濟(jì)南宋莊樞紐閘變形監(jiān)測及初步分析

胡方濤，范海濤，章思亮，周林孟，張傳峰

（山東省水利勘測設(shè)計院有限公司,山東 濟(jì)南 250014）

1 工程背景

水閘是水工建筑物的重要組成部分,變形監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠綜合反應(yīng)水閘工作的狀況,對水閘運(yùn)行安全預(yù)警發(fā)揮關(guān)鍵作用[1-3]。臘山分洪工程是濟(jì)南市小清河干流治理的關(guān)鍵工程和城市防洪體系建設(shè)的重要內(nèi)容。工程全長16.85 km,上游段臘山分洪道7.85 km,建有中型水閘宋莊閘。宋莊閘：位于臘山分洪道樁號K7+165～K7+385,主要由上游河道段、鋪蓋段、閘室段、消力池段、海漫段等組成,共6 孔,每孔凈寬10 m,閘室長17.5 m,閘底板高程高于渠底20 cm,為28.81 m?，F(xiàn)為保障水閘安全運(yùn)行,需對水閘進(jìn)行變形情況的監(jiān)測工作。通過對水閘建立基準(zhǔn)網(wǎng)及監(jiān)測網(wǎng),并在主汛期前、主汛期中和汛后分別對基準(zhǔn)網(wǎng)和監(jiān)測網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)測,對水閘在每個階段進(jìn)行監(jiān)測,尤其是對不均勻變化狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測,當(dāng)出現(xiàn)異?；蛭ｋU狀態(tài)時進(jìn)行及時預(yù)警,為水閘安全運(yùn)行提供重要的科學(xué)依據(jù)[4]。

2 變形監(jiān)測網(wǎng)布設(shè)設(shè)計方案

變形監(jiān)測網(wǎng)由基準(zhǔn)網(wǎng)及監(jiān)測網(wǎng)構(gòu)成。監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)分為兩部分：

（1）平面基準(zhǔn)網(wǎng)：用于水平位移監(jiān)測及平面控制基準(zhǔn)；

（2）水準(zhǔn)基準(zhǔn)網(wǎng)：與平面基準(zhǔn)點共用,用于各垂直位移監(jiān)測（即沉降監(jiān)測）的高程控制基準(zhǔn)。

根據(jù)現(xiàn)場踏勘,根據(jù)基準(zhǔn)點布設(shè)原則及要求,在宋莊閘監(jiān)測區(qū)域設(shè)置有4 個平高基準(zhǔn)點,編號：SZZ01-SZZ04；14個變形監(jiān)測點,編號：SD1-SD14。在遠(yuǎn)離監(jiān)測區(qū)埋設(shè)兩個校正控制點,編號：SZZ05、SZZ06 用于驗證控制網(wǎng)是否發(fā)生自身變形。水準(zhǔn)控制點與平面控制點共用,點的形式和埋設(shè)參考變形監(jiān)測觀測墩的要求進(jìn)行。

變形監(jiān)測點選址過程中充分考慮變形監(jiān)測網(wǎng)的堅強(qiáng)性、符合測量要求、長期保存、水準(zhǔn)路線布設(shè)的合理性、平面變形觀測的可通視性、點位準(zhǔn)確反應(yīng)建筑物的變形等因素,綜合考慮選擇進(jìn)行監(jiān)測點位的最優(yōu)選擇確址[5]。

基準(zhǔn)點及監(jiān)測點示意圖見圖1、圖2。

圖1 基準(zhǔn)點示意圖

圖2 監(jiān)測點示意圖

現(xiàn)宋莊閘基準(zhǔn)點及監(jiān)測點點位布置情況見圖3。

圖3 宋莊閘基準(zhǔn)點及監(jiān)測點點位布置圖

表1 基準(zhǔn)點及監(jiān)測點布設(shè)統(tǒng)計

3 變形監(jiān)測

監(jiān)測網(wǎng)數(shù)據(jù)資料：根據(jù)基準(zhǔn)網(wǎng)技術(shù)要求,對基準(zhǔn)點的平面控制采用衛(wèi)星定位靜態(tài)作業(yè)模式以二等控制網(wǎng)測量,高程控制網(wǎng)使用數(shù)字水準(zhǔn)儀以二等水準(zhǔn)網(wǎng)進(jìn)行測量。

