胡國安
(安徽省水利水電勘測設(shè)計(jì)院研究總院有限公司,安徽 合肥 230088)
引江濟(jì)淮工程是2014年5月國務(wù)院第48次常務(wù)會(huì)議要求加快推進(jìn)的172項(xiàng)節(jié)水供水重大水利工程之一。引江濟(jì)淮工程共分為三段:引江濟(jì)巢、江淮溝通、江水北送,其中引江濟(jì)淮江淮溝通段按滿足航運(yùn)功能要求進(jìn)行設(shè)計(jì),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(shí)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(jì)淮線路江淮溝通段,地處安徽省合肥市肥西縣境內(nèi),進(jìn)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(yùn),是引江濟(jì)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(jìn)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(tái)機(jī)組作一列式布置,采用肘型進(jìn)水流道,直管式出水流道。泵站設(shè)計(jì)流量340 m3/s,設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程12.7 m。水泵型號(hào)為3430HLQ-40,配套電機(jī)型號(hào)為TL7500-48,單機(jī)功率7 500 kW,共裝機(jī)組8臺(tái)套,總裝機(jī)容量60 000 kW。
引江濟(jì)淮工程蜀山泵站安全監(jiān)測設(shè)計(jì)以監(jiān)測各類建筑物在施工期、蓄水期和運(yùn)行期的安全為主要目的,同時(shí)兼顧反饋設(shè)計(jì)、優(yōu)化施工等需要。
首先,通過對(duì)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(shí)進(jìn)行分析處理,對(duì)建筑物的穩(wěn)定性、安全度作出評(píng)價(jià),及時(shí)發(fā)現(xiàn)各效應(yīng)量異常現(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(yùn)行情況及安全監(jiān)測提供的有效數(shù)據(jù),檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及施工質(zhì)量是否滿足設(shè)計(jì)要求,從而改進(jìn)和完善施工方法和措施,優(yōu)化和完善設(shè)計(jì),同時(shí)為工程的運(yùn)行提供指導(dǎo),以達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)、指導(dǎo)施工、調(diào)控運(yùn)行的目的,確保工程全生命周期的安全穩(wěn)定。
針對(duì)蜀山泵站的工程特點(diǎn),參考相關(guān)規(guī)范要求,本工程安全檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(yùn)行期工程安全評(píng)價(jià)的要求。
(2)突出重點(diǎn)。將建筑物及基礎(chǔ)作為整體來考慮,監(jiān)測的重點(diǎn)放在兩個(gè)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(jìn)。
(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(shí)行自動(dòng)化采集。
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(yáng)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。
蜀山泵站主要建筑物包括引水渠、進(jìn)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(qiáng)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(diǎn),決定在進(jìn)水閘布置3個(gè)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(gè)、3#~5#孔塊體1個(gè)、6#~8#孔聯(lián)合塊體1個(gè)),泵房及泄水閘段共布置3個(gè)順流向監(jiān)測斷面(泄水閘閘室1個(gè),泵房1#~2#孔聯(lián)合塊體1個(gè),3#~4#孔聯(lián)合塊體1個(gè)),出口控制段布置3個(gè)順流向監(jiān)測斷面(泄水閘控制段中部1個(gè),泵站控制段1#~2#孔聯(lián)合塊體1個(gè)、3#~4#孔聯(lián)合塊體1個(gè)),前池段和出口翼墻各布置1個(gè)垂直流向監(jiān)測斷面。
4.2.1 水位監(jiān)測
在泵站前池段和出水渠段水流相對(duì)較平穩(wěn)的位置各布設(shè)1組水尺,為實(shí)現(xiàn)水位自動(dòng)化監(jiān)測,在水尺附近位置各布設(shè)1支水位計(jì)。根據(jù)泄水閘和泵站的相對(duì)位置關(guān)系,泄水閘進(jìn)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(jì)或水尺。共布設(shè)水尺2組、水位計(jì)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(cuò)動(dòng)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(jì)情況,在進(jìn)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(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)(圖2),在擋墻的各塊體中部布設(shè)1個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)。共布設(shè)水準(zhǔn)點(diǎn)105個(gè)。
圖2 水準(zhǔn)點(diǎn)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(gè)結(jié)構(gòu)塊體上游側(cè)的水準(zhǔn)點(diǎn)旁各布設(shè)1個(gè)靜力水準(zhǔn)測點(diǎn),以實(shí)現(xiàn)泵房段沉降變形的自動(dòng)化監(jiān)測。將該條靜力水準(zhǔn)測線延伸至右岸平臺(tái),在該平臺(tái)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(diǎn)。該雙金屬標(biāo)同時(shí)兼作泵站水準(zhǔn)觀測的工作基點(diǎn)。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(diǎn)旁各布設(shè)1個(gè)靜力水準(zhǔn)測點(diǎn),以實(shí)現(xiàn)泄水閘沉降變形的自動(dòng)化監(jiān)測,共布設(shè)靜力水準(zhǔn)測點(diǎn)12個(gè)、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(jì),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(jì)24支,鉆孔約240 m。
