沙河渡槽安全監測儀器埋設及成果初步分析

□趙 峰（南水北調中線工程建管局河南直管局）

□溫 帥（黃河勘測規劃設計有限公司）

1.概況

沙河渡槽工程位于河南省平頂山市魯山縣境內，是南水北調中線工程最關鍵的控制性項目之一，結構復雜，規模大，全長11.938km，總投資26 億元，是目前世界上最大的渡槽工程。沙河渡槽于2009年12月30日開工建設，計劃2013年7月完工。主要包括：沙河梁式渡槽、沙河-大朗河箱基渡槽、大郎河梁式渡槽、大朗河-魯山坡箱基渡槽、魯山坡落地槽及部分渠道工程。

基于這樣的重點工程，施工期及完工運行期的安全監測工作顯得特別重要。施工期的安全監測工作主要為：監測儀器設備及材料的采購、運輸、驗收和保管；儀器和設備的率定、安裝、埋設、調試和維護；監測數據的采集、資料的整編、分析工作及安全評價等。

2.監測項目

沙河渡槽工程的監測項目主要有渠道監測和渡槽監測。

2.1 渠道觀測項目

渠道滲流觀測、渠道水平垂直位移觀測、渠道邊坡穩定觀測等。

2.2 渡槽觀測項目

垂直位移觀測、應力應變觀測、鋼鉸線應力觀測、伸縮縫水平豎直觀測、滲流觀測、土壓力觀測、基底壓力觀測、水位觀測等。

本文重點分析渡槽內觀測儀器的埋設及成果。

3.設備及選型

根據監測項目需要，沙河安全監測主要安裝如下設備：鋼筋計、應變計、應變片、無應力計、錨索測力計、沉降儀、溫度計、測斜管、測斜儀、位移計、滲壓計、土壓力計、測縫計等。

振弦式儀器具有能夠長時間穩定工作、儀器靈敏度較高，受外界擾動較小、絕緣度要求較低、易于長距離自動化監測、結構簡單、安裝方便、堅固耐用、技術較為成熟，且價格相對較低等特點；結合沙河渡槽工程的特殊性，實際施工過程中采用了振弦式儀器。

4.主要儀器埋設

4.1 應變計

根據設計要求，確定應變計的埋設位置。儀器埋設位置誤差不超過2cm，角度誤差應不超過1°。埋設儀器周圍的混凝土回填時，要小心填筑，剔除混凝土中8cm 以上的大骨料，人工分層振搗密實。

4.1.1 單向應變計

本工程中大部分采用單向應變計，并采用預埋法，與埋設部位附近的鋼筋計相互校正，共同監測其應力應變狀態。

4.1.2 雙向應變計兩應變計保持相互垂直，相距8～10cm。兩應變計的中心與混凝土結構表面距離相同。

4.1.3 應變計組

將應變計固定在支座或支桿等附加裝置上，以保證在澆筑混凝土過程中儀器有正確的相互裝配位置和定位方向，并使其保持不變。埋設時設置無底保護木箱，并隨混凝土的升高而逐漸提升，直至取出。

4.2 鋼筋計

鋼筋應力計主要用于觀測鋼筋混凝土中的鋼筋應力。安裝埋設時，將鋼筋按照要求的尺寸裁截，然后將鋼筋應力計焊接或綁扎在鋼筋上，并保證鋼筋計與鋼筋在同一軸線上。鋼筋計埋設時一般有串聯和并聯兩種方法。

4.2.1 串聯安裝法

串聯安裝法是鋼筋計最常用的安裝方法，使用的鋼筋計標稱直徑一般與被測鋼筋相等，鋼筋計所測的力等于被測鋼筋的受力。焊接時可采用對焊、坡口焊或熔槽焊，焊接處的強度不低于被測鋼筋本身的強度。本工程主要采用該種安裝方法。

4.2.2 并聯安裝法

并聯安裝法有兩種，一種是綁焊安裝，另一種是綁扎安裝。鋼筋計周圍須用人工插搗混凝土，或小型振搗器在周圍插振；常規振搗器不得接近鋼筋計組1.0m 以內范圍。

沙河渡槽工程鋼筋計均采用串聯、雙面幫條單面焊接的方法安裝，這種方法既能保證其牢固性，也可確保儀器與鋼筋在同一直線上。

5.施工期監測成果初步分析

5.1 基準值的選取

基準值的選取對整個觀測成果有重要影響，針對沙河渡槽工程的實際特點結合相關技術要求及施工經驗，采取以下原則選取基準值：第一，對于監測基礎沉降類儀器，以儀器安裝后連續三次測值穩定后的測值作為基準值；第二，對于監測滲透水壓力類儀器，以安裝前的測值作為基準值。第三，混凝土內觀測儀器：應變計以澆筑后混凝土水化熱散盡時的穩定值為基準值；鋼筋計以安裝后澆筑前最后一次讀數為基準值。

