周杰源, 雷路平, 熊浩奇

(湖南省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司, 湖南 長沙 410200)

0 前言

船閘的安全監(jiān)測是一門集船閘、結(jié)構(gòu)、測量、地質(zhì)、水文、氣象、電氣等多學科交叉的邊緣學科。目前，低水頭船閘安全監(jiān)測在水運行業(yè)尚無專門的規(guī)范，監(jiān)測方案需參考《船閘水工建筑物設計規(guī)范》[1]、《水運工程水工建筑物原型監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[2]和水利、電力行業(yè)的其它相關(guān)規(guī)范，而以上規(guī)范的主要適用對象分別為船閘結(jié)構(gòu)設計、海港碼頭結(jié)構(gòu)原型監(jiān)測、水利工程中的大型壩工建筑物和參與擋水的船閘部分結(jié)構(gòu)監(jiān)測，對低水頭船閘考慮存在較多的不足之處。開展對低水頭船閘安全監(jiān)測設計方案的研究，提出適合于湖南省低水頭船閘安全監(jiān)測的實施方案，總結(jié)歸納船閘安全監(jiān)測成功經(jīng)驗，對指導后續(xù)的低水頭船閘建設具有重要意義。

1 低水頭船閘安全風險及現(xiàn)有相關(guān)規(guī)范分析

本研究中低水頭船閘主要指水位差在15 m以下的船閘，其主要工程特點為：含組成壩軸線的結(jié)構(gòu)部分和非壩軸線組成的結(jié)構(gòu)部分。本研究中成壩結(jié)構(gòu)，即組成壩軸線的結(jié)構(gòu)部分，具有水利水電工程攔河壩特征，涉及潰壩風險，結(jié)構(gòu)安全等級高，發(fā)生風險后果嚴重，該部分通常為閘首結(jié)構(gòu)等。非壩結(jié)構(gòu)即非壩軸線組成的結(jié)構(gòu)部分，也具有擋水作用，擋水為過閘需要，擋水落差控制在設計運行范圍內(nèi)，其安全等級與前者存在較大的差異。此外，船閘在上下游水頭和岸坡巖體變形的反復作用下，可能產(chǎn)生順水流向的水平位移或閘門門槽的變形，以致閘門的振動和漏水，也是低水頭船閘所特有的現(xiàn)象。

目前，與低水頭船閘相關(guān)的安全監(jiān)測類技術(shù)規(guī)范、規(guī)程有二十余項[3]，但均存在不足之處。如《水利水電工程安全監(jiān)測設計規(guī)范》[4]要求船閘上游擋水部分(上閘首)監(jiān)測斷面宜與其他擋水壩段監(jiān)測斷面統(tǒng)一考慮和布置，其他擋水壩段可以理解為大壩擋水線上結(jié)構(gòu)，而隨著低水頭船閘布置方案的不斷優(yōu)化，部分船閘的上閘首和上游結(jié)構(gòu)并非大壩擋水線所在。如某二線船閘布置中由于下游改擴建場地有限，擋水線布置在下閘首，重點監(jiān)測斷面不能直接套用規(guī)范進行布置。另外，規(guī)范要求船閘應進行垂直位移監(jiān)測，垂直位移測點布置在閘首和閘墻頂部，每一閘首邊墩和閘墻塊宜布置至少1個垂直位移測點。該要求是針對船閘全面變形監(jiān)測所提出，但高等級船閘閘首閘室形體較大，結(jié)構(gòu)內(nèi)變形不能直接忽略，則該布置要求偏弱，布置測點數(shù)量偏少。而樞紐等級和船閘等級均較低時產(chǎn)生危害小，觀測要求的降低未有提及。

綜上，現(xiàn)有相關(guān)船閘安全監(jiān)測規(guī)范對于低水頭船閘安全監(jiān)測的實際布置和要求并不細致，局部存在不適宜。低水頭船閘安全監(jiān)測關(guān)鍵在于針對船閘的實際結(jié)構(gòu)布置和受力特點，按照不同監(jiān)測目標等級的需求，細化監(jiān)測要求和布置，形成具有安全可靠、運行高效、經(jīng)濟實用的低水頭安全監(jiān)測技術(shù)要求體系。

2 低水頭船閘工程安全監(jiān)測布置原則

低水頭船閘工程安全監(jiān)測除需滿足一般安全監(jiān)測布置要求外，還應該：①監(jiān)測標準盡量分層細化，應結(jié)合結(jié)構(gòu)等級、結(jié)構(gòu)功能特點，將其分為重要部位監(jiān)測和正常監(jiān)測等。②監(jiān)測項目應結(jié)合一般性和專門性監(jiān)測的需要進行布置，一般性檢測應設置最低要求，其他專門性監(jiān)測則根據(jù)工程實際布置，總體上應滿足：關(guān)鍵部位把握到位，重點區(qū)域監(jiān)測全面，整體情況掌控有力。

