南水北調大型泵站工程監(jiān)測設計

于文蓬，王淑鳳 ，牟燕妮

（1.山東省水利勘測設計院，山東 濟南 250013；2.東阿縣水務局，山東 東阿 252200）

安全監(jiān)測對保證大型泵站的安全具有十分重要的作用。目前國內外許多大型泵站都進行了有效的安全監(jiān)測，并取得了良好的效果，獲得了大量翔實可靠的監(jiān)測數據，為大型泵站的正常運行提供了有效的安全保證，并對設計理論的改進提供了許多必要的依據。

1 大型泵站安全監(jiān)測內容

大型泵站的安全監(jiān)測是指通過儀器觀測和巡視檢查對大型泵站主體結構、地基基礎、兩岸邊坡、相關設施以及周圍環(huán)境所做的測量及觀察；監(jiān)測既包括對建筑物固定測點按一定頻次進行的儀器觀測，也包括對建筑物外表及內部大范圍對象的定期或不定期的直觀檢查和儀器探查。常用的大型泵站安全監(jiān)測主要有：

1.1 變形監(jiān)測

變形監(jiān)測是指利用專用的儀器和方法對變形體的變形現(xiàn)象進行持續(xù)觀測、對變形體變形性態(tài)進行分析和變形體變形的發(fā)展態(tài)勢進行預測等的各項工作。其任務是確定在各種荷載和外力作用下，變形體的形狀、大小及位置變化的空間狀態(tài)和時間特征。主要包括表面變形、內部變形、裂縫及接縫觀測、水平及垂直位移等監(jiān)測。

1.2 應力、應變監(jiān)測

應力、應變監(jiān)測是指建（構）筑物施工過程中，采用監(jiān)測儀器對受力結構內部應力、應變變化進行的技術監(jiān)測，以監(jiān)視建筑物的安全運行，全面反映建筑物的工作狀況，對可能發(fā)生的險情提前預報。主要包括應力監(jiān)測、應變監(jiān)測、溫度監(jiān)測等。

1.3 土壓力監(jiān)測

土壓力監(jiān)測是指利用土壓力計對接觸面上的土壓力及地基反力進行監(jiān)測的技術手段。通過監(jiān)測，實時掌握建筑物的運行情況，并可對土壓力及基底應力的設計、計算提供驗證依據。

2 安全監(jiān)測實例

根據工程實際，選取南水北調東線一期工程鄧樓泵站（簡稱：鄧樓泵站）主廠房為例，介紹一下其安全監(jiān)測設計。

鄧樓泵站是南水北調東線工程第十二級抽水梯級泵站，位于山東省梁山縣境內，梁濟運河與東平湖新湖區(qū)南大堤相交處。工程等別為Ⅰ等，建筑物級別為1級。泵房底板長36.47 m，寬37.30 m。鄧樓泵站主廠房的安全監(jiān)測采用了水平及垂直位移觀測、大體積混凝土內部應力監(jiān)測，泵站外側接觸面土壓力監(jiān)測、泵站主廠房基地壓力監(jiān)測等安全監(jiān)測方法。

水平及垂直位移觀測采用的是傳統(tǒng)的設置觀測標點的方法，其優(yōu)點是觀測方法簡單，易于實行。本文著重從混凝土內部應力、應變監(jiān)測、接觸面土壓力監(jiān)測及基底壓力監(jiān)測方面進行闡述。

2.1 混凝土內部應力、應變監(jiān)測

混凝土內部應力、應變觀測通常包括混凝土應力、應變以及鋼筋應力觀測，使用的觀測儀器一般包括混凝土應變計或應變計組，混凝土應力計、混凝土無應力計以及鋼筋計。鄧樓泵站選擇采用振弦式傳感器進行測量，其優(yōu)點在于靈敏度和精度較高，穩(wěn)定性好，易于自動化測量，長電纜傳輸可靠，電纜絕緣要求低。

振弦式傳感器的測量原理為：將一張緊的鋼弦與傳感器受力部件連接固定，利用鋼弦自振頻率與鋼弦所受到的外加張力關系測得各種物理量。

鄧樓泵站主廠房混凝土內部應力應變測量采用了應變計和應變計組進行監(jiān)測，其主要作用為通過測量結構內部應變，推算相應的結構應力。根據工程實際，應變計主要選擇在主廠房的底板邊墩及進水池擋墻等高度較大的結構上選取代表性斷面布置測點，根據具體結構的受力特點的理論分析來確定采用單向應變計或雙向應變組進行測量。

