長(zhǎng)距離有壓輸水隧洞安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其建設(shè)特點(diǎn)分析

楊雙龍，沈恩祥，楊建喜

(遼寧省水資源管理集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110003)

1 工程概況

遼寧重點(diǎn)輸水、水源工程，由有壓隧洞、取水口(巖塞爆破段)、檢修豎井、3#進(jìn)排氣井、出口調(diào)壓井、JA供水支線組成。工程主洞全長(zhǎng)99.54km，沿線布設(shè)了14條施工支洞和1條連通支洞，支洞總長(zhǎng)24.56km。主體工程設(shè)計(jì)輸水流量77m3/s，多年平均調(diào)水量19.94億m3，為全程有壓引水。JA供水支線工程主洞全長(zhǎng)14.6km，沿線布設(shè)4條施工支洞，支洞總長(zhǎng)2.2km。工程設(shè)計(jì)輸水流量1.74m3/s，多年平均調(diào)水量0.34億m3，為全程有壓引水。

2 安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

水源工程安全監(jiān)測(cè)斷面主要布置在主隧洞、隧洞支線、進(jìn)口巖塞集渣坑段、檢修豎井、出口調(diào)壓井、3#進(jìn)排氣井、沿隧洞分布的永久檢修支洞內(nèi)，安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)全線共設(shè)置51個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，共布置5個(gè)數(shù)據(jù)采集站(HJ1～HJ5)和6個(gè)水位現(xiàn)地采集站(HJ6～HJ11)，自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)1個(gè)中心監(jiān)測(cè)站(位于沈陽(yáng)調(diào)度中心，屬于遠(yuǎn)程控制)及數(shù)據(jù)管理分析平臺(tái)，自動(dòng)化系統(tǒng)總體框架分為兩級(jí)，第二級(jí)現(xiàn)地采集站和第一級(jí)監(jiān)測(cè)站間的信號(hào)傳輸通過租賃公網(wǎng)和無線通訊來實(shí)現(xiàn)。

全線不同部位布設(shè)安全監(jiān)測(cè)儀器用于監(jiān)測(cè)隧洞內(nèi)外水壓力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變、錨桿應(yīng)力、沿程水溫、隧洞沿程壓力水頭、庫(kù)水位、流量、接縫變化等，共布置監(jiān)測(cè)儀器497支(其中光纖光柵式儀器419支、振弦式儀器78支)、超聲流量計(jì)4套、一體化水位監(jiān)測(cè)站1套、光纖光柵解調(diào)儀12套、振弦式數(shù)據(jù)采集儀(MCU)5套，線纜81.3km(其中光纜68.9km、四芯屏蔽電纜12.4km)，設(shè)置光纜溝14.74km。安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置如圖1所示。

3 安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)特點(diǎn)

3.1 設(shè)計(jì)充分認(rèn)識(shí)安全監(jiān)測(cè)的重要性

該水源工程沿線穿過多條斷裂構(gòu)造，巖性復(fù)雜，局部地下水較豐富，通過各斷裂構(gòu)造圍巖穩(wěn)定問題和各巖組間侵入及不整合接觸，混染作用造成的圍巖失穩(wěn)問題、局部突涌水問題等突出，工程取水口巖塞爆破段直徑達(dá)7.3m，厚度11m，高邊墻集渣坑施工作業(yè)面距離水庫(kù)底部最近僅約16m，最高水頭差高達(dá)50m左右，施工過程存在與庫(kù)水位連通、涌水、塌方的風(fēng)險(xiǎn)，施工安全管控難度大；集渣坑、高邊坡洞室開挖爆破，大體積混凝土襯砌澆筑、土石方填筑等施工過程對(duì)工程安全可能造成的不利影響，存在較大安全隱患，設(shè)計(jì)過程中充分認(rèn)識(shí)到長(zhǎng)距離有壓輸水隧洞安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)的重要性，隧洞薄弱環(huán)節(jié)、巖塞取水口、重要單體建筑物均成為工程監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)；根據(jù)安全監(jiān)測(cè)資料及時(shí)調(diào)整和更改爆破、支護(hù)參數(shù)、澆筑混凝土?xí)r混凝土入倉(cāng)溫度、澆筑厚度等；巖塞爆破段相關(guān)監(jiān)測(cè)儀器的埋設(shè)，評(píng)估爆破后輸水隧洞承受巨大的水壓力作用后果，密切監(jiān)控建筑物及其基礎(chǔ)性狀的變化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)工程隱患安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)意義重大。

