渡槽工程結構安全監測方案應用
——以東風渠天宮橋渡槽和黎家溝渡槽為例

馮 颯，白文斌，王靈鴿

(1. 四川省水利科學研究院， 四川 成都 610072;2. 四川省都江堰東風渠管理處， 四川 成都 610057)

國內工程結構安全監測開始于20世紀60年代初，最早是在水工大壩工程方面得到應用[1-3]。近年來，隨著早期建設的渡槽結構逐步進入病害多發及性能退化期，渡槽結構的安全運行和養護管理工作面臨著嚴峻的挑戰。在此背景下，強化渡槽動態運行監管，防范突發安全事故，進一步提升灌區既有渡槽結構安全運行和智能養護管理水平，顯得尤為重要和迫切[4-8]。

通過對四川省都江堰東風渠管理范圍內既有渡槽的調研，發現由于灌區渠系建筑物都為二十世紀五六十年代修建，渡槽普遍存在接近或超過設計使用年限[9-12]。受當時設計施工水平及條件限制，加之多年運行及自然老化影響，與現行標準比較，不符合之處較多。在進行輸水建筑物的技術改造中，需要評價現有渡槽安全性態是否能滿足安全運用要求，進而判定是保留、維修加固或拆除重建。在渡槽工程整體運行現狀及安全評價方面，國內目前尚無統一的標準，也無規范可循，致使渡槽工程改造建設中無法準確判斷工程是需要維修還是拆除重建，僅憑經驗確定工程改造方案，可能會造成決策失誤[12-15]。而新建渡槽完成建設交付使用后，也需要對渡槽的結構穩定性、變形、應力應變及溫度、支護受力等情況進行監測。現在的運行管理一般都交給管理站自行巡查，只能采用目測、巡視的手段。在運行管理和判別工程建筑物質量上要較大的安全隱患。

為了解決這個問題，本文選取四川省都江堰東風渠管理處管轄內的天宮橋渡槽和黎家溝渡槽為研究案例，通過調查分析渡槽現狀及存在的問題，提出與之相應的監測方案，同時研發出渡槽NRS監測與預警云平臺，旨在及時掌控既有渡槽的健康狀態，了解渡槽結構的工作情況。

1 東風渠渡槽工程簡介

東風渠管理處灌區位于成都平原腹心，是都江堰水利工程的重要組成部分，對成都市經濟社會和文化的繁榮作出了巨大貢獻。東風渠灌區位于龍門山與龍泉山之間，西至岷江都江堰至彭山江口段的左岸，北至毗河右岸直抵沱江，東沿龍泉山脈西麓，南抵粵江河兩岸，區域呈三角形。由于東風渠灌區渡槽數量眾多，以下選取兩座典型的渡槽工程(天宮橋渡槽和黎家溝渡槽)進行說明。

1.1 天宮橋渡槽

天宮橋渡槽位于東風渠總干渠49 km+850 m—49 km+895 m，總干渠設計流量60 m3/s，加大流量71 m3/s。天宮橋渡槽由左、右兩個渡槽組成；老渡槽位于右側，槽身類型為矩形鋼筋混凝土簡支梁結構，支承形式為漿砌條石重力墩，實測跨徑組合為5m×6(孔)，進口底板高程為502.040 m，建成時間為1973年。新渡槽位于左側，槽身類型為矩形鋼筋混凝土雙懸臂梁結構，支承形式為重力式墩，實測跨徑組合為6 m+18.5 m+6 m，建成時間為2010年。經現場調查，東風渠天宮橋渡槽現狀見圖1。

