南水北調中線干線工程外部變形安全監測工作簡述

顧春豐 李 玲 劉東慶

(1. 中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司, 北京 100024；2. 南水北調中線干線工程建設管理局, 北京 100038)

0 引言

南水北調中線干線工程是跨流域、長距離的特大型調水工程,水源主要來自長江最大支流漢江,工程渠首位于漢江中上游丹江口水庫東岸河南省淅川縣境內的丹陽村,由丹江口水庫陶岔渠首閘引水,經長江流域與淮河流域的分水嶺即伏牛山和桐柏山的方城埡口[1],沿華北平原中西部邊緣開挖渠道,通過隧道穿過黃河,沿京廣鐵路西側北上,自流至北京市頤和園團城湖。工程由總干渠和天津干渠兩部分組成,全長約1 431.945 km,于2003年12月31日開工建設,歷時11年竣工完成,2014年12月12日開始正式通水。

1 監測項目

1.1 安全監測項目

為確保南水北調中線干線工程的運營安全,全面掌握中線干線渠道及建筑物運行狀況,設計的安全監測項目有[2]:

(1)滲流監測。包括揚壓力、滲流壓力、側向繞滲。

(2)表面變形監測。包括垂直位移、水平位移、基礎沉降、傾斜、接縫及裂縫開合度、圍巖及襯砌變形等。

(3)結構內力監測。鋼筋應力、混凝土應力、應變。

(4)預應力錨索監測、土壓力監測、溫度監測和膨脹土特性監測等。

1.2 外部變形觀測主要監測項目

根據南水北調中線干線工程各類建筑物不同的結構特點和地質條件,外部變形觀測主要監測項目如下:

(1)大壩及附屬建筑物外部變形觀測。壩頂、壩肩及大壩廊道,附屬建筑物等垂直位移觀測和水平位移觀測。

(2)水閘外部變形觀測。節制閘、分水閘、排冰閘和退水閘等閘室和進出口建筑物的水平位移觀測和垂直位移觀測。

(3)渡槽工程外部變形觀測。渡槽上部結構、下部結構和進、出口建筑物的水平位移觀測和垂直位移觀測。

(4)倒虹吸及暗渠外部變形觀測。建筑物和進、出口段的水平位移觀測和垂直位移觀測。

(5)渠道外部變形觀測。渠道的垂直位移監測和水平位移監測。

(6)穿渠和跨渠建筑物外部變形觀測。穿渠和跨渠建筑物的垂直位移監測和水平位移監測。

(7)工程沿線基準網和工作基點復測。主要內容為水平、垂直位移監測基準網復測；水平位移工作基點和垂直位移工作基點復核等工作；準確測定監測基準點、工作基點坐標成果,并對其是否穩定做出評價。

2 主要技術要求

2.1 垂直位移觀測

(1)垂直位移監測應采用幾何水準觀測方法,使用儀器、施測方法和精度等應滿足《國家一、二等水準測量規范》(GB/T 12897—2006)相應要求[3]。測站視線長度、前后視距差等應滿足表1的要求。

表1 測站視線長度、前后視距差、視線高度和重復測量次數

(2)大壩及附屬建筑物、輸水建筑物測點及相關工作基點按國家一等水準觀測要求施測。渠道和其他建筑物測點及相關工作基點按國家二等水準觀測要求施測。

(3)工作基點按國家一等水準觀測要求每年校測一次,若發現工作基點異常,應及時校測。

2.2 水平位移觀測

(1)輸水建筑物水平位移點觀測精度相對于臨近工作基點不大于1.5 mm。

(2)渠道及其他建筑物水平位移觀測精度相對于臨近工作基點不大于3.0 mm。

2.3 觀測資料整理及初步分析要求

(1)應做好所采集數據的原始記錄,采用批準的固定格式記錄并妥善保管。

(2)在每次監測完成后,及時檢查原始監測數據的準確性、可靠性和完整性,如有漏記、誤讀(記)或異常,應及時復測確認或更正,并記錄有關情況。

(3)觀測工作結束后應立即對原始記錄進行檢查。

(4)經檢查合格的觀測數據,應及時進行計算,如有測值異常,應及時分析原因。當確認為測值異常,應及時上報,必要時應立即進行重測,直至確定最終觀測數據。

2.4 觀測頻次

監測工作基點每年復測1次；大壩及附屬建筑物觀測頻次按1次/月；其他區域觀測頻次渠道及輸水建筑物測點按每測點每2個月觀測1次,其他建筑物測點按3月觀測1次；當測值有顯著變化時,觀測頻次可適當加密。