圖1 安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置示意圖

安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括監(jiān)控施工期安全和運(yùn)行期安全。施工期監(jiān)控主要監(jiān)測(cè)臨時(shí)建筑物及永久性建筑物在建設(shè)過程中可能發(fā)生的安全問題，運(yùn)行期監(jiān)控監(jiān)測(cè)永久建筑物長(zhǎng)期運(yùn)行中，因性態(tài)變異而發(fā)生的異常跡象，以便及時(shí)采取措施，防止或避免重大事故發(fā)生，保證正常運(yùn)行，同時(shí)根據(jù)長(zhǎng)期運(yùn)行積累的監(jiān)測(cè)資料掌握建筑物的運(yùn)行規(guī)律，預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)其未來性態(tài)及發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)水工建筑物的安全狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，為調(diào)度運(yùn)行和加固處理等提供科學(xué)的依據(jù)。

監(jiān)測(cè)成果反饋到設(shè)計(jì)方，為后續(xù)類似工程設(shè)計(jì)積累經(jīng)驗(yàn)，為科研提供數(shù)據(jù)支撐，研究成果運(yùn)用到新工程設(shè)計(jì)及施工中，降低工程造價(jià)、縮短工期，發(fā)揮更大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

3.2 安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)儀器的選擇

結(jié)合長(zhǎng)距離、有壓輸水隧洞的特點(diǎn)，首先有壓引水隧洞的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)跨越地域復(fù)雜，某些區(qū)域電磁輻射較強(qiáng)，傳統(tǒng)電測(cè)傳感器的抗電磁能力較差，幾乎無法實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)，而FBG傳感器的傳感性能不會(huì)受到影響。其次有壓引水隧洞的監(jiān)測(cè)距離較長(zhǎng)，傳統(tǒng)電測(cè)傳感器會(huì)因此導(dǎo)致電阻過大，嚴(yán)重影響傳輸?shù)男阅埽鳩BG傳感器是將應(yīng)變轉(zhuǎn)換成光的波長(zhǎng)信號(hào)進(jìn)行捕捉的傳感器，傳輸光纜的光損耗較小，不會(huì)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果帶來較大誤差，不受外界光照的影響，再有有壓引水隧洞監(jiān)測(cè)區(qū)域較廣，酸堿度、氣候等差異較大，F(xiàn)BG傳感器由惰性材料構(gòu)成，具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性，具有很好的防雷擊特性，具有很好的抵抗化學(xué)腐蝕的性能，適合由于惡劣環(huán)境下的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)，如潮濕、腐蝕性強(qiáng)的監(jiān)測(cè)環(huán)境[5]。另外采用FBG傳感器信息傳輸光纖通道一般可串接數(shù)十個(gè)FBG傳感器，大量減少傳輸導(dǎo)線，易于現(xiàn)場(chǎng)施工。為適應(yīng)長(zhǎng)距離、有壓工程環(huán)境儀器大部分采用FBG傳感器(占總監(jiān)測(cè)儀器數(shù)量的85%)。

工程結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工地域條件，便于架設(shè)永久供電系統(tǒng)及具備后期檢修維護(hù)條件，為獲得傳統(tǒng)儀器與光纖光柵儀器采集數(shù)據(jù)的對(duì)比，局部單體建筑物采用技術(shù)成熟，適用近距離信息傳輸?shù)恼裣沂絺鞲衅鳌?/p>

3.3 隧洞內(nèi)有壓環(huán)境光纜敷設(shè)方式選擇

隧洞安全監(jiān)測(cè)信號(hào)傳輸光纜由各數(shù)據(jù)采集站經(jīng)永久檢修支洞向隧洞內(nèi)各監(jiān)測(cè)斷面敷設(shè)(包括HJ1、HJ3、HJ4和HJ5采集站)。為保證光纜及斷面接頭部位的防水安全，支洞段盡量將光纜掛裝在隧洞洞壁水位以上，傳輸光纜采用卡具以間距1m左右沿程固定。

