基于測縫計監測船閘閘墻水平位移的方法研究

程華明，李鵬飛，張潤＊

（1.江蘇省交通運輸廳港航事業發展中心，江蘇 南京 210014；2.華設檢測科技有限公司，江蘇 南京 210014）

變形監測是對設置在變形體上的觀測點進行周期性的重復測量，以確定其空間位置及內部形態隨時間的變化特征[1]。船閘工程的變形監測，包括閘首、閘室等主體工程[2-3]，以及基坑[4]、高邊坡[5]的監測。閘室空箱段、扶壁段以及閘首段之間，由于存在結構剛度、基底尺寸、墻內水深、墻后土壓力等差異，將導致結構段傾斜度差異[6]。如圖1 所示，圖中分別展示了船閘閘室段在運行期（閘室有水）與檢修期（閘室無水）的變形情況。

圖1 船閘閘室變形示意圖

傳統的船閘水平位移監測方法包括視準線法、激光準直法、引張線法、GPS 等[7-8]，其具有成本高、安裝比較困難等缺點。本文建立了一種替代傳統監測的新方法，實現快速、低成本地監測閘室水平位移，及時對風險進行捕捉。該方法利用安裝在船閘閘段間分縫的測縫計來獲知閘室墻頂整體的水平位移，并采用有限元方法對船閘進行運行期和檢修期工況下的受力分析，論證本方法的可行性、準確性。

1 監測系統組成

本文提出一種采用測縫計來測量船閘閘室墻頂水平位移的監測方法，如圖2 所示。考慮船閘閘段變形聯動的影響，根據閘段分縫間的測縫計讀數可得出船閘閘墻水平位移值。

圖2 監測系統布置圖

監測系統包括：①閘室一側預設的測量基準點；②安裝在閘墻頂部接縫兩端的測縫計；③傳感器信息采集模塊與數據分析處理模塊。

2 工作原理與監測預警

船閘閘室墻頂位移監測原理如圖3 所示。假設閘墻段為整體均勻變形。測縫計安裝于船閘閘段頂部分縫處，監測的是相鄰閘段間的水平向相對位移，其讀數記作ti；根據閘段間的連續監測可得出船閘閘墻實際水平位移值，記作di。閘段間的相對位移ti與閘室整體墻頂的水平位移di之間的換算關系如下：

圖3 閘室墻頂位移監測原理

圖4 測縫計受力情況

圖5 船閘平面示意圖

在閘首段設定一監測基準點，根據測縫計的讀數得出Ⅰ號閘墻的水平位移為：

考慮船閘閘段變形聯動的影響，Ⅱ號閘墻的水平位移為：

同理，Ⅲ號閘墻的水平位移為：

上述公式均為矢量相加，約定測縫計拉伸時讀數為正，壓縮時讀數為負。基于測縫計監測閘段間的相對位移得到閘墻整體墻頂的水平位移，該方法可以獲知閘室墻局部變形與整體位移曲線。

3 工程概況

某雙線船閘規模及標準：①船閘等級：Ⅲ級通航建筑物；②設計最大船舶噸級：1000t；③船閘規模：180×23×4.0（m）（閘室有效尺度×口門寬×最小檻上水深）；④航道等級：Ⅲ級；⑤航道尺度：底寬：45m；航寬≥55m；航道水深：≥3.2m，最小彎曲半徑480m。

3.1 有限元結構計算

船閘靜力計算有限元網格如圖所示。有限元計算邊界條件為模型四周法向約束，模型底面三向約束。（坐標方向：x 向為船閘橫向，y 向為船閘縱向，z 向為鉛直向上）

船閘整體顯示有限元計算時，混凝土與鋼結構采用彈性模型，土體采用摩爾庫倫模型，靜力計算參數如表1 所示。

表1 船閘靜力計算參數

依據水文資料顯示，本文選取水位差較大的校核工況、檢修水位工況作為本次計算工況，具體如表2 所示。

表2 船閘整體計算工況

工況一（校核工況）：在閘室內水位與長江側水位持平工況下，考慮結構重力、上下游水荷載、閘內水荷載聯合作用下的船閘受力變形；工況二（檢修工況）：在閘室內無水工況下，考慮結構重力、上下游水荷載、地下水位與揚壓力。

工況一閘首與閘室橫向（U1）變形情況如圖6 所示。工況二閘首與閘室橫向（U1）變形情況如圖7 所示。兩種工況下閘室的最大水平位移與閘段間的最大相對位移如表3 所示。

表3 閘室最大水平位移值

圖6 校核工況船閘橫向變形（U1）云圖

圖7 檢修工況船閘橫向變形（U1）云圖

4 結論

本文首先介紹了基于測縫計監測船閘閘室墻頂水平位移的系統組成與工作原理，然后以某船閘工程為實例，通過有限元計算分析，論證本方法的可行性，并由此得出船閘于運行期和檢修期內閘室的最大水平位移值，最后具體分析了不同類型測縫計的基本原理、適用特點、典型參數，為船閘閘墻位移監測設備選型提供依據。

（1）提出了基于測縫計監測船閘閘室墻頂位移方法，能夠系統地監測閘墻位移以及閘墻局部變形，從而全面地掌控閘室變形情況。

（2）通過有限元方法模擬了船閘運行期與檢修期的受力情況，獲得船閘整體與閘室的水平位移云圖，以論證本監測方法的可行性。