5.2 資料分析

監測成果初步分析流程：數據入庫→數據初步檢驗及現場核實→圖表生成→初步分析。

在進行觀測資料分析時，本文有選擇性的對觀測時間較長以及部分建筑物關鍵部位的監測儀器進行簡要分析，既是對本工程一個初步總結，同時也可為類似工程提供一定參考。

本文選取觀測時間較長的原型試驗跨及第6 跨數據進行分析說明，觀察施工期內各階段渡槽結構內部的應力、應變變化情況。

圖1 原型試驗跨鋼筋計R24 測值過程線圖

圖2 原型試驗跨應變計S32 測值過程線圖

由圖1、圖2可知：原型試驗跨經歷了高溫（夏季）、低溫（冬季）時期，從應力變化看，澆筑完成后應力基本處于壓應力狀態，冬季壓應力主要集中在-5～80MPa 范圍內；從應變量變化看，澆筑完成一段時間后處于壓應變狀態，冬季壓應變量主要集中在-100μξ-250μξ 范圍內。另外，夏季受氣溫及荷載增加的綜合影響，壓應力及壓應變均相對增大。

圖3 第6 跨鋼筋計R6-9 測值過程線圖

圖4 第6 跨應變計S6-20 測值過程線圖

由圖3圖、4 圖可知：第6 跨數據采集半年多，鋼筋計大部分處于受壓狀態，近期壓應力主要集中在-10～80MPa 范圍內，應變計大部分處于壓應變狀態，近期壓應變主要集中在-50μξ-250μξ 范圍內；鋼筋計與同部位應變計應力狀態大部分一致。

5.3 性態評價

通過統計分析，監測數據與施工期建筑物的實際性態相吻合，且能夠反映出主體建筑物結構、變形等變化趨勢，可得出以下幾點認識：

一、由于處于施工期，除了渡槽自重以外，溫度荷載是主要荷載。水泥水化熱的產生及外界氣溫的變化引起的槽體混凝土溫度變化勢必會對渡槽安全造成影響，而溫度變幅大的槽體表面更易形成裂縫。由內部觀測儀器可知，建筑物大部分部位混凝土處于受壓狀態，后期逐漸趨于穩定，隨季節變化會出現浮動，這和混凝土內鋼筋受力情況基本相符：梁式渡槽原型試驗澆筑完成后應力基本處于壓應力狀態，冬季壓應力主要集中在-5～80MPa 范圍；從應變量變化看，澆筑完成一段時間后處于壓應變狀態，冬季壓應變量主要集中在-100μξ-250μξ 范圍；箱基渡槽底板下部有受拉趨勢，拉應力主要集中在20～30MPa之間，拉應變很小；底板上部處于受壓狀態，壓應力主要集中在-20～60MPa 之間。

二、箱基渡槽基礎單點位移計測值變化不大，反映出基礎較為穩定，受上部結構自重與基礎自身承載力影響較小；目前底板上部建筑物正逐漸施工完成，仍應密切關注基礎沉降變化。

三、施工期間相關溫度、雨量等監測設施不盡完善，監測資料主要是內觀和有限的基巖變形儀器，所以分析主要是初步的定性分析，相關時效、雨量、水位等因素需要在后期不斷完善，從而更有效地指導工程施工和運行。

6.工程建議

第一，應加強對混凝土入倉時溫度監測，并與設計方案中的溫度場進行對比，做好后期的反演分析，以指導施工方采取有效的降溫養護措施，保證夏、冬兩季時段混凝土澆筑質量。

第二，加強施工期間人工巡視，特別是汛期，應對渡槽槽身裂縫、槽墩變形、邊坡穩定等進行加密觀測，并與自動采集數據進行對比，從而科學合理地評價建筑物安全性態。

第三，嚴格執行“三檢”制度，對原始記錄要妥善保管，積累科學有效的施工期監測資料，為指導施工和建立能滿足工程需要的渡槽安全評價系統奠定基礎，加強數據庫管理和日常維護。

第四，周報、旬報、月報及年報要緊隨建筑物施工進度，及時準確地提出指導施工的建議；相關資料要統一歸檔，科學劃分，以保證后期有效查閱。

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