3 低水頭船閘安全監(jiān)測項目設置

結(jié)合前文分析，充分吸收低水頭船閘實踐經(jīng)驗、結(jié)合相關(guān)已有研究成果[5]，優(yōu)化船閘安全監(jiān)測項目分類(見表1)，其中未考慮強震監(jiān)測。

表1 船閘安全監(jiān)測項目設置分類序號監(jiān)測項目建筑物級別及項目設置123451垂直位移★★★☆☆2水平位移★★☆ 一般性監(jiān)測3水位★★☆☆☆4滲流★★☆☆☆5溫度監(jiān)測★☆☆ 1基巖變位★☆☆ 2應力應變★☆☆ 專門性監(jiān)測3土壓力★★☆ 4接縫監(jiān)測★☆☆5裂縫監(jiān)測★☆☆ 注: ★為必設項目,☆為可選項目。

表1與現(xiàn)有規(guī)范的主要不同之處如下：

1)增加了4級和5級船閘的安全監(jiān)測項目。有別于水電規(guī)范，本文依據(jù)《渠化工程樞紐總體設計規(guī)范》劃分為5級，有利于項目設置時綜合考慮水電擋水線的強制要求以及航道建設需求，對各結(jié)構(gòu)部位進行科學精準細分，避免了水電規(guī)范對船閘的籠統(tǒng)處理。

2)按照一般性監(jiān)測和專門性監(jiān)測進行分類。其中一般性監(jiān)測是針對施工質(zhì)量和工程安全運行需要的基本監(jiān)測內(nèi)容，專門性監(jiān)測是指針對實施或運行中可能的關(guān)鍵風險進行監(jiān)控。船閘的一般性監(jiān)測應作為最低要求，建議規(guī)范予以細化明確；其他應結(jié)合可能發(fā)生的不利情況進行具有針對性的專門監(jiān)測，該部分建議不做硬性約束。

3)增加了水位和土壓力等監(jiān)測項目。水位是船閘運行的重要參數(shù)，因其對于結(jié)構(gòu)安全預警和電子控制閘門開啟等運行調(diào)度均是不可或缺的參數(shù)。在低等級的船閘運行中，閘門多為人工現(xiàn)場控制，增加該項效果有限，因此列為可選項目。土壓力監(jiān)測主要側(cè)重于得到船閘結(jié)構(gòu)的受力情況，包括墻后壓力和基地反力的監(jiān)測。

4)監(jiān)測選項有所優(yōu)化。在結(jié)構(gòu)縫和溫度監(jiān)測中，結(jié)構(gòu)縫的安全不一定必選通過接縫開合度進行監(jiān)測，也可在變形監(jiān)測中實現(xiàn)；且船閘相對于壩軸線來說，可視為橫斷面巨大的結(jié)構(gòu)，安全可靠度較高，若有開縫，還可從滲流和墻后水位上進行監(jiān)測，補救的余地較大。因此，實踐中進行普遍的接縫開合度監(jiān)測價值并不大。結(jié)合實際經(jīng)驗，對大型橋梁與船閘聯(lián)合布置監(jiān)測可能產(chǎn)生的擾動，開縫監(jiān)測是較好的選擇?？傮w來看，表1中專門性監(jiān)測項目相對于水電規(guī)范大幅設置成了可選設置，因?qū)ｉT性監(jiān)測項目本身具有工程特殊性，盲目設置為必選設置不符合規(guī)范的科學約束原則。

4 大源渡二線船閘安全監(jiān)測布置

大源渡二線船閘主要建筑物(閘首、閘室)為3級，次要建筑物(導航、靠船、隔水建筑物、護坡)為4級，臨時建筑物為5級。二線船閘工程采用單級船閘，有效尺度：180 m×34 m×4.5 m(長×寬×門檻水深)。新建二線船閘位于一線船閘右側(cè)，新建船閘軸線與原有一線船閘軸線平行布置，距離100 m，下閘首齊平。二線船閘為單向水頭，最大水頭差為10.5 m。

根據(jù)表1安全監(jiān)測項目，結(jié)合大源渡二線船閘各部位等級，以及局部布置和結(jié)構(gòu)上對施工和運營的特殊性，選擇安全監(jiān)測項目如表2。

從表1可知，3級建筑物可只設置垂直位移監(jiān)測。但結(jié)合本工程特點，除布置垂直位移監(jiān)測外，還包含了其他一般性監(jiān)測和專門性監(jiān)測，具體說明如下：

