民生引水樞紐除險加固工程閘體施工安全監測方法設計

游世超

(新疆水利水電勘測設計研究院勘測總隊，新疆 昌吉 831100)

民生引水樞紐主要位于巴楚縣境內，作為我國重要的引水樞紐，主要位于阿克東附近的河段上[1]。民生引水樞紐工程根據建設的規模不同，等級劃分的方式也不同，通常情況下，除險加固工程劃分為2個級別，主要工程與次要工程[2]。民生引水樞紐工程的作用為灌溉和防洪[3]。現階段，工程建設主要包括進水閘、攔河沙壩、沖沙閘、泄洪閘四個部分。水閘在民生引水樞紐除險加固工程中至關重要，能夠全方位地實現防洪、灌溉、擋潮、水力發電等目標，是大壩能否穩定運行的重要決定因素。一旦水閘閘體在運行中出現損壞未能及時發現，會造成極大的工程安全隱患與經濟損失。此時，應當采用有效的閘體施工安全監測方法，傳統的閘體施工安全監測方法監測結果精度較低，且監測效率不高。因此，本文提出了民生引水樞紐除險加固工程閘體施工安全監測方法設計，為我國水利工程提供一定的幫助。

1 施工安全監測方法設計

1.1 采集閘體施工安全數據

為了有效地監測民生引水樞紐除險加固工程閘體施工安全，本文設計了具體的施工安全監測方法。首先，要采集工程閘體施工安全數據。在民生引水樞紐除險加固工程閘體施工中，閘體施工安全數據主要包括施工環境質量數據以及壩體的相關參數數據。

采用自動監測的方式，明確大壩的進水口與出水口，在兩個端口處各設置一個傳感器，通過傳感器的采集與感知作用，實時掌握大壩的水位數據變化情況。在選擇傳感器型號的時候，應當綜合考慮具體的除險加固工程情況，選擇合適的種類與型號。結合人工采集方式的優勢，在監測大壩頂部的大氣溫度變化時，采用人工采集的方式，保證每天對大氣溫度實行三次采集，提高大氣溫度采集結果的精度。在采集壩體施工安全數據時，將傳感器的視準線與壩頂對齊，在視準線上布設大量的測點，將測點進行分組處理，分組后進行統一編號，保證每個組內的測點數量保持一致，且各個測點間的距離大小相同。垂直水流方向，在閘墩上安設一排標點，每個伸縮縫兩側及邊墩各安設一個標點，共計6個點，并且在工程施工時埋入。滲流觀測水閘基底的滲透壓力可通過埋設滲壓計或測壓管監測，新建泄洪閘設 3 處斷面，每個斷面的測點3個，每個測點布置1個滲壓計。4側向繞滲設在潰壩右岸導流堤起始端1個斷面，左岸導堤2個斷面，每個端設3個測點，每個測點布置1個滲壓計。水位觀測的工作范圍為上下游水位。

水位觀測點的布置：上游測點設在鋪蓋上游的左右岸導流堤護坡上，下游測點設在護坡下游的左右岸護坡上。水位觀測的測次應按水文規范的規定，并且在閘門開始變動前及全部關閉后加測一次。伸縮縫觀測的測點安設在閘墩頂，每道縫設2個測點，共4個測點，采用差動式電阻測量計。伸縮縫的觀測應在建筑物竣工后即進行，每月觀測一次，并且在水位和溫度變化后增加測次。在觀測范圍內，沿水流方向于兩岸側墻上設立一系列水尺，水尺間距和刻畫精度能充分地測得水躍或水面形態。根據民生引水樞紐除險加固的相關建設要求，添加相應的大壩沖擊磨損信息，通過對信息進行整合處理，獲取水庫大壩牢固性與穩定性的相關系數。

通過傳感器采集到的水位變化狀況，記錄不同測點的水位數據信息，通過記錄的數據信息，獲取大壩壩體的相關參數信息。采用觀測儀器，獲取大壩壩頂的水平位移信息。首先，將觀測儀器布設在大壩的觀測基墩上，調節觀測儀器上的裝置，使儀器實現精平的目標。當觀測儀器調平后，開啟測量模式，設置測量大壩的基點方向，實時記錄大壩的水平度盤讀數。對準大壩的壩體目標，對不同的測點進行測量，控制測點之間讀數的差值大小。縱向轉動觀測儀器，保證觀測儀器每次轉動的角度相同，減少觀測結果的誤差。在每次測點測量完成后，根據半測回角值平均值計算的原理，獲取不同測點的測回平均值與偏離角度，完成閘體施工安全數據的采集工作。

