淺談供水工程安全監測設計布置

常植浩

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣州 510170)

0 引 言

供水工程的主要目的是解決區域內淡水資源緊缺、滿足沿途生活及工業用水需求、提高供水保障能力、實現水資源合理利用。安全監測主要目的是通過對建筑物進行監測、對資料進行分析，以及時掌握建筑物在施工期和運行期的工作狀態，驗證設計、指導施工，從而充分發揮工程效益。以某供水工程為例，該工程的工程等別為Ⅱ等大(2)型，主要建筑物為2級，次要建筑物為3級。

1 安全監測設計原則及主要監測項目

1.1 設計原則

根據建筑物結構特點、施工方法，參照國家或行業的監測技術規范和標準，確定本工程安全監測系統的設計原則。

1)以監測各建筑物的安全為目的，緊密結合工程實際，突出重點兼顧全面。

2)在滿足精度的前提下，力求監測方便、直觀，以自動化監測為主要手段，同時保留人工測讀的方式，以便與自動化測值進行比對。

3) 監測斷面和監測測點的布置應首先考慮地質地形條件較差和結構復雜的特殊部位。

4)安全監測自動化系統需遵循實時性、可靠性、開放性、適應性、安全性等原則。

1.2 主要監測項目

本工程各主要建筑物監測項目見表1。

表1 監測項目表

2 安全監測設計布置

2.1 水閘監測設計布置

水閘順水流方向長7.25m，寬20.0m，2孔布置，閘型為液壓升降閘，雙向擋水。天然地基承載力滿足設計要求，無地基處理，抗滑穩定安全系數大于規范允許值。

1)垂直位移監測：在水閘兩側擋墻、交通橋及閘室四周布置垂直位移測點，利用水準法進行監測，基準點與泵站共用。

2)接縫變形監測：在閘室與上下游連接段接縫部位布置測縫計，監測接縫的開合度。

3)閘底揚壓力監測：在水閘設置兩個揚壓力監測斷面，在每個斷面的上游進口段、閘室地板及下游消力池段布置滲壓計，以監測閘底的揚壓力變化情況[1]。

4)水位監測：在水閘上、下游水流平穩、受泄流和風浪影響較小處的擋墻上布置水位標尺，同時布置遙測水位計，以實現自動化。

5)水質監測：本工程主要為生活和工業用水，對水質有一定要求，故在水閘布置1套一體化水質監測儀，對水質進行常規五參數在線連續監測，實時反應水質情況。

2.2 泵站監測設計布置

本工程泵站抗滑、抗傾穩定安全系數大于規范允許值。泵房采用矩形干室型結構，內設3臺機組，2用1備，其抗滑、抗浮穩定安全系數計算值Kc、Kf均大于規定允許值，滿足規范要求；泵房基礎底面應力不均勻系數的計算值小于規范規定的允許值。

1)變形監測包括水平位移和垂直位移監測，具體如下：

a)水平位移監測：

在泵站廠房上布置掛壁式棱鏡，以監測泵站廠房的水平位移情況，采用交會法進行監測。為了保證測點與工作基點通視，在泵站左右兩側變形影響區域外各布置2個工作基點，工作基點布置在變形影響區域外的穩定基礎上[2]。

b)垂直位移監測：

在泵站的進水池擋墻、廠房四周布置垂直位移測點，利用水準法進行監測。

c)接縫變形監測：

在進水池隔墩與廠房接縫處布置2套三向測縫計，監測結構縫的開合度、相對錯動及不均勻沉降。

2)揚壓力監測：為監測泵站底板的揚壓力，設置2個揚壓力監測縱斷面，在每個斷面進水前池、廠房底板各布置1支滲壓計，共計8支滲壓計，以監測泵站基礎的揚壓力情況。

3)土壓力監測：按規范要求，一般基底的土壓力監測應與揚壓力監測成組布置，在本工程中將2個揚壓力監測斷面同時設為土壓力監測斷面，在廠房底板的滲壓計旁布置1支土壓力計，共6支土壓力計，以監測泵站廠房基礎的土壓力情況。

4)環境量監測：在泵站進進水池布置1根水位標尺，同時配套安裝水位計，以實現自動化測讀。并在泵站樞紐區域布置1套百葉箱(含溫、濕度計)和1支雨量計。

2.3 輸水管道監測設計布置

本工程輸水管道全長約26.8km，采用有壓重力流方式輸水，通過鋼管、PCCP管、球墨鑄鐵管組合的封閉式管道進行輸送。其中鋼管及頂管約1km，球墨鑄鐵管長約4km，PCCP管約22.0km。鋼管具有管材強度高，耐工作壓力高，適應性強等特點，但造價較高，耐腐蝕性和抗外壓能力較差；PCCP管能承受較高工作壓力和外部荷載，密封性能好，造價低，但自重大，適應地基變形能力較差；球墨鑄鐵管強度高，防腐及密封性能好，壽命長，但重量大，價格高。

本工程管道管頂覆土厚度大部分在1.5m-2.5m的范圍內，局部深埋段管頂最大覆土厚度不超過8.0m。管道工作壓力：Fw=0.03MPa-0.30MPa，設計內水壓力：Fwd=1.5×Fw=0.045MPa-0.45MPa。本工程對管道所受外力進行重點監測，在鋼管段、球墨鑄鐵管段、PCCP管段工作壓力較大、覆土較深部位布置監測儀器。

