于橋水庫新建州河暗渠工程安全監測系統研究

朱 雷

1 工程概況

新建州河段暗渠工程是飲用水源保護工程的一部分,位于州河左側。該暗渠工程自于橋水庫電站下游的尾水渠始,沿州河東側至九王莊閘上,全線共34 km,設計流量50 m3/s。暗渠沿線主要建筑物包括32 km長鋼筋混凝土箱暗渠、渠首樞紐工程(州河節制閘和暗渠進口閘)、倒虹吸(5座)、調節池、檢修閘(6座)、進人口(9座)、暗渠出口閘以及穿越公路和鐵路等工程。暗渠斷面結構采用3孔單聯箱涵,單孔斷面尺寸為4.3 m×4.3 m,鋼筋混凝土結構。底板和邊墻厚度約為0.55 m,隨箱涵頂部覆蓋土層厚度的變化而有所變化。暗渠渠底建基面均在地下水位以下。基坑開挖時樁號為0+223～3+500,15+800～20+000,22+000～24+400三段為粘砂雙層結構。其余地段均為黏性土均一結構段。對于黏性土均一結構段,其滲透系數較弱,滲透水量有限。而粘砂雙層結構段,砂土為粉砂、細砂、中砂,屬中強透水層,存在著施工基坑排水問題。

根據暗渠工程水工結構初步設計推薦的引水方案,暗渠進水口位于于橋水庫電站尾水出口。進水口處設置引水前池和進水閘,以便控制進水暗渠的水流和水量。暗渠下游出水口位于九王莊,與明渠相接,并設置出水閘。整個暗渠分為無壓輸水段和有壓輸水段兩部分。其中無壓輸水段長約9.05 km,位于上游,特征建筑物包括暗渠、1座溢洪道倒虹吸、2座遼運河倒虹吸和3個進人通氣孔、1個檢修閘;有壓輸水段長約 24.95 km,位于下游,典型建筑物包括暗渠、1座薊運河倒虹吸、1座東三道港干渠倒虹吸、5座檢修閘和6個進人通氣孔。有壓輸水段和無壓輸水段之間設置調節池,并在調節池上、下游兩側設置節制閘,以控制進水有壓輸水段的水流。

2 總體監測方案

根據新建暗渠段安全監測距離長的特點以及暗渠本身的結構特點,最終采用監測特征斷面的方式,通過監測各段暗渠段的各種信息,以把握整個暗渠的安全。

總體設計,新建州河暗渠安全監測系統由17個監測斷面,9個監測站和1個中心控制室自動化數據采集系統組成,沿暗渠頂部敷設36芯光纜進行系統的數據傳輸。

監測系統星形拓撲如圖1所示。

2.1 監測內容

1)箱涵不均勻沉降引起的變形監測。2)無壓段、有壓段的滲流監測。3)混凝土和鋼筋的應力監測。4)土壓力監測,了解箱涵與基礎接觸部分的應力與受力狀態,了解地基的承載力狀況。5)無壓段箱涵內部水位和有壓段箱涵內部水壓力的監測,了解暗渠箱涵的工作情況;了解無壓段的內部水位情況,獲取箱涵內部的水面線信息;了解有壓段的內水壓力情況,評估箱涵內部受壓狀況。6)施工期和運行期溫度監測,以評估溫度變化對暗渠箱涵混凝土襯砌應力的影響。7)混凝土分縫澆筑的接縫監測,以便了解各施工段沿暗渠軸向的相對變形情況。

2.2 監測斷面與傳感器布置

根據監測內容的需要,最后的方案確定在34.14 km長的引灤暗渠,共設監測斷面17個,監測站9個,共布置各類監測傳感器259個。

表1 監測站情況

由于振弦式傳感器到數據采集單元之間的傳輸距離限制,為保證工程質量,本設計方案參考以往工程經驗,將監測站與監測斷面間距離控制在1 km之內。

根據暗渠沿線水工建筑物布置情況,在整個暗渠沿線共布置9個監測站,每個監測站根據所要采集的傳感器數量布置1臺或者2臺數據采集單元,共需要14臺監測數據采集單元。各斷面傳感器通過屏蔽電纜與數據采集單元相連。監測站位置及傳感器數量,數據采集單元通道數如表1所示。

2.3 自動化安全監測系統

自動化監測系統主要設備包括主控計算機、SQL數據庫服務器、WEB服務器、KVM 轉換器、顯示器、投影儀、網絡交換機、光纖轉換設備、打印機、鍵盤、鼠標以及其他附屬設備。主控計算機、SQL數據庫服務器、WEB服務器利用網絡交換機構成監測中心的監測局域網。各監測站通過本地數據采集單元采集所控制斷面上傳感器的監測資料,然后通過單模通訊光纜將數據資料上傳到監測中心的主控計算機,并由主控計算機負責分心和存入SQL數據庫服務器。由此實現由主控計算機控制各監測站的數據采集單元。另外,主控計算機作為工作站,用于采集監測資料和監測系統的控制,如設置數據采集單元的數據采集周期等。SQL數據庫服務器用于存儲從數據采集單元采集的各種傳感器信息。WEB服務器用于通過Web查詢服務和運行安全評估系統。監測中心原理圖如圖2所示。

3 結語

引灤暗渠長達34 km多,其安全監測系統的施工具有相當的難度,在國內外安全監測歷史上都是一個創舉。

引灤暗渠安全監測系統通過實時、全面地獲取暗渠運行過程中的各種監測數據,從而對暗渠運行狀態進行評估,為工程的安全穩定運行和于橋水庫的輸水調度提供了重要依據。

[1] 水利部天津水利水電勘測設計研究院科研所.天津市飲用水源保護工程新建暗渠段安全監測初步設計報告[R].2001.

[2] 清華大學引灤工程項目部.天津市引灤入津水源保護工程新建州河暗渠工程安全監測系統數據分析報告[R].2006.