引江濟(jì)淮工程蜀山泵站安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

胡國(guó)安

(安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院研究總院有限公司，安徽 合肥 230088)

1 工程概況

引江濟(jì)淮工程是2014年5月國(guó)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(shì)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T(mén)L7500-48，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。

2 安全監(jiān)測(cè)的目的

引江濟(jì)淮工程蜀山泵站安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)以監(jiān)測(cè)各類(lèi)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(guò)對(duì)各類(lèi)建筑物整體狀態(tài)全過(guò)程的持續(xù)監(jiān)測(cè)，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(guò)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(mén)的處理決策提供參考依據(jù)。

其次，通過(guò)建筑物在各階段的運(yùn)行情況及安全監(jiān)測(cè)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。

3 安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)原則

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(cè)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(cè)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(lái)考慮，監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)放在兩個(gè)效應(yīng)量，即變形和滲流，監(jiān)測(cè)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(cè)儀器設(shè)備必須滿足本工程量測(cè)精度的要求，且性能可靠、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、操作簡(jiǎn)便、技術(shù)先進(jìn)。

(4)儀器觀測(cè)和人工巡視檢查相結(jié)合，缺一不可。

(5)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)行自動(dòng)化采集。

4 安全檢測(cè)設(shè)計(jì)內(nèi)容

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(cè)、垂直位移和不均勻沉降監(jiān)測(cè)、水平位移和傾斜監(jiān)測(cè)、基礎(chǔ)揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)、地基反力監(jiān)測(cè)、泵站流量監(jiān)測(cè)、人工巡視檢查等。

4.1 監(jiān)測(cè)斷面的選擇

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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)斷面。

4.2 監(jiān)測(cè)設(shè)施的布置

4.2.1 水位監(jiān)測(cè)

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(cè)，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(wú)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(cè)

變形監(jiān)測(cè)包括建筑的垂直位移、水平位移、相鄰塊體錯(cuò)動(dòng)監(jiān)測(cè)。

(1)垂直位移監(jiān)測(cè)。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(cè)。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(jiǎn)圖

為監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)泵房段沉降變形的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。將該條靜力水準(zhǔn)測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)泄水閘沉降變形的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，共布設(shè)靜力水準(zhǔn)測(cè)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(cè)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(cè)。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(guò)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(cè)點(diǎn)，兩岸延長(zhǎng)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(cè)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(jiǎn)圖

在泵房段2個(gè)塊體中部的監(jiān)測(cè)斷面上，分別于閘墩內(nèi)各埋設(shè)1根測(cè)斜管，每根管內(nèi)各安裝5支固定式測(cè)斜儀，以實(shí)現(xiàn)各塊體的水平位移(傾斜)的自動(dòng)化觀測(cè)，共需布設(shè)固定式測(cè)斜儀10支，測(cè)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(cè)斷面上，分別于兩側(cè)翼墻內(nèi)各埋設(shè)1根測(cè)斜管，以監(jiān)測(cè)兩側(cè)翼墻的傾斜變形情況，該測(cè)斜管采用活動(dòng)式測(cè)斜儀進(jìn)行觀測(cè)，共布設(shè)測(cè)斜管4根，測(cè)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)。基礎(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(cè)。在進(jìn)水閘的3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面、泵房及泄水閘閘室段3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面和出口控制段3個(gè)監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)

在站身段左右兩岸結(jié)合部位各埋設(shè)3根測(cè)壓管，以監(jiān)測(cè)繞站身滲流情況，共布設(shè)測(cè)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(cè)自動(dòng)化。

4.2.4 基礎(chǔ)揚(yáng)壓力和地基反力監(jiān)測(cè)

在進(jìn)水閘的3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面、泵房及泄水閘閘室段3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面和出口控制段3個(gè)監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)

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(cè)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(cè)

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(cè)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(cè)

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(cè)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(cè)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(wèn)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(jiàn)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(zhuān)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。

4.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)化

根據(jù)蜀山泵站的工程特點(diǎn)和監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，建立自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)(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(cè)系統(tǒng)主要有監(jiān)測(cè)儀器傳感器、電纜、測(cè)量控制單元(MCU)、專(zhuān)用軟件和監(jiān)控計(jì)算機(jī)等組成。

圖7 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

為了便于觀測(cè)、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(cè)站。監(jiān)測(cè)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(guò)MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；②對(duì)監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)數(shù)據(jù)資料。

5 結(jié)束語(yǔ)

工程安全監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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。