表2 大源渡二線船閘安全監(jiān)測項目設置分類序號監(jiān)測項目整體上閘首下閘首和閘室次要建筑物1垂直位移▲▲▲▲2水平位移▲▲▲▲一般性監(jiān)測3水位▲▲4滲流▲▲▲▲5溫度監(jiān)測▲▲1基巖變位▲▲▲專門性監(jiān)測2應力應變▲▲▲▲3土壓力▲▲4接縫監(jiān)測▲▲ 注:▲為需設置監(jiān)測的項目。

1)大源渡二線船閘采用半自動運行系統(tǒng)，閘門開啟等需要水位數(shù)據(jù)支持，上下游和閘室內(nèi)水位監(jiān)測有效集成于安全運行系統(tǒng)。

2)由于一、二線船閘緊鄰的位置關(guān)系，要在保護已有一線船閘安全運行的狀況下施工完成二線船閘，對于一、二線船閘的施工監(jiān)測均具有較大挑戰(zhàn)，因此專門加密布置了如垂直位移、水平位移和土壓力等監(jiān)測點。

3)通常水位和滲流在較為簡單的低水頭船閘滲流(滲徑簡單)監(jiān)測上具有可替代性，但是本研究考慮到二線船閘布置在兩汊河流中間的中州島上，滲徑較短(最短處不足100 m)，尤其是在破開原有擋水線到新?lián)跛€完全形成的施工期間，砂卵石地層特性的船閘開挖、帷幕和擋水線接口的處理非常關(guān)鍵，處理不到位則可能導致滲流破壞，因此對滲流進行主動積極監(jiān)測成為現(xiàn)場控制和運營安全的共同需求。

4)該項目大體積混凝土施工工期避不開高溫炎熱夏季，因此針對大體積的船閘上閘首進行溫度和應力應變專項監(jiān)測，便于施工質(zhì)量的控制。

5)上下游輔導航墻的超高雙排樁擋墻(擋土高度19.8 m)是設計難度高、受力偏大的結(jié)構(gòu)，因此在上下游輔導航墻集中受理處布置了應力應變監(jiān)測。

6)跨船閘橋橫跨閘室過河，樁基在閘室中部穿越，結(jié)合布置特點進行了專門性監(jiān)測，選取周邊結(jié)構(gòu)段布置接縫監(jiān)測。

目前大源渡二線船閘安全監(jiān)測系統(tǒng)已有效運行，從實踐效果來看，按照表2進行監(jiān)測項目布置，既可層次清晰地了解監(jiān)測項目布置，也有利于監(jiān)測數(shù)據(jù)的集成處理，可以較好地指導低水頭船閘安全監(jiān)測布置。此外，一般性監(jiān)測側(cè)重于較為普遍的監(jiān)測項目，而專門性監(jiān)測雖然為可選項目，但需結(jié)合項目實際特征，對影響結(jié)構(gòu)安全、可能帶來巨大損失、突破常規(guī)的布置和結(jié)構(gòu)等情況進行重點布置。專門性監(jiān)測和一般性監(jiān)測應有機結(jié)合、系統(tǒng)統(tǒng)一;新建或者改擴建項目的監(jiān)測應與已有監(jiān)測系統(tǒng)協(xié)調(diào)統(tǒng)一，數(shù)據(jù)聯(lián)動共享。

5 結(jié)語

1) 低水頭船閘安全監(jiān)測設置方案要求既有別于直接將船閘作為大壩擋水線構(gòu)成的水利水電工程監(jiān)測規(guī)范要求，也有別于較為簡單的船閘水工建筑物原型監(jiān)測要求。本文對相關(guān)規(guī)范進行了分析，對規(guī)范的適應性和約束性進行了梳理。

2) 低水頭船閘主要包括成壩和非壩結(jié)構(gòu)兩部分。成壩結(jié)構(gòu)具有水利水電工程攔河壩特征，結(jié)構(gòu)安全需引起高度重視；非壩結(jié)構(gòu)主要承擔船閘閘室內(nèi)外水頭，擋水落差可控制在設計運行范圍內(nèi)。此外，在上下游水頭和岸坡巖體變形的反復作用下，可能產(chǎn)生順水流向的水平位移或門槽的變形，導致閘門振動和漏水。

3) 監(jiān)測項目建議按照一般性和專門性監(jiān)測的需要進行設置。低水頭船閘不建議船閘整體按照一個級別進行安全監(jiān)測布置，應細化各部位的建筑物級別，結(jié)合項目特點以及各部位功能和安全需求，按照表1進行安全監(jiān)測項目的選擇。

大源渡二線船閘安全監(jiān)測項目的成功布置驗證了本文提出的低水頭船閘安全監(jiān)測設置方案的科學合理性。低水頭船閘安全監(jiān)測項目設置表和大源渡二線船閘安全監(jiān)測實踐經(jīng)驗可供同類項目借鑒。