平面控制網(wǎng)：本文中需要觀測的6 個基準(zhǔn)點（其中4 個監(jiān)測區(qū)域基準(zhǔn)點、2 個遠(yuǎn)離監(jiān)測區(qū)域校正控制點）頂端均帶有強(qiáng)制對中基座,將GNSS 接收機(jī)置于強(qiáng)制對中基座上進(jìn)行GNSS 二等控制網(wǎng)靜態(tài)平面測量,進(jìn)行GNSS 網(wǎng)解算、網(wǎng)平差獲得測區(qū)內(nèi)每個基準(zhǔn)點的平面坐標(biāo)。

高程控制網(wǎng)：建管局提供了BM 水準(zhǔn)控制點高程,由6個基準(zhǔn)點及BM 水準(zhǔn)控制點共7 個點形成一條閉合路線,由水準(zhǔn)控制點開始進(jìn)行二等水準(zhǔn)測量,平差處理,獲得監(jiān)測區(qū)每個高程基準(zhǔn)點的高程。

變形監(jiān)測點平面測量：在平高基準(zhǔn)點架設(shè)全站儀及后視棱鏡,變形監(jiān)測點架設(shè)目標(biāo)棱鏡,按照全圓方向觀測法進(jìn)行平面坐標(biāo)的測量。所有變形監(jiān)測點按照等精度的方法進(jìn)行兩次獨立觀測,兩次測量結(jié)果互差不大于兩倍中誤差即符合測量要求,取兩次測量平均值作為變形監(jiān)測點平面坐標(biāo)值。

變形監(jiān)測點高程測量：水閘上高程監(jiān)測點由水準(zhǔn)基準(zhǔn)點起測,按照國家二等水準(zhǔn)測量的要求進(jìn)行單程往返測的方法進(jìn)行觀測,平差處理,獲得水閘上每個高程監(jiān)測點的高程。

4 監(jiān)測成果的分析研究

4.1 變形監(jiān)測基準(zhǔn)點的穩(wěn)定性分析

2021年7月15日、8月5日、9月25日（汛期前、中、后）對變形基準(zhǔn)網(wǎng)進(jìn)行平面和高程觀測。以第一次觀測為基準(zhǔn),二三次觀測與第一次對比進(jìn)行基準(zhǔn)點平面位移和垂直位移數(shù)據(jù)分析。

表2 基準(zhǔn)點水平位移匯總表

表3 基準(zhǔn)點垂直位移匯總表

由上表可知水平、垂直位移各個監(jiān)測點的詳細(xì)變形數(shù)據(jù),可以得出,水平、垂直位移變化規(guī)律主要特征有：

（1）水平變形處于彈性穩(wěn)定狀態(tài),范圍在0.10 mm～4.70 mm 之間,X 方向上變形范圍-0.1 mm～-3.2 m 之間,Y 方向上變形范圍-0.1 mm～-3.4 mm 之間。垂直位移處于穩(wěn)定狀態(tài),范圍在0.01 mm～-1.12 mm 之間,變化速率在0.0 mm/d～-0.02 mm/d。

（2）根據(jù)變形監(jiān)測結(jié)果對比顯示,X 方向上變形較大的點為SZZ06 基準(zhǔn)點,偏移量為-3.4 mm；Y 方向上變形較大的點為SZZ06 號基準(zhǔn)點,其偏移量為3.2 mm,垂直位移最大的點為SZZ06 基準(zhǔn)點,變化量為-1.28 mm,最小的點為SZZ01基準(zhǔn)點,變化量為0.01 mm。由于基準(zhǔn)點布設(shè)在河道邊坡,使其受周期性水位的影響和車輛等其它動荷載影響,隨河道邊坡的移動而產(chǎn)生變形,水平位移結(jié)合垂直位移監(jiān)測,差距微小,綜合儀器本身系統(tǒng)誤差,基準(zhǔn)網(wǎng)在此監(jiān)測階段運(yùn)行穩(wěn)定,符合觀測要求。