2.2 外側接觸面土壓力監(jiān)測

建筑物外側接觸面土壓力監(jiān)測可以通過在土體與混凝土接觸面安裝土壓力計實施監(jiān)測。鄧樓泵站接觸面土壓力監(jiān)測選用振弦式土壓力計。其優(yōu)點為：具有優(yōu)越的技術性能指標，精度和靈敏度較高，長期穩(wěn)定性好，抗腐蝕和抗沖擊性能好。

振弦式土壓力計的測量原理為：當表面剛性板受到土壓力作用后，通過傳力軸將作用力傳至彈性薄板，使之產生撓曲變形，同時也使嵌固在彈性薄板上的兩根鋼弦柱偏轉，使鋼弦應力發(fā)生變化，鋼弦的自振頻率也相應變化，利用鋼弦頻率儀中的激勵裝置使鋼弦起振并接收其振蕩頻率，使用預先標定的壓力——頻率曲線，即可換算出土壓力值。

在工程實踐中，為了保證工程的安全性，節(jié)約投資，一般選取土壓力較大、受力情況復雜、工程地質條件差或者結構薄弱等具有代表性的部位進行壓力計的布置。

鄧樓泵站的接觸面土壓力監(jiān)測選擇在主廠房右岸選取斷面布置測點。鄧樓泵站主廠房右岸有副廠房，其基礎采用混凝土灌注樁處理，其外部填土的狀況較左岸更為復雜，因此選擇在右岸布置測點。為了保證建筑物的可靠性，鄧樓泵站主廠房兩岸的回填土采用回填水泥土和回填黏性土相結合的方式，從而在一定程度上減小土壓力，有利于建筑物的安全。根據土壓力計算模型理論，結合工程實際：回填水泥土的頂高程為30.00 m（1985國家高程基準），同時兼顧經濟因素，選擇沿主廠房高度布置4個測點，分別布置在高程 38.41 m、31.00 m、29.00 m、22.80 m，以滿足觀測需要。

2.3 基底壓力監(jiān)測

基底壓力監(jiān)測屬于接觸面土壓力監(jiān)測的一種，其作用主要用來測量基礎底面所產生的應力，對保證建筑物的安全運行、驗證復雜結構的整體穩(wěn)定計算成果具有重要的作用。

鄧樓泵站基底壓力監(jiān)測采用振弦式壓力計進行，依據穩(wěn)定計算結果，在主廠房和進水池擋墻可能產生最大應力的位置分別布置了振弦式壓力計。鄧樓泵站主廠房、前池及進水池均采用水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）進行基礎處理，因此基底壓力觀測采用2個壓力計為一組的布置方法，每組分別在原狀土和CFG樁頂部各設置1個壓力計，進行對比觀測。

3 其他設計問題

3.1 測點編號

泵站安全監(jiān)測過程中由于測點多，測點布置分散，因此，在設計階段對每個測點進行詳細的編號是十分必要的。這樣可以有效避免由于測點多，導線混亂而導致的測點被混淆的錯誤，同時，為以后施工的順利進行，以及獲得正確有效的安全監(jiān)測數據提供必要的保證。

3.2 電纜布設

電纜作為觀測儀器傳輸數據的媒介，其正常工作對于能否得到有效的觀測數據起著至關重要的作用，如果眾多電纜在建筑物內部雜亂無序布置，對建筑物施工過程中的混凝土振搗十分不利，同時混凝土振搗也極易損傷電纜，造成觀測儀器無法正常工作。因此觀測電纜的有序布置是安全監(jiān)測設計及施工時必須考慮的問題。鄧樓泵站采用將電纜套管，就近與鋼筋網綁扎固定在一起的方法，避免了電纜走線的雜亂無序，同時減少了使用保護管的費用，不失為一個便捷經濟的方法。

［1]林繼鏞.水工建筑物 ［M］.北京：中國水利水電出版社，2009.

［2]王才歡，屈國治等.水工程安全檢測與評估［M］.北京：中國水利水電出版社，2008.

［3]中華人民共和國水利部.SL 60-94土石壩安全監(jiān)測技術規(guī)范［M］.北京：水利電力出版社，1995.