界牌樞紐外部變形監測系統改造方案及實施

楊曉波 丁玉堂 陸陽洋 姜曉楨 熊國文

摘 要：許多興建于上世紀的航電樞紐，安全監測系統較為陳舊，難以滿足當前日趨規范化的安全管理要求。本文以信江界牌樞紐安全監測系統改造項目為案例，針對樞紐建筑物“種類多、工作面小;軸線長、測量精度要求高”等技術難點，詳細探討了樞紐外部變形監測系統改造方案與實施要點。系統改造后的監測數據分析表明，改造方案與改造施工是成功的。本案例可為我國眾多老舊樞紐的安全監測系統改造提供參考。

關鍵詞：界牌樞紐;安全監測改造;外部變形

中圖分類號：TV61? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）09-0102-03

航電樞紐具有航運、防洪、發電、灌溉等功能，是一類重要的水利樞紐工程。自1986年西江桂平樞紐開工建設以來，我國興建了數量眾多的航電樞紐[1]，許多樞紐的服役期目前已逾20a。水利樞紐在長期服役條件下，其結構及基礎均存在劣化的風險，樞紐病險案例近年來時常見諸報道[2]。隨著安全管理的日趨重視，航電樞紐的長效運行狀態成為工程人員與科研人員關注的重點[3]。

規范化的安全監測是評判樞紐長效運行狀態、保障樞紐安全的一個有效手段。許多航電樞紐受以往投資額度與技術手段的限制，監測設施不足，監測精度與效率低下，不能滿足當前樞紐運行管理的需求。因此，對這些老舊樞紐開展安全監測系統的后期改造升級是極為必要的。

與新建工程相比，在已建成的樞紐上開展安全監測系統改造面臨一些難點。其中，樞紐的外部變形監測系統改造最具代表性。

一方面，航電樞紐多位于寬河道、大流量的河流中下游，壩軸線較長;樞紐運行多年后變形狀態相對穩定，年度變化量最低可在數個毫米內。老舊樞紐的變形監測很多采用人工觀測方法。其結果往往因設備精度不足、專業技術人員缺乏以及氣象條件干擾等因素影響，可信度較低。在長壩軸線條件下，人工觀測精度更難以保證。因此，為避免測量誤差掩蓋樞紐的真實變形規律，改進后的監測系統必須具備較高的測量精度且能勝任長壩軸線的監測需求。

另一方面，樞紐建筑物種類雜、數量多，擋水、泄水、通航、發電、過魚及壩頂公路橋等不同建筑物結構迥異，位置緊湊。測點的布置既要保證各建筑物的監測需求，還要避讓現有重要結構，克服工作面狹小的制約。

針對上述難點，本文以信江界牌航電樞紐安全監測改造為例，詳細介紹了界牌老樞紐壩段外部變形監測系統的改造方案與實施要點，并對改造后的監測成果進行分析。在總結相關經驗的同時，以期對國內類似項目提供有價值的參考。

1工程概述

界牌樞紐位于信江中下游鷹潭市中童鎮的界牌村，是信江渠化工程的第一個梯級樞紐。工程于1992年11月開工建設，1997年6月基本完工。樞紐主體工程主要由電站、船閘、左支泄水閘、右支泄水閘、平板壩、溢流壩、土壩以及壩頂公路橋等組成，壩軸線總長約1.0km。樞紐的布置如圖1所示。

樞紐興建時，除船閘、廠房外，其余壩段基礎均未開挖至新鮮基巖，而是采取了置換回填砂礫石的方式進行基礎處理。運行多年后，部分壩段分縫處已有一定的變形發展，因此需要持續的監測關注。

2018年11月界牌船閘改建工程開工，對原有船閘、土壩拆除重建，并對樞紐其余部分進行安全監測設施改造。南京水利科學研究院承擔了本次改造的前期方案布置與后期施工工作，中水珠江規劃勘測設計有限公司承擔了具體設計。其中外部變形監測系統改造區域包含（自左至右）：左支泄水閘、平板壩、溢流壩（含交通橋）、右支泄水閘。

2 改造方案與施工要點

2.1改造方案

2.1.1總體布局

采用當前廣泛應用的引張線系統與靜力水準系統[4]開展樞紐表面水平位移與垂直位移（沉降）的觀測，并以倒垂裝置與雙金屬標作為水平位移與垂直位移測量的工作基點。上述設施均接入自動化監測系統，實現自動化觀測及記錄。針對樞紐壩軸線長、各壩段結構形式不同、存在線路遮擋的情況，采用分段布置的方式設置測點。左支泄水閘壩段、平板壩與溢流壩壩段、右支泄水閘壩段各布置1套獨立的測點系統。

