常把機(jī)械式、電阻式或振弦式傳感器稱為傳統(tǒng)類測(cè)試儀器，新式測(cè)試儀器則以光纖式傳感器為代表。前者一般在離散的點(diǎn)上布置，成本相對(duì)較低，但是也存在精度不高、安裝繁瑣、易失效等缺點(diǎn)。后者的優(yōu)勢(shì)在于可以獲取沿線連續(xù)點(diǎn)的響應(yīng)參數(shù)，抗干擾性強(qiáng)，但成本相對(duì)高，若大批量使用時(shí)，不僅工程造價(jià)較大，而且在施工階段必須嚴(yán)格保證不被破壞。

2.2 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

輸水隧洞襯砌的主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有混凝土應(yīng)變、鋼筋應(yīng)力、溫度、縫隙、滲流壓力、接縫等，為了更加全面地監(jiān)測(cè)輸水隧洞的結(jié)構(gòu)信息，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目也可擴(kuò)展到水位、水溫、流量和氣壓等。若輸水隧洞結(jié)構(gòu)形式為預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌，尚需對(duì)預(yù)應(yīng)力筋的有效應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。上述提及的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，所對(duì)應(yīng)的傳統(tǒng)類測(cè)試儀器主要有應(yīng)變計(jì)、鋼筋計(jì)、無(wú)應(yīng)力計(jì)、測(cè)縫計(jì)、滲壓計(jì)和錨索測(cè)力計(jì)等[3]。

關(guān)于隧洞結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的選取及測(cè)試儀器的布設(shè)可以查閱的相關(guān)規(guī)范有《水利水電工程安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 725—2016)[4]、《水工隧洞安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(SL 764—2018)[5]。但是這些條文只是針對(duì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、儀器安裝等方面作了一些指導(dǎo)性的規(guī)定，并未給出具體而詳細(xì)的測(cè)試儀器布置方法，再加上實(shí)際工程的地質(zhì)條件和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)各異，工程人員對(duì)規(guī)范的理解深度及執(zhí)行力度不一，很容易造成隧洞的測(cè)試儀器布置的多樣性，增加人為不確定因素。

2.3 實(shí)際工程應(yīng)用

以南水北調(diào)中線穿黃輸水隧洞為例，簡(jiǎn)要介紹其測(cè)試儀器的布設(shè)方案。該隧洞位于河南省鄭州市，是南水北調(diào)中線標(biāo)志性工程，為雙洞布置，上、下游段的測(cè)試項(xiàng)目基本相同，測(cè)試儀器總數(shù)2 000余個(gè)，以上游隧洞為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)象。隧洞共設(shè)置200余個(gè)滲壓監(jiān)測(cè)斷面，在每個(gè)斷面的內(nèi)襯底部安裝1支滲壓計(jì)；共設(shè)置環(huán)向斷面14個(gè)，每個(gè)斷面分別安裝鋼筋計(jì)7支、應(yīng)變計(jì)8支；預(yù)應(yīng)力內(nèi)襯中共安裝10根錨索布設(shè)測(cè)力器；同時(shí)安裝的還有測(cè)縫計(jì)、流量計(jì)等其他測(cè)試儀器[6]。上述儀器的安裝位置的原則大多是按照儀器數(shù)量在相應(yīng)截面內(nèi)均勻布設(shè)的。

此外，在杭州千島湖配水工程等項(xiàng)目中采用了光纖類測(cè)試儀器，實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集工作，提高了測(cè)試成果的準(zhǔn)確度和可靠度[7]。目前傳統(tǒng)類和光纖類測(cè)試儀器均已在實(shí)際工程項(xiàng)目中使用，并起到重要作用，但總體來(lái)看采用傳統(tǒng)類測(cè)試儀器的已建工程較多。

參考穿黃隧洞，結(jié)合其他輸水隧洞工程可以看出，一般輸水隧洞工程量大，需要布設(shè)大量的測(cè)試儀器，其數(shù)量越多采集的結(jié)構(gòu)信息就越多，結(jié)果也越準(zhǔn)確。然而測(cè)試儀器數(shù)量的增多，會(huì)消耗大量的人力、物力和財(cái)力，也會(huì)形成海量數(shù)據(jù)，增加工作量。因此，對(duì)于輸水隧洞而言，綜合考慮各方因素，為充分發(fā)揮每一個(gè)測(cè)試儀器的作用，需要對(duì)輸水隧洞結(jié)構(gòu)的測(cè)試儀器布置方法作研究分析[8]。