1.2 建立除險加固工程施工三維模型

基于上述民生引水樞紐除險加固工程閘體施工安全數據采集獲取到壩體上不同測點的測回平均值與偏離角度，接下來，采用有限元軟件建立除險加固工程施工三維模型，將采集到的測點數據輸入到模型中。

結合民生引水樞紐除險加固工程的施工圖紙，針對閘體的具體結構圖形，采用有限元軟件，導入CAD形式的施工圖紙中，實現施工圖紙的三維轉換，能夠更好地掌握圖紙的具體結構內容[4]。根據CAD結構圖紙，初步構建施工三維模型，并對模型進行全方位的網格劃分，將模型劃分為大小與數量保持一致的網格，在網格內輸入民生引水樞紐除險加固工程的相關參數，在操作時一定要注意細致，避免出現遺漏的情況。網格劃分結束后，明確本文構建的三維模型中各個網格之間的關系，結合具體的施工參數，設置模型的約束條件。在垂直大壩水流的方向，布設一排標點在閘體的閘墩上，控制每個伸縮縫內都具有一個標點，共計6個點，并且在工程施工時埋入。

綜合考慮除險加固工程中施工的各項環境影響因素，確定相關安全監測的荷載作用與邊界條件，選擇無厚度的單元材料描述施工安全中壩體之間的影響[5]。在模型中進行鉆孔操作，采用孔斜測量的方式對鉆孔參數進行測量，避免鉆孔偏斜值超過規定。基于線彈性模型計算出施工安全管理中壩體的基座與基巖參數，線彈性模型的參數，如表1所示。

表1 線彈性模型的基座與基巖參數取值

由表1線彈性模型中壩體基座與基巖的參數取值，根據線彈性模型的原理，獲取到壩體材料中地層滲透參數的取值，如表2所示。

表2 壩體材料地層滲透參數取值

通過線彈性模型的參數取值范圍，確定民生引水樞紐除險加固工程閘體施工材料的地層滲透參數取值，將獲取到的參數值輸入到本文構建的除險加固工程三維模型中，完成模型的構建工作。根據構建的施工安全三維模型，設定除險加固工程閘體在施工期與運行期的監測頻率，如表3所示。

表3 除險加固工程閘體施工期與運行期監測頻率

表3為本文根據施工安全三維模型設計的除險加固工程閘體施工期與運行期的監測頻率，嚴格根據表3設定監測頻率，提高監測結果的精度。

1.3 基于安全指標評價算法修正監測數據

基于上述除險加固工程三維模型，獲取到工程閘體施工期與運行期的監測頻率等參數，采用等級評價算法，處理采集到的大壩監測數據。設置大壩加固的影響度數值為w1，安全度影響數值為w2，基于安全指標評價算法，計算民生引水樞紐除險加固工程閘體施工的影響因素貢獻度數值，計算公式(1)如下：

(1)

式中：s為施工影響因素的貢獻度數值。

結合歷年來民生引水樞紐除險加固工程的安全監測經驗，對大壩的除險加固安全度進行更精確的計算與判斷。設置閘體施工安全評價指標，獲取到民生引水樞紐除險加固工程中施工安全權重數值n，接下來，計算水庫大壩的受力特征向量數值，計算公式(2)如下：

(2)

式中：F為大壩的區域受力特征數值。

根據水庫安全評價指標，對水庫大壩的除險加固等級進行劃分，本文將其具體劃分為4個等級，根據等級的不同，進行水庫大壩的具體特征判斷與評估。基于安全指標評價算法，計算大壩除險加固的最小誤差數值，計算公式(3)為：

(3)

式中：e為大壩除險加固的最小誤差；R為大壩受力特征向量判斷矩陣值。

采用權重系數算法，分配大壩的權重系數，并進行相應的賦值處理，在賦值中必須保持客觀，避免賦值出現偏差。設定水庫大壩除險加固后結構的原始變量為f；變換分量為g；變量線性權重數值設定為h；大壩的原始采集樣本為E，其安全貢獻度的取值范圍通過式(4)進行計算：

(4)