對(duì)于主洞通訊光纜的布設(shè)，從方便布線施工、方便傳感器組網(wǎng)調(diào)試以及后期的檢修維護(hù)考慮，主通訊光纜一般有兩種布設(shè)方式：明線及暗線，考慮后期能否進(jìn)行檢修維護(hù)，暗線分為可更換暗線敷設(shè)及不可更換暗線敷設(shè)，目前國(guó)內(nèi)光纜敷設(shè)以明線或可更換暗線敷設(shè)的方式為主，本工程根據(jù)有壓或無壓及結(jié)合后期檢修維護(hù)，采用明線和不可、可更換暗線三種布設(shè)方法。第一種方式如圖2所示，在拱頂或邊墻預(yù)安裝光纜支架及不銹鋼鋼絞線，將主通訊光纜固定于鋼絞線上，此方式方便后期檢修，主要適用于無壓輸水隧洞洞內(nèi)水位較低或無水條件。第二種方式如圖3所示，在隧洞底角預(yù)留光纜線槽，布好光纜后上方用不銹鋼罩或混凝土板覆蓋，此方式方便隧洞內(nèi)無水時(shí)維護(hù)檢修(多運(yùn)用于公路隧道或鐵路隧道)。第三種方式如圖4所示，按第二種方式在隧洞仰拱中部預(yù)留光纜線槽，敷設(shè)光纜通過扣管初步進(jìn)行保護(hù)后，回填混凝土進(jìn)行封閉式保護(hù)，此方式長(zhǎng)距離布設(shè)不可維修和更換。結(jié)合本工程長(zhǎng)距離、有壓、后期洞內(nèi)氧氣濃度、采光條件的限制，主隧洞采用第三種方式敷設(shè)光纜，延長(zhǎng)光纜的使用年限，支洞內(nèi)無水環(huán)境采用第一種方式布設(shè)，以上幾種光纜敷設(shè)方案均將在隧洞襯砌施工完成后進(jìn)行，光纜的布設(shè)及傳感器的最終組網(wǎng)不會(huì)影響隧洞主體的施工進(jìn)度。

圖2 拱頂安裝光纜方式

圖3 仰拱部位預(yù)留光纜線槽

針對(duì)運(yùn)行期洞內(nèi)高壓環(huán)境，光纜接頭均采用熔接方式，接頭盒采用特殊耐高水壓型光纜接頭盒，盒內(nèi)采用防水介質(zhì)填充，以確保接頭處的防水耐壓效果，數(shù)據(jù)采集的真實(shí)有效。

3.4 有效縮短長(zhǎng)距離采集信息傳輸

該水源工程沿線布設(shè)了14條施工支洞和1條連通支洞，結(jié)合工程水工建筑物分部特點(diǎn)及預(yù)留永久支洞部位，安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)沿線共布置5個(gè)數(shù)據(jù)現(xiàn)地采集站和6個(gè)水位現(xiàn)地采集站，4個(gè)數(shù)據(jù)采集站分別設(shè)在具有供電條件進(jìn)口檢修豎井啟閉機(jī)室(HJ1)、出口調(diào)壓井啟閉機(jī)室(HJ3)、隧洞支線出口流量計(jì)井(HJ4)、3#進(jìn)排氣井啟閉機(jī)室(HJ5)；HJ2數(shù)據(jù)采集站設(shè)在5#永久支洞洞口，6個(gè)水位現(xiàn)地采集站(HJ6、HJ7、HJ8、HJ9、HJ10、HJ11)分別布置在永久檢修支洞口采集站房屋內(nèi)及取水口，并通過太陽(yáng)能電池板提供電源，現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)采集站結(jié)合永久支洞口布置，有效縮短光纜敷設(shè)距離，從而縮短信息采集傳輸距離，有效降低信號(hào)傳遞過程的衰減，確保采集數(shù)據(jù)的真實(shí)有效，信號(hào)傳輸公網(wǎng)不易敷設(shè)地段，通過無線通訊(GPRS/GSM)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地采集站和監(jiān)測(cè)總站的信號(hào)傳輸，各現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)采集站相互獨(dú)立的采集系統(tǒng)，相互不受影響，使工程整體有效數(shù)據(jù)采集冗余能力大大提高。

3.5 滲壓計(jì)的安裝應(yīng)具備更換條件

以進(jìn)口檢修豎井為界，根據(jù)隧洞檢修豎井的位置，是否具備檢修的條件將光纖光柵式滲壓計(jì)分為兩種安裝方式：一種為與襯砌同步進(jìn)行(檢修豎井閘門前連接段不具備檢修條件)，一種為在襯砌中預(yù)埋PVC管，襯砌完成后鉆孔進(jìn)行安裝(檢修閘門后具備維修更換的條件)，以確保混凝土結(jié)構(gòu)承受外界水壓力的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。