1.2 黎家溝渡槽

黎家溝渡槽位于東風渠22 km+751 m—22 km+838 m，由左、右兩個渡槽組成，渡槽間距3.1 m，進、出口由分水魚嘴銜接，進口魚嘴高度3.2 m，出口魚嘴高度3.2 m。左側為舊渡槽，進口段渠底高程495.070 m，出口段渠底高程495.058 m，流量22.1 m3/s，水深2.712 m。渡槽類型為漿砌條石拱式渡槽，整個渡槽共8孔，12 m的大跨4孔，3 m的小跨4孔。槽身長度為87 m，渠底比降1/1300，建成時間為1966年。右側為新渡槽，進口段渠底高程495.327 m，出口段渠底高程495.269 m，流量27.9 m3/s，水深2.98 m。渡槽類型為漿砌條石拱式渡槽，整個渡槽共8孔，12 m的大跨4孔，3 m的小跨4孔，槽身長度為87 m，渠底比降1/1300，建成時間為1977年。東風渠黎家溝渡槽立面、橫斷面布置示意見圖2和圖3，現狀圖見圖4。

圖1 東風渠天宮橋渡槽現狀

圖2 黎家溝渡槽立面布置示意圖(單位：cm)

圖3 黎家溝渡槽橫斷面布置示意圖(單位：cm)

圖4 東風渠黎家溝渡槽現狀

2 東風渠渡槽安全監測方案分析

考慮到20世紀60年代修建的舊渡槽即將拆除或已停止使用，本次主要對20世紀70年代及之后修建的新渡槽實施監測。天宮橋渡槽監測位置為左側新渡槽，跨徑組合為6 m+18.5 m+6 m，2010年建成。黎家溝渡槽監測位置為左側舊渡槽(1966年建成)和右側新渡槽(1977年建成)。在對渡槽進行結構安全風險辨識及評估的基礎上，根據被測渡槽的結構特點、既有缺陷病害(既有同類型渡槽的主要病害情況)和周邊環境條件，對渡槽構(部)件進行易損性、冗余性和可恢復性分析，確定東風渠渡槽結構安全監測需覆蓋的主要項目主要分為荷載與環境、渡槽整體響應和渡槽局部響應三類，具體包括：

(1) 荷載與環境。環境溫度變化將影響渡槽結構內力分布和結構變位。監測橋址處環境溫度及其變化有助于分析和識別渡槽結構內力、變形及動力特性的異常響應。

過水水量是渡槽結構承受的主要活載，是分析結構響應并進行結構安全預警和評估的重要輸入數據。

(2) 結構整體響應。結構響應監測以結構整體響應監測為主，包括墩柱變位、槽身撓度和梁端相對變位。結構局部響應的應變、裂縫、腐蝕等監測為輔。

監測渡槽基礎沉降和下部結構偏斜程度的指標， 反映渡槽基礎和下部結構在周邊環境作用下的整體穩定性等技術狀況。

槽身的撓度反映槽身在恒載、活載下的受力變形狀況，是反映槽身的整體受力狀態和安全裕度的重要指標。

監測槽身相對于支撐墩的水平縱向或橫向變位，是對落梁風險最直接的預警指標，也是評估渡槽整體技術狀況的重要參考。

(3) 結構局部響應。監測槽身橫向局部變形情況，了解槽身在流水壓力作用下的局部變形和穩定情況。

2.1 天宮橋渡槽監測方案

通過現場調查，天宮橋渡槽常年遭受洪水威脅，支撐墩極易發生傾斜變形，如圖5所示。針對渡槽具體情況，并結合渡槽結構安全風險辨識及監測內容要求，提出采用以下監測方案，測點布設方案見圖6。

圖5 天宮橋渡槽受洪水威脅

圖6 天宮橋渡槽(左側新渡槽，2010年建成)測點布設方案(單位: cm)

分析可知，天宮橋渡槽監測內容主要包括槽身水位、結構表面溫度、槽身變形和支撐變位。其中槽身水位采用水位計進行監測，在渡槽中部進行布設水位計一個。結構表面溫度采用大氣溫度計進行監測，儀器同樣布設在渡槽中部。槽身變形和支撐變位均采用靜力水準儀進行監測，槽身變形監測點布設在中跨跨中左、右側各布設1個，而支撐變位監測點布設在兩個支撐墩墩頂處左、右側各布設1個。