3 項目關鍵問題分析

南水北調中線工程運行期外部安全監測,具有線路長、監測點多、觀測工作量大等諸多特點,外觀安全監測工作的全面展開與周期性任務的順利完成,有賴于科學高效的項目組織管理、人員設備的資源保障、工作重點與難點的準確掌握與有效應對,針對外觀監測工作內容以及特點,對所涉及關鍵問題做如下分析[4-7]。

3.1 監測基準網復測與工作基點的復核

外觀監測系統包括:監測基準網、工作基點網和測點觀測三個組成部分,建立監測基準網目的是為工程外觀安全監測系統提供統一的、穩定可靠的監測基準；通過周期性的監測基準網復測與工作基點的復核,對監測基準點和工作基點的穩定性和可靠性做出相應檢驗與評價,為日常監測工作提供可靠的起算基準和起算數據。通過周期性觀測,獲得測點相對基準點之間水平和垂直方向的位移變化量,進而掌握工程在運營過程中所處空間形態狀況,起到安全監視作用。故此為保障安全監測過程中應用監測基準的可靠性與正確性,監測基準網復測與工作基點的復核至關重要、不容忽視。

3.2 制定行之有效的監測方案

依據監測技術要求提出的觀測等級、點位精度指標,結合現場各類監測設施的分布狀況和地形條件,制定合理、可行的監測實施方案。監測方案應與現場實際、技術要求以及規范規定相適應,并通過監測方案的落實與應用,對其應用效果、監測數據質量進行分析評估,進而得到優化與改進,以便有效指導周期性外觀監測作業活動。

3.3 確保監測數據成果真實性和正確性

監測數據成果是反映工程設施現狀形態的重要信息依據。為高質量地完成外觀監測數據采集工作,要求監測作業人員應具有較高的專業素養,使用的儀器設備應檢定“合格”,且在檢定有效期內使用,計算軟件或程序需通過鑒定或審查；外業數據采集應嚴格按監測方案執行,加強作業過程中的成果質量控制,對原始數據、起算數據、計算數據、成果數據等做出檢查與校核,將責任落實到人；做好工作日志,記錄現場觀測中出現的重要問題以及環境變化情況,若發現異常觀測數據應及時查找原因,并在第一時間做出返工或復測處理,使異常觀測數據在有效時間范圍內得到確認或消除,確保監測成果真實性和正確性。

3.4 資料分析及成果的信息反饋

監測資料分析工作既不是上一周期監測工作簡單的延續說明,也非本周期監測成果反映現象的匯總與小結,而是通過測點的周期性監測以及過程數據的積累,進行各類相關數據的關聯性技術分析,從中探索與發現工程建筑物變形趨勢和變化規律,在正確做出安全評價的同時,有效指導后期安全監測的工作方向和關注重點,故此監測資料分析必須具有正確性和預見性,確實起到保證工程安全運營的重要作用。

4 監測作業與數據處理

南水北調中線干線工程依不同工程部位分別設置外觀監測項目,主要工作內容為垂直位移觀測和水平位移觀測,且前者觀測工程量遠大于后者。

4.1 作業方法

南水北調中線干線工程由于監測工作量大,測點多且相對集中,為便于測點區分,點名采用字母和數字混合的長字符編碼,若以常規作業模式進行水準線路測量,對線路名稱、測點點名等測量信息,無論是采用數字水準儀觀測時直接錄入,還是現場記簿后期補錄均易出現差錯,且會降低外業作業效率。依監測工作“三固定原則”,充分利用項目垂直位移觀測具有固定水準線路、固定測站數的特點,對觀測作業模式進行必要改進。在水準線路首次觀測時建立測段信息文件,內容包含測段名、觀測日期及各點的點名、唯一編碼、往返測測站序號等,內業數據處理時根據其測站序號截取相應觀測數據參與計算,這樣既可簡化水準測量外業操作,提高作業效率,降低因信息錄入而產生的錯誤,又可使觀測數據及測段信息完整保留溯源。對應開發的監測數據處理軟件應用于日常的監測工作,取得了良好的應用效果[8-9]。

