寒區鋼壩閘安全監測設計研究

李 昂

(黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

1 工程概況

雞冠山渠首樞紐工程坐落于雞東縣城西8 km雞西市郊內穆棱河上，穆棱河流域屬于中溫帶大陸性季風氣候，多年平均蒸發量為742 mm(穆棱站E601蒸發皿觀測值)。全年日照時數2632 h，年盛行風向為西風和西南風，多年平均風速3.3 m/s，年最大風速28.7 m/s。根據穆棱河穆棱站冰情資料統計，穆棱河封凍期一般在11月中旬，解凍期4月上旬，最大冰厚1.42 m，多年平均最大冰厚1.08 m。

雞冠山渠首工程是雞林灌區的水源工程，對雞林灌區灌溉起著至關重要的作用，攔河蓄水灌溉形式：全閘方案。全閘方案采用3孔×30 m鋼壩閘，兩個中墩2.0 m×6.3 m，閘頂高程186.84 m，設計引水位181.75 m，設計洪水位185.20 m(P=5%)，校核洪水位186.30 m(P=2%)。該方案基本恢復天然河道行洪能力，改善渠首的運行條件，春季凌汛排冰問題得以有效的解決，開閘是泄洪，對閘前的淤積沖刷較徹底，同時對于水生態來說，沒有完全阻斷魚類的洄游通道。全閘方案的渠首工程特性如表1所示。

表1 雞冠山渠首工程特性表

鋼壩閘屬于翻板閘門的一種(底軸驅動翻板閘門)，其創新之處在于：由于結構受力(設計理念按縱向懸臂結構進行設計，使計算斷面與跨度大小無關，單孔跨度較大)的不同，使得孔口寬度范圍可在10～100 m；水頭差可在1～6 m。閘門門頁繞底軸翻轉，具有常規翻板閘和橡膠壩的雙重優勢。

黑龍江省為寒冷地區，雞冠山渠首采用的底軸驅動翻板閘門從規模上為中型水閘，同時為我省單孔跨度較大的水閘，從工程運行安全角度和后期工程管理出發，對鋼壩閘進行安全監測設計為后期同規模工程指導施工及提高設計水平是很有必要的。

2 鋼壩閘安全監測設計

2.1 滲流監測

根據《水利水電工程安全監測設計規范》，水閘基底滲透壓力監測斷面應根據地質條件、水閘結構型式、閘基輪廓線形狀等因素確定。鋼壩閘滲流監測沿順水流方向布置2個滲流斷面，每個斷面在地下輪廓線有代表性部位布置7個監測點[1-2]。滲流監測采用振弦式滲壓計(見圖1)，振弦式傳感器是以拉緊的金屬弦作為敏感元件的諧振式傳感器。當弦的長度確定之后，其固有振動頻率的變化量即可表征弦所受拉力的大小，通過相應的測量電路，就可得到與拉力成一定關系的電信號。

圖1 振弦式滲壓計結構示意圖

2.2 位移監測

鋼壩閘的閘門底軸凈寬為30 m，作用在閘室底板上，閘室的不均勻沉降或者位移等會對鋼壩閘的底軸造成一定影響，甚至造成底軸變形進而閘門無法啟閉。鋼壩閘位移監測在閘室底板6個分縫處各布置2支傳感器，分別測垂直位移和水平位移[3-5]。位移監測采用振弦式測縫計(見圖2)，測縫計用于測量混凝土、巖石、土體和結構物伸縮縫的開合度，內置的溫度傳感器可同時監測安裝位置的溫度，內部萬向節接頭允許一定程度的剪切位移。采用不銹鋼制造的振弦式測縫計具有很高的精度和靈敏度、卓越的防水性能、耐腐蝕性和長期穩定性。由專用的四芯屏蔽電纜傳輸頻率和溫度電阻信號，頻率信號不受電纜長度的影響。適合埋設在混凝土內長期監測建筑物的裂縫變化。

圖2 振弦式測縫計結構示意圖

每支傳感器有專用水工電纜將信號傳輸至自動化數據采集儀，故布置電纜走向同時需布置保護管防止電纜受到破壞。

3 鋼壩閘安全監測成果分析

3.1 滲流監測成果

通過對傳感器的數據采集，部分傳感器的監測數據如表2所示。

表2 滲壓計監測數據

由于不同傳感器的率定表不同，現選取其中一支進行成果計算演示：

編號1519648滲壓計的當前讀數R1是8454.603 kPa，當前溫度T1是14.1 ℃，初始溫度是22.4 ℃，系數K=-0.050 27 kPa/℃，A=-1.874 99E-07，B=-0.108 835 682，C=963.455 532。滲流壓力P計算公式如式(1)所示。

(1)

式中：A為多項式率定系數；R1為傳感器讀數，kPa；B、C為已知率定系數；K為系數，kPa/℃；T1為傳感器讀數當前溫度數值， ℃；T0為初始溫

度， ℃；S1為當前大氣壓值，mbar；S0為初始大氣壓值，998.1 mbar。

通過計算可知，選取的編號1519648滲壓計的壓強值為30.31 kPa。

根據上表計算結果并分析可知，當正常蓄水工況下，鋪蓋和齒墻前布置的滲壓計壓強為31.96 kPa，鋪蓋和齒墻后布置的滲壓計壓強值16.82 kPa，這說明上游鋪蓋和齒墻的防滲效果較好，起到了一定的防滲作用。

3.2 位移監測成果

位移監測同樣對傳感器進行數據采集，經過分析處理計算，部分傳感器監測數據如表3所示。

表3 測縫計監測數據

現選取其中一支測縫計進行成果計算演示：

編號1410882測縫計的當前讀數R1是6319.392 mm，當前溫度T1是15.2 ℃，初始溫度是22.0 ℃，系數K=-0.003 63 mm/℃，A=8.384 37E-09，B=0.004 062 785，C=-10.195 924 54。位移L計算公式如式(2)所示。

(2)

式中：A為多項式率定系數；R1為傳感器讀數,mm；B、C為已知率定系數；K為系數，mm/℃；T1為傳感器讀數當前溫度數值， ℃；T0為初始溫度， ℃。

通過計算可知，選取的編號1410882測縫計的豎向位移值為15.84 mm。

通過在鋼壩閘閘室底板分縫處上布置的測縫計進行觀測，根據上表計算結果并分析可知，閘室底板分縫處最大的豎向位移為23.06 mm，單跨鋼壩閘底軸長度為30 m，在正常運行工況下位移不會對底軸產生不利影響。

4 結 語

隨著水閘安全監測的快速發展，其安全監測研究與應用將日趨深入廣泛。本文研究僅以雞冠山渠首鋼壩閘工程為依托，鋼壩閘安全監測布置設計應根據工程規模、復雜程度和不利后果、經濟分析等因素，本工程布置了滲流監測和位移監測，從鋼壩閘的滲流監測結果來看，在蓄水完成水位穩定后，上游鋪蓋和齒墻的防滲效果較好，起到了一定的防滲作用。從鋼壩閘的位移監測結果來看，閘室底板在分縫處產生一定的位移，但位移對鋼壩閘底軸不會產生不利影響。加強對工程安全監測與相關問題研究，對于保證工程的安全、反饋設計、延長工程運行壽命、為運行管理提供決策依據以及提高工程運行的社會經濟綜合效益等方面都有著十分重要的意義。