2.1.2測點布置

左、右支泄水閘壩段測點均布置于閘墩迎水側，以避免對閘門日常啟閉、檢修造成干擾。由于安裝空間不足，平板壩與溢流壩測點布置在平板壩支墩及溢流壩上部交通橋橋墩的迎水側。倒垂裝置與雙金屬標布置于左、右支泄水閘兩端，與平板壩、溢流壩監測系統共用。各壩段測點數量統計如表1所示。

以左支泄水閘為例，測點布置如圖2所示。倒垂裝置（IP-Z-1，IP-Z-2）、雙金屬標（LS-Z-1）、引張線系統的固定張拉端以及靜力水準系統中的基準測點（TA-Z-1，TA-Z-6）布置于壩段兩側。靜力水準測點與引張線測點配合布置，位于閘墩迎水側。其中，倒垂裝置IP-Z-1與雙金屬標LS-Z-1同時承擔平板壩與溢流壩測點系統工作基點的任務。

2.1.3設備選型

引張線儀與靜力水準儀采用南京南瑞生產的RY-40S型引張線儀與RJ-50S型靜力水準儀，綜合誤差均≤0.7%F.S.。自動化系統采用南京水利科學研究院研發的DBJC型安全監測自動化系統。

2.2施工要點

改造施工面臨的主要難題是作業空間的缺乏。界牌樞紐平板壩、溢流壩壩段測點布置在平板壩支墩及溢流壩上部交通橋橋墩的迎水側。測點附近無作業平臺及電纜、管路通道。針對此問題，設計新增鋼棧橋一座，用于上述壩段儀器安裝及日常檢修。

溢流壩壩段鋼棧橋主體采用Φ114mm及Φ48mm鋼管焊接而成，每段長約16m，寬0.9m。交通橋橋墩兩側通過化學錨栓各固定一根懸挑槽鋼，利用吊機將各段鋼棧橋體吊裝至安裝部位，通過手拉葫蘆將橋體固定于懸挑槽鋼上。平板壩段，先以化學錨栓將支撐三腳架固定在壩面迎水側，再鋪設鋼板橋面。鋼棧橋布置示意圖及安裝后效果圖分別如圖3、圖4所示。

3 監測數據分析

監測系統改造施工于2021年1月底完工，隨后各測點接入自動化監測系統。選取各壩段典型測點，對壩體水平位移與垂直位移計進行分析。

（1）壩體水平位移典型測點測值（沿下游方向為正）過程線如圖5所示。由圖可以看出，左支泄水閘與平板壩壩段典型測點水平位移較小，測值在0mm附近波動。右支泄水閘與溢流壩壩段典型測點測值在0～3mm范圍內波動。各壩段典型測點測值總體均較為平穩，右支泄水閘與溢流壩壩段測值波動更為顯著，主要與上述壩段位于主河道、擋水前緣寬有關。

（2）壩體垂直位移典型測點測值（沉降為正，上抬為負）過程線如圖6所示。由圖可以看出，各測點測值均在-2～1mm范圍內，各壩段垂直位移狀態較為穩定。觀測期內測值有一定的上行趨勢，這與春季氣溫回升、混凝土微幅膨脹有關，符合混凝土結構的一般變形規律。

上述監測數據表明，改造后外部變形監測系統精度有明顯的提升，測值可反映出樞紐外部變形的微幅波動特征。樞紐變形分布及變化特點與實際工況相吻合。觀測期內樞紐外部變形狀態正常。

4 結論

以界牌樞紐為例，探討了已建航電樞紐外部變形監測系統的改造方案與施工要點，并對改造后的監測成果進行分析。得到的主要結論如下：

（1）采用高精度的電測儀器及自動化監測系統，可勝任運行期較久的老樞紐外部變形監測。

（2）對于壩軸線長、建筑物多的樞紐，宜采用分段布置的方式設置觀測系統。同時注意每套觀測系統應配備足夠的工作基點。

（3）工作面不足是老樞紐監測系統改造施工過程面臨的主要難點。可通過增設施工平臺、便橋、通道等設施滿足施工要求。

（4）監測數據顯示，觀測期內變形的波動量在3mm以內，各壩段水平位移與垂直位移均較為穩定，樞紐運行狀態正常。

參考文獻：

[1]翟慧娟，李顥，張林江.航電樞紐建設與內河航運發展[J].交通建設與管理，2008（07）：68-72.

[2]韓安定.對連江航運樞紐安全監測的思考[J].珠江水運，2004（11）：28-30.

[3]吳中如，徐波，顧沖時，李占超.大壩服役狀態的合評判方法[J].中國科學：技術科學，2012，42（11）：1243-1254.

[4]何金平.大壩安全監測理論與應用[M]. 中國水利水電出版社， 2010.

基金項目：南京水利科學研究院青年基金項目（Y316020）。