2.3.1 鋼管段監測設計布置

1)變形監測：在鋼管段的每個監測斷面分別布置2支測縫計，以監測鋼管和混凝土間的接縫變形情況。

2)外水壓力監測：為了掌握該管段的外水壓力情況，了解外水壓力對管道的影響，在每個斷面鋼管右外側布置1支滲壓計。

3)鋼板應力監測：在每個斷面的鋼管頂部及兩側分別布置1支鋼板計，以監測鋼管的鋼板應力情況[3]。

4)土壓力監測：在每個斷面的鋼管頂部及兩側分別布置1支土壓力計，以監測埋管段的土壓力狀態，了解上部荷載情況，確保管道安全。

2.3.2 球墨鑄鐵管段監測設計布置

1)外水壓力監測：為了掌握該管段的外水壓力情況，了解外水壓力對管道的影響，在該管段選取的每個監測斷面分別布置1支滲壓計。

2)土壓力監測：在球墨鑄鐵管段的每個監測斷面頂部分別布置1支土壓力計，用于監測埋管段的土壓力狀態，了解上部荷載情況，確保管道安全。

2.3.3 PCCP管段監測設計布置

1)外水壓力監測：為了掌握該管段的外水壓力情況，了解外水壓力對管道的影響，在選取的每個監測斷面分別布置1支滲壓計。

2)土壓力監測：在選取每個監測斷面頂部及兩側分別布置1支土壓力計，用于監測埋管段的土壓力狀態，了解上部荷載情況，確保管道安全。

3)斷絲監測：本工程管道主要為PCCP管，工作壓力為0.4MPa，單根長度5m，是由帶有鋼筒的高強度混凝土管芯上纏繞預應力鋼絲，再噴水泥砂漿保護層而成的。由于PCCP管埋置于地下，受到外界環境因素(如腐蝕質土壤、地下水的酸性)、外部荷載、安裝工藝及結構老化等因素影響，預應力鋼絲可能會受到損傷甚至斷裂，當斷絲達到一定程度時存在爆管的可能。因此，在PCCP管道內壁或外壁沿縱向敷設1根光纖，當管道中發生斷絲或異常情況時，所產生的振動信號被光纖傳感器接受后經過系統處理，對斷絲和異常部位進行實時報警和精確定位。通過定位對該管段進行維修或替換，可有效降低發生爆管、爆炸等事故的可能性。

4)內水壓力監測：在輸水管道沿程的部分閥井內布置壓阻式壓力傳感器，以監測管道內水壓力狀態。

2.4 隧洞監測設計布置

本工程輸水隧洞長約0.32km，主要為Ⅳ類圍巖，采用有壓輸水方式，隧洞內鋼筋混凝土襯砌，襯厚0.4m。隧洞頂部回填灌漿，對圍巖較差(Ⅳ類及部分Ⅴ類圍巖)洞段設置系統固結灌漿，以提高圍巖抗力及自穩能力。在隧洞地質較薄弱部位選取監測斷面，每個斷面主要監測項目如下：

1)變形監測：

a)收斂變形監測：在每個斷面圍巖頂拱與兩側分別布置1個收斂測點，用于監測隧洞圍巖的收斂變形。

b)接縫變形監測：在每個斷面隧洞頂拱及左右兩側襯砌與圍巖接縫處布置3支測縫計，用于監測接縫的開合度變化情況。

c)圍巖內部變形監測：在進、出洞口邊坡頂部各布置1套四點式位移計，用于監測邊坡的內部變形情況。

2)外水壓力監測：在每個斷面隧洞頂拱與一側拱腰分別布置1支滲壓計，用于監測襯砌的外水壓力情況。

3)應力監測：在每個斷面隧洞圍巖頂拱及左右兩側分別布置1支錨桿應力計，用于監測圍巖的支護應力狀態；在每個斷面隧洞襯砌頂拱及左右兩側分別布置1支鋼筋計，用于監測襯砌的鋼筋應力狀態；在隧洞鋼管頂拱及兩側分別布置1支鋼板應力計，用于監測鋼管的應力狀態。

2.5 監測自動化系統設計布置

本工程監測對象多，且較為分散，因此，為了確保工程安全監測系統的實時性和一致性，設計建立工程安全監測自動化系統。工程監測自動化系統滿足實時性、可靠性、實用性等設計原則，可實現自動化監測數據采集、數據通信、系統操作、綜合信息管理、系統網絡安全防護等功能。

本工程自動化系統采用分布式的結構模式，包括測站層和中心站層。測站層由數據傳感器和數據采集裝置(MCU)組成；中心站層由監測服務器、監測工作站、數據采集分析軟件等組成。測站層由中心站層統一管理、控制和協調。將監測數據、系統參數和其它信息資料存放于數據庫中，數據庫運行在監測服務器上以實現資源共享[4]。

3 結 語

文章重點介紹了某供水工程主要建筑物安全監測設計布置，工程安全監測是工程設計、施工及運行過程中必不可少的重要組成部分，本工程作為解決區域淡水資源緊缺、造福當地的工程，其任何一個建筑物出現安全問題，均將影響整個供水工程的正常運行與調度，因此，工程安全監測對于工程的安全及長久的運行尤為重要。

本供水工程沿線長、跨度廣、建筑物眾多，本方案針對工程中各建筑物特點和現場地形條件，結合工程實際，統籌兼顧、突出重點、精心設計，對于確保工程的高效、可靠、穩定、安全運行具有非常重要的現實意義。