3 測(cè)試儀器布置的建議

測(cè)試儀器布置在輸水隧洞中的具體位置和數(shù)量是需要著重考慮的兩個(gè)方面?；谒矶垂こ虦y(cè)試儀器布置的現(xiàn)狀，結(jié)合當(dāng)前測(cè)試儀器的種類和優(yōu)缺點(diǎn)，提出以下建議。

3.1 測(cè)試儀器布置應(yīng)緊密結(jié)合有限元分析結(jié)果

對(duì)傳統(tǒng)類測(cè)試儀器而言，其安裝的位置、數(shù)量是需要與輸水隧洞本身的規(guī)模、受力特點(diǎn)相匹配的，在編制測(cè)試儀器布設(shè)方案時(shí)，需要關(guān)注的是如何科學(xué)地把儀器安裝在恰當(dāng)?shù)奈恢锰?。因此，建議在確定測(cè)試儀器布設(shè)的位置時(shí)需要緊密結(jié)合有限元的計(jì)算結(jié)果，通過(guò)對(duì)有限元模擬結(jié)果的總結(jié)分析，運(yùn)用恰當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理方法，合理選取具有特征性的測(cè)點(diǎn)位置。一般可根據(jù)有限元模擬結(jié)果，基于結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)或內(nèi)力變化規(guī)律研究的目的，針對(duì)不同的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，首先在縱向上確定監(jiān)測(cè)斷面的位置和數(shù)量，然后確定截面環(huán)向的儀器布設(shè)位置和數(shù)量。由此可以避免測(cè)試儀器安裝的盲目性，使一個(gè)測(cè)點(diǎn)承擔(dān)多重監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的效果，以達(dá)到測(cè)試儀器優(yōu)化布置的目的。

3.2 “光纖類+傳統(tǒng)類”組合式布設(shè)方案

光纖類測(cè)試儀器經(jīng)濟(jì)成本高，大體量工程全部采用光纖類測(cè)試儀器并不常見。因此，建議充分發(fā)揮光纖類和傳統(tǒng)類測(cè)試儀器的優(yōu)勢(shì)，在輸水隧洞測(cè)試儀器的布置中可以采用“光纖類+傳統(tǒng)類”組合式方案，即在復(fù)雜監(jiān)測(cè)斷面或重點(diǎn)部位運(yùn)用光纖類測(cè)試儀器，其他輔助斷面運(yùn)用傳統(tǒng)類測(cè)試儀器，或者靈活搭配二者配套使用。采用此類組合式方案，與全部使用傳統(tǒng)類測(cè)試儀器的方案相比較，一方面可以適當(dāng)減少工作量；另一方面，二者數(shù)據(jù)可以相互補(bǔ)充、對(duì)比分析，是一個(gè)可行的測(cè)試儀器布置方法。

4 結(jié) 語(yǔ)

輸水隧洞在調(diào)水工程中發(fā)揮著重要作用，在其結(jié)構(gòu)中安裝測(cè)試儀器是極其必要的?；诋?dāng)前輸水隧洞測(cè)試儀器布設(shè)的現(xiàn)狀，本文提出了兩條優(yōu)化布置建議，通過(guò)對(duì)其優(yōu)化研究分析，可以進(jìn)一步提升隧洞結(jié)構(gòu)測(cè)試儀器布設(shè)的科學(xué)性，對(duì)相關(guān)工程測(cè)試儀器的布設(shè)有一定的參考價(jià)值。

當(dāng)然，輸水隧洞測(cè)試儀器布置的優(yōu)化研究應(yīng)該綜合考慮其涉及到儀器安裝、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等多個(gè)方面，特別是后期海量數(shù)據(jù)的處理方案在測(cè)試儀器布設(shè)之初就重點(diǎn)考慮。本文提出的建議在具體執(zhí)行時(shí)還要做更詳細(xì)、更深入的規(guī)劃，因此，還應(yīng)繼續(xù)研究分析，以得到更優(yōu)的布設(shè)方案，對(duì)輸水隧洞結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更大的工程價(jià)值。

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