4.2 數據的預處理

根據《國家一、二等水準測量規范》外業高差改正數計算要求,測點高程計算時,水準觀測高差應加入的改正項有:水準標尺長度改正、水準標尺溫度改正、正常水準面不平行改正、重力異常改正、固體潮改正、海潮負荷改正和水準線路閉合差改正,考慮到監測作業特點,外業高差改正計算中僅進行水準標尺長度和水準線路閉合差兩項改正,編制水準測量外業高差與概略高程表,進行觀測數據的預處理[10-11]。

4.3 平差計算

在對各項數據檢核后,組成平差文件,選用距離定權方式進行水準平差,計算線路中各測點的高程值,并對測點高程精度進行評定。輸出成果信息完整、美觀,便于審查與檢核。監測數據平差處理流程如圖1所示。

圖1 監測數據平差處理流程

4.4 異常值的判定與處理

利用相鄰兩期測定的監測點高程,對測點垂直位移變化量進行計算,其結果既包含測點在不同工況環境下產生的變形,也存在測量誤差的影響；假定測點第n期測量高程為Hn,高程精度為mn,第n+1期測量高程為Hn+1,高程精度為mn+1,測點垂直位移變化量HΔ及相應精度mΔ,可由式(1)、式(2)進行計算。

式中，HΔ為測點相鄰期垂直位移變化量,單位為mm；Hn、Hn+1為測點第n期、第n+1期的高程值；mΔ為測點垂直位移變化量的精度；mn、mn+1為測點第n期、第n+1期的測量精度。

按測點垂直位移變化量中誤差的兩倍作為極限誤差,對測點是否產生變形做出判定。當HΔ≤2mΔ時,即未超出觀測誤差范疇,表明測點相對穩定,否則可認為該測點存在變形現象。

依據測點變化現象、變形量之大小以及顯著程度等,對測點異常予以綜合判斷[9]。假使工程監測出現異常或險情,應以快報或簡報形式予以迅速反饋[12-15]。

5 結束語

為進一步完善工程外觀監測工作,提高安全監測作業效率,逐步實現工程外觀安全監測的自動化與智慧化,對后續監測工作提出如下設想:

(1)建議在原有監測網的基礎上,以各管理處負責渠段為單元,視各部測點具體變形情況,增補諸如基巖標等高規格水準基點,并形成局部區域性監測基準網,在日常監測中如遇突發情況,可在較短時間內完成復測與檢核工作,確保基點的正確性。

(2)建議組織管理部門、設計單位等相關專業技術人員,將外觀監測資料進行匯總,通過對監測成果的分析與梳理,結合設計允許值和實測變形數據,給出工程各部穩定形態的判斷依據和判定標準,適時做出測點觀測周期頻次的調整,一方面有利于測點變形及發展趨勢的全面掌控,另一方面在同等監測資源條件下可使其工作效能得到最大限度的發揮。

(3)工程監測類水準測量,有別于常規大地水準測量,盡管它們在施測等級、測量精度、技術指標等方面存在相同之處,但是在具體作業環境和成果性質上存在明顯不同,故設想以水準測量成果能否滿足相應等級精度要求作為關鍵性控制性指標,通過實測數據的對比分析,驗證觀測程序、作業方法、改正項修正等內容考量對監測成果的實質影響及程度,進而簡化水準測量的外業要求,使優化后的監測作業更有利于數據的快速獲取和精度的提升。

(4)中線工程外觀監測工作主要采用人工模式,因工程量大,數據采集歷時長,即便通過投入大量專業化隊伍完成全部測點的周期性觀測,也難以實現工程建筑物突發形變時機的精確捕捉與監測信息的迅速反饋。為此急需加快自動化系統建設,實現自動化、人工監測的銜接,以保證數據采集的及時性。

(5)南水北調中線干線工程設有多個外觀監測項目,隨著周期性監測的不斷持續,將積累了大量的監測數據,如何對海量監測數據進行檢核存儲、查詢調用、關聯處理和統計分析,實現對數據異常評判與預警,對監測人員來說是一項巨大的挑戰。為此,有必要建設外觀智慧安全監測管理平臺,提升工程外觀安全監測的智慧化管理水平。