2.2 黎家溝渡槽監測方案

通過現場調查，黎家溝渡槽常年遭受洪水威脅，而且渡槽主體結構材料劣化明顯，如圖7所示。針對渡槽當前存在具體問題，并結合渡槽結構安全風險辨識及監測內容要求，提出采用以下監測方案用于黎家溝渡槽的監測，測點布設方案見圖8。分析可知，黎家溝渡槽一共有4跨，渡槽監測內容主要包括槽身水位、環境溫度、拱圈變形和支撐變位。其中槽身水位采用水位計進行監測，右側新渡槽布設1個左側舊渡槽，與右側新渡槽共用。

圖7 黎家溝渡槽主體結構材料劣化及洪水侵蝕

圖8 黎家溝渡槽測點布設方案(單位: cm)

環境溫度采用大氣溫度計監測，右側新渡槽第四孔跨中位置布設1個，左側舊渡槽與右側新渡槽共用。拱圈變形采用靜力水準儀進行監測，右側新渡槽大跨跨中每跨布設1個，左側舊渡槽同右側新渡槽布設要求一致，包括16個傳感器，此外左、右側渡槽各布設基準點1個。而支撐變位主要采用靜力水準儀與傾角計進行監測，其中靜力水準儀監測方案與拱圈變形監測方案完全一致，傾角計主要用于監測支撐墩的傾斜變形，右側新渡槽受水流沖刷的1個支撐墩處各布設1個左側舊渡槽同右側新渡槽布設方案一致，包括2個傳感器。

基于上述監測方案，并結合東風渠灌區實際情況，建立了東風渠渡槽NRS監測與預警云平臺，該平臺可用于渡槽結構安全預警、應急響應、結構安全評估與決策支持等方面。東風渠渡槽安全監測屬于野外安全監測，根據實施方案設計要求和傳感器選型使用了RTU遠程遙測終端和MCU自動采集終端組合對各渡槽觀測儀器進行實時在線監測，設備通過太陽能供電裝置及蓄電池進行電源供給。利用GPRS模塊將測量數據遠程傳輸至云平臺及軟件操作平臺，實現遠程無人值守自動化監測。

東風渠渡槽NRS監測與預警系統包括以下三大模塊：

(1) 傳感器模塊。通過傳感器將各類監測信號轉換為電(光)以及以太網信號。

(2) 數據采集與傳輸模塊。將監測信號轉換為標準以太網數字信號并完成遠程傳輸。

(3) 數據處理與控制模塊。將監測信號進行預處理以及二次處理以向其它子系統提供有效的信息源或力學指標，根據需要設定程序監測并控制監測參數的采集。

由于東風渠渡槽監測尚處于初級階段，因此目前該系統平臺僅納入了4個典型渡槽結構，包含天宮橋渡槽、羅家河渡槽、黎家溝渡槽和雞公嘴渡槽，后續根據工程需要再逐步完善該監測系統，平臺應用界面見圖9。

圖9 東風渠渡槽NRS監測與預警云平臺

3 結 論

針對早期建設的渡槽結構逐步進入病害多發及性能退化期，渡槽結構的安全運行存在各方面的問題，本文以東風渠天宮橋渡槽和黎家溝渡槽為研究案例，首先通過調查分析了渡槽現狀及存在的問題，發現兩個渡槽常年遭受洪水威脅，槽身和支撐出現了不同程度的變形，且渡槽主體結構材料劣化明顯。之后針對渡槽當前運行存在的問題提出了相應的監測方案，用于渡槽結構的安全監測，保障渡槽水工結構的安全運行，同時還研發出東風渠渡槽NRS監測與預警云平臺，便于及時掌控既有渡槽的健康狀態，了解渡槽結構的工作情況。最后，通過一定時間的運行，管理單位可以通過系統及時掌握各項監測數據，了解渡槽的工作性態，驗證了該渡槽結構的監測方案和系統平臺的可靠性，相關研究成果具有一定的推廣價值。