獲取到大壩安全貢獻度取值結果后，對施工安全相關的特征向量經過一定的組合方式進行組合。基于統一化處理的原則，設定大壩施工安全監測的時間尺度與幅值范圍。在設定好的時間間隔內對民生引水樞紐除險加固工程閘體施工安全進行監控，定期采集大壩相關參數數值的變化數據信息，并建立相應的信息熵模型。保證在固定的時間段內監測數據信息相同，必須為均勻的監測數據，根據監測數據的具體情況，生成相應的除險加固風險預警文本，結合具體的預警文本信息對民生引水樞紐除險加固工程中的安全監測數值進行修正。

1.4 設計監測層次結構

綜合上述的設計步驟，逐步完成了施工安全數據的采集、除險加固工程施工三維模型的建立、對于民生引水樞紐除險加固工程監測數據的修正工作。最后，采用層次分析方法，設計施工安全監測的層次結構，實現閘體的施工安全監測目標。

劃分處理監測方法的關聯結構，確定影響監測方法順利進行的具體因素，初步構建施工安全監測的層次結構。根據監測數據的遞階層次結構，對水庫大壩的區域進行劃分，使監測層次結構設計得更加精準。基于粒子群算法計算出監測內容結構的隸屬度數值，并將數據輸入到施工三維模型中，進行系統分析，得出優化處理的隸屬度數值。修正處理大壩區域預警數據，設置不同層級隸屬度數值的模糊程度，檢測層級信息的具體實際值。結合相應的監測儀器，采集大壩的承重數據，規范化處理監測數據。最后，采用模糊評價矩陣，進一步評價除險加固工程閘體施工安全的影響指標等級，根據隸屬度數值的變化區間，判斷民生引水樞紐除險加固工程閘體施工安全等級的監測結果。

2 應用分析

基于上述的設計，為了進一步對本文設計的民生引水樞紐除險加固工程閘體施工安全監測方法進行客觀分析，進行了如下測試。本次實驗測試以某水庫大壩為主要對象，該水庫的流域面積較大，且地形復雜，流域面積約為58.34 km2，作為集灌溉、防洪為一體的中型水庫。首先，在大壩的壩體上設置塑性防滲心墻，在壩基處進行帷幕灌漿操作。進行系統鉆孔和爆破作業的巖石開挖，清理工程區域內的垃圾、廢渣及其他有礙物。實驗選用的鋼筋材料應當嚴格按照施工圖紙的規定，保證鋼筋的表面潔凈無損傷，油漆污染和鐵銹等應在使用前清除干凈。監測中需要用到的支架材料選用質量較好的鋼材，控制鋼模面板的厚度，盡量選擇表面光滑不存在缺陷的鋼膜面板，避免影響施工安全監測結果的精度。電纜的結構縫布置，應采用穿管過縫的保護措施，避免由于縫面張開變形導致的電纜事故。根據實際的監測需求，設計儀器的加長電纜，連接時控制各芯線長度的變化。觀測位置的電纜布線應當整齊，用中央控制方式實現自動巡測與定時巡測，測量方式為每10分鐘～1個月采集一次。在大壩的上游位置布設砌塊石，主要起到大壩的護坡作用，在下游布設護坡草皮，提高大壩的除險加固效果，以上布設全部結束后，對民生引水樞紐除險加固工程閘體施工安全進行全方位監測。

通過本文設計的安全監測方法，對實驗大壩的施工中壩段的橫向觀測面、縱向觀測面的滲壓水位進行監測，監測結果如圖1所示。

根據圖1可知，本次測試，施工中壩段的橫、縱向觀測面的滲壓水位監測值具有一定的差異，變化幅度不同，大壩橫向觀測面的滲壓水位監測值明顯低于縱向觀測面，且不斷呈現下降趨勢，表明施工過程中，大壩的橫向觀測面除險加固的效果更好，安全性與穩定性較高。

3 結 語

本文設計了一種民生引水樞紐除險加固工程閘體施工安全監測方法，能夠有效地監測工程施工期間，水庫大壩的狀態變化，掌握大壩閘體的運行情況，根據監測的結果及時制定有關的應急處理方案，保證除險加固工程質量的同時，還能提高民生引水樞紐工程建設的安全性與穩定性，實時監測施工安全，提高水庫大壩防洪的效果，促進我國水利工程的穩定發展。