3.6 采用單獨(dú)招標(biāo)、專業(yè)隊(duì)伍施工

安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的施工是整個(gè)水利水電工程重要組成部分，但由于安全監(jiān)測(cè)工作費(fèi)用和工程量與土建工程費(fèi)用和工程量相比所占比例仍很低，在本工程中所占比例僅為1/400，分標(biāo)段后所占比例將更小，如果單獨(dú)由土建施工單位標(biāo)來施工，施工單位一般對(duì)安全監(jiān)測(cè)工作不夠重視，致使配置的技術(shù)力量不足，不能完全滿足安全監(jiān)測(cè)工作的要求，安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)施工應(yīng)由熟悉工程水文、地質(zhì)、水工結(jié)構(gòu)及其基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、施工工藝、工程運(yùn)行條件的工程技術(shù)人員和熟悉安全監(jiān)測(cè)方法并熟悉監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備性能、精度及可靠度的監(jiān)測(cè)技術(shù)人員共同協(xié)作完成，按遼寧省重點(diǎn)輸水工程高標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)質(zhì)量要求，安全監(jiān)測(cè)標(biāo)單獨(dú)設(shè)標(biāo)、招標(biāo)，選擇有專業(yè)、豐富經(jīng)驗(yàn)的承包單位，從FBG傳感器專業(yè)率定(目前國(guó)內(nèi)仍沒有FBG傳感器率定參考標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范)，光纜的專業(yè)檢測(cè)、熔接，耐高水壓型光纜接頭盒的研發(fā)試驗(yàn)(正申請(qǐng)專利)，安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的軟件開發(fā)，甚至到安全監(jiān)測(cè)標(biāo)的質(zhì)量評(píng)定及驗(yàn)收均要求專業(yè)化隊(duì)伍來完成，從根本上保證安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)長(zhǎng)距離、全程有壓輸水隧洞工程的復(fù)雜性、重要性，充分認(rèn)識(shí)設(shè)置安全監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的重要性，結(jié)合工程實(shí)際情況，形成自己安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獨(dú)有的施工特點(diǎn)，為保證安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的質(zhì)量、安全可靠，安全監(jiān)測(cè)單獨(dú)招標(biāo)，采用專業(yè)隊(duì)伍進(jìn)行施工，采用目前先進(jìn)的光纖光柵傳感新技術(shù)與傳統(tǒng)電測(cè)儀器結(jié)合、有效利用現(xiàn)有支洞工程，盡量縮短現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)采集站距離、考慮洞內(nèi)長(zhǎng)期有壓環(huán)境，光纜敷設(shè)預(yù)留光纜溝槽進(jìn)行封閉保護(hù)，為加強(qiáng)隧洞襯砌周圍外水壓力監(jiān)測(cè)，大部分滲壓計(jì)埋設(shè)安排在襯砌完成后埋設(shè)，滲壓計(jì)失效可以進(jìn)行更換，這些特點(diǎn)對(duì)類似水利水電工程安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)及施工具有很好的借鑒意義。

[1] 蘭福江. 石山口水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)探討[J]. 河南水利與南水北調(diào), 2010(05): 112- 113.

[2] 代正強(qiáng). 敦煌市城市水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控與管理信息化系統(tǒng)建設(shè)[J]. 中國(guó)水利, 2014(21): 28- 29.

[3] 周克明, 楊建喜, 錢亞俊. 光纖光柵儀器在引水工程中的應(yīng)用[J]. 水利信息化, 2015(04): 44- 47.

[4] 周雪芳, 梁磊. 光纖光柵傳感器穩(wěn)定性試驗(yàn)研究[J]. 傳感器與微系統(tǒng), 2007(11): 25- 27.

[5] 潘恒飛. 基于FBG的有壓引水隧洞安全監(jiān)測(cè)技術(shù)研究[D]. 南京理工大學(xué), 2016.

[6] 弓俊青, 岳清瑞, 趙樹明. 光纖光柵傳感技術(shù)在大型鋼結(jié)構(gòu)施工監(jiān)控中的應(yīng)用[C]. 第7屆全國(guó)建筑物鑒定與加固改造學(xué)術(shù)會(huì)議論文集, 2015.