4.2 監(jiān)測點觀測數(shù)據(jù)分析

2021年7月15日、8月5日、9月25日、10月27日對變形監(jiān)測網(wǎng)進(jìn)行平面和高程觀測。以第一次觀測為基準(zhǔn),二三四次觀測與第一次對比進(jìn)行監(jiān)測點平面位移和高程沉降數(shù)據(jù)分析。

3.2.1 垂直位移數(shù)據(jù)分析

表4 宋莊閘監(jiān)測點垂直位移匯總表

圖4 宋莊閘監(jiān)測點垂直位移變化曲線圖

由上表和圖可知垂直位移各個監(jiān)測點的詳細(xì)變形曲線和數(shù)據(jù),從變化圖中可以得出,垂直位移變化規(guī)律主要特征有：

（1）變形處于穩(wěn)定狀態(tài),范圍在0.87 mm～2.11 mm 之間,變化速率在0.008 mm/d～0.020 mm/d 之間,變化均勻。

（2）垂直位移觀測數(shù)據(jù)能客觀反應(yīng)水閘基底滲流、地基對水閘沉降的影響。水閘運(yùn)行主要是兩種工況,非汛期地下水位較低（揚(yáng)壓力很小）和汛期地下水位高（揚(yáng)壓力較大）。水閘位移量受滲流影響明顯,汛期有上浮,非汛期明顯下沉。

（3）水閘各個測點的垂直位移以下沉為主,下沉距離在水閘允許沉降量范圍之內(nèi),閘基經(jīng)過多次行洪無明顯沉降,運(yùn)行穩(wěn)定。

表5 宋莊閘監(jiān)測點水平位移匯總表

3.2.1 水平位移數(shù)據(jù)分析

圖5 宋莊閘監(jiān)測點水平位移變化曲線圖

由上表和圖可知水平位移各個監(jiān)測點的詳細(xì)變形曲線和數(shù)據(jù),從變化圖中可以得出,水平位移變化規(guī)律主要特征有：

（1）變形處于穩(wěn)定狀態(tài),范圍在1.10 mm～1.90 mm 之間,變化均勻。

（2）宋莊閘在汛期之前和汛期之后的水平位移變化規(guī)律明顯。閘前水位對水閘水平位移量影響比較顯著,在枯水期,閘前水位較低,水平水壓力較小；而到了汛期水位波動頻敏,水平推力較大。分洪閘水平位移量受閘前水流影響明顯,非汛期有上移,汛期明顯下移。

（3）從觀測資料分析,整個節(jié)制閘水平位移變化比較均勻,沒有明顯的水平角,水閘經(jīng)過多次行洪無明顯變化,運(yùn)行穩(wěn)定。

5 結(jié)束語

（1）通過建立水閘監(jiān)測網(wǎng),通過對監(jiān)測點的變化量及差異情況進(jìn)行分析水閘的變形情況。監(jiān)測結(jié)果表明,水閘垂直位移在0.87 mm～2.11 mm 之間,變化速率在0.008 mm/d～0.020 mm/d 之間,水平位移范圍在1.10 mm～1.90 mm 之間,水閘變形在允許范圍之內(nèi),運(yùn)行穩(wěn)定。

（2）結(jié)合汛期及水閘變形情況,水閘變形趨勢與水位密切相關(guān),結(jié)合水文資料進(jìn)行分析總結(jié),找出更為詳盡的與水文相關(guān)的變化規(guī)律。

（3）水閘大壩變形監(jiān)測需長年進(jìn)行,自動化監(jiān)測成為發(fā)展重要趨勢,對變形監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的分析總結(jié),建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與預(yù)警,為水閘安全運(yùn)行提供重要的科學(xué)依據(jù)。