(2) 水平位移監(jiān)測。在進(jìn)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(gè)結(jié)構(gòu)塊體頂部各布設(shè)1~2個(gè)視準(zhǔn)線測點(diǎn),兩岸延長線上選擇穩(wěn)定安全處各布設(shè)1個(gè)視準(zhǔn)線工作基點(diǎn)和校核基點(diǎn)。共布設(shè)視準(zhǔn)線測點(diǎn)22個(gè)、視準(zhǔn)線工作基點(diǎn)4個(gè)、校核基點(diǎn)4個(gè)(圖3)。
圖3 工作基點(diǎn)、校核基點(diǎn)簡圖
在泵房段2個(gè)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(shí)現(xiàn)各塊體的水平位移(傾斜)的自動(dòng)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(dòng)式測斜儀進(jìn)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(cuò)動(dòng)監(jiān)測。在進(jìn)水閘的3個(gè)監(jiān)測斷面、泵房及泄水閘閘室段3個(gè)監(jiān)測斷面和出口控制段3個(gè)監(jiān)測斷面上,每個(gè)斷面上下游側(cè)結(jié)構(gòu)分縫處各埋設(shè)1支位錯(cuò)計(jì),以監(jiān)測與相鄰塊體間的錯(cuò)動(dòng)(不均勻沉降)變形情況。共布設(shè)位錯(cuò)計(jì)15支(圖4)。
圖4 位錯(cuò)計(jì)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(jì)6支,以實(shí)現(xiàn)站身繞滲監(jiān)測自動(dòng)化。
4.2.4 基礎(chǔ)揚(yáng)壓力和地基反力監(jiān)測
在進(jìn)水閘的3個(gè)監(jiān)測斷面、泵房及泄水閘閘室段3個(gè)監(jiān)測斷面和出口控制段3個(gè)監(jiān)測斷面上,每個(gè)斷面的基礎(chǔ)結(jié)合部位順流向各埋設(shè)1支滲壓計(jì)(圖5)和1支土壓力計(jì)(圖6),在泵房及泄水閘閘室段3個(gè)監(jiān)測斷面順?biāo)飨蛑胁扛髀裨O(shè)1支滲壓計(jì)和1支土壓力計(jì),以監(jiān)測上部結(jié)構(gòu)所受地基反力和揚(yáng)壓力情況。共布設(shè)滲壓計(jì)18支、土壓力計(jì)18支。
圖5 滲壓計(jì)埋設(shè)圖
圖6 土壓力計(jì)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(diǎn),分別在底板、扶壁和邊墻中下部布設(shè)鋼筋計(jì),以監(jiān)測主受力鋼筋的鋼筋應(yīng)力情況,共布設(shè)鋼筋計(jì)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(jì)和3支滲壓計(jì),以監(jiān)測墻體所受外部荷載作用情況,共布設(shè)土壓力計(jì)12支和滲壓計(jì)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(gè)水流平順位置布設(shè)1套多普勒流量計(jì),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(yùn)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(shí)提出補(bǔ)救措施是人工巡視檢查的主要任務(wù)。
滲壓計(jì)、工藝力計(jì)、沉降計(jì)、位錯(cuò)計(jì)的安裝位置見表1~表4。
表1 滲壓計(jì)安裝位置表
表2 土壓力計(jì)安裝位置表
表3 沉降計(jì)安裝位置表
表4 位錯(cuò)計(jì)安裝位置表
巡視檢查應(yīng)定期由熟悉工程且具有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)技術(shù)人員負(fù)責(zé)進(jìn)行,主要分為施工期人工巡視檢查和運(yùn)行期人工巡視檢查,其中施工期每周檢查1次,運(yùn)行初期每周檢查1~2次,隨工程運(yùn)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。
根據(jù)蜀山泵站的工程特點(diǎn)和監(jiān)測項(xiàng)目,建立自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(chǔ)存及數(shù)據(jù)分析等功能。自動(dòng)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(jì)算機(jī)等組成。
圖7 自動(dòng)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(dòng)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(jì)算機(jī)、繪圖機(jī)、打印機(jī)、報(bào)警器、備用電源燈設(shè)備。主要功能為:①通過MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)采集;②對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查;③存儲(chǔ)數(shù)據(jù),建立檔案;④對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和評(píng)價(jià);⑤打印、繪圖;⑥為全線自動(dòng)化設(shè)置接口。
自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)早于工程運(yùn)行之前建立并投入使用,以便于獲得工程運(yùn)行初期的監(jiān)測數(shù)據(jù)資料。
工程安全監(jiān)測是工程設(shè)計(jì)、工程施工及運(yùn)行不可缺少的重要組成部分,引江濟(jì)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(gè)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(yùn)行中的實(shí)際情況,驗(yàn)證工程的設(shè)計(jì),同時(shí)工程安全監(jiān)測也為工程施工、運(yùn)行安全及工程管理打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),確保了工程生命周期的安全穩(wěn)定。