羅家河壩渡槽結構工程安全監測方案應用

王靈鴿

(四川省水利科學研究院，成都 610072)

0 引 言

我國是個水利大國，水利工程建筑數量眾多，渡槽作為典型的水工結構，對農業輸水灌溉工程有著十分重大的價值[1-3]。近年來，隨著早期建設的渡槽結構逐步進入病害多發及性能退化期，渡槽結構的安全運行和養護管理工作面臨著嚴峻的挑戰。在此背景下，強化渡槽動態運行監管，防范突發安全事故，進一步提升灌區既有渡槽結構安全運行和智能養護管理水平，顯得尤為重要和迫切[4-5]。

筆者通過對四川省都江堰東風渠既有渡槽的調研，發現渡槽普遍存在接近或超過設計使用年限。在進行輸水建筑物的技術改造中，需要評價現有渡槽安全性態是否能滿足安全運用要求，進而判定是保留或維修加固或拆除重建[6-8]。在渡槽工程整體運行現狀及安全評價方面，目前尚無統一的標準，致使渡槽工程改造建設中無法準確判斷工程是需要維修還是拆除重建。當前的運行管理一般都交給管理站自行巡查，只能采用目測、巡視的手段，在運行管理和判別工程建筑物質量上要較大的安全隱患[9-10]。

為了解決這個問題，本文選取四川省成都市東風渠羅家河壩渡槽為研究案例，通過調查分析渡槽現狀及存在的問題，提出與之相應的監測方案，旨在及時掌控既有渡槽的健康狀態，了解渡槽結構的工作情況。

1 羅家河壩渡槽工程簡介

羅家河壩渡槽位于新南干進水閘出口下游，由左右兩個渡槽組成，進出口由分水魚嘴銜接，實測渡槽間距2.1 m，進口魚嘴高度3.1 m，出口魚嘴高度3.3 m。左側為舊渡槽，起止樁號0+055～0+097(km+m)，進口段渠底高程499.374 m，出口段渠底高程499.324 m，流量16.7 m3/s，水深2.613 m；槽身類型為U型薄殼鋼筋砼簡支梁結構，支承形式為漿砌條石重力墩，實測槽身長度為3跨42 m(從上游往下游方向跨度依次分別為：14.5，14，13.5 m)，渠底比降1/800，建成時間約為1966年。右側為新渡槽，起止樁號0+053～101(km+m)，進口段渠底高程500.040 m，出口段渠底高程500.028 m，流量33.3 m3/s，水深1.934 m，槽身類型為矩形鋼筋砼簡支梁結構，支承形式為鋼筋砼排架，實測跨徑組合為8 m×5(孔)，渠底比降1/2 800，建成時間為1978年。渡槽現狀照片見圖1。通過現場調查，羅家河壩渡槽常年遭受洪水威脅，支撐墩極易發生傾斜變形，影響該渡槽的正常運行。

2 渡槽結構預警與安全評估子系統

綜合預警與結構安全評估子系統作為渡槽安全監測系統的核心部分之一，它通過監測結構的運行狀態，通過荷載輸入和結構響應數據對渡槽整體及關鍵部件的安全狀況進行評估，判斷結構是否處于正常使用極限狀態內，是否即將達到或超越服役極限狀態。對結構安全狀態的重要變化及渡槽出現不安全征兆時進行預警，提供報警信號，提醒管理人員關注結構運行安全狀況，及時進行維修養護，保障結構安全正常運行。具體為：對監測及識別的結果進行統計、對比分析、趨勢分析和相關性分析；對結構變形等監測參數建立明確的預警指標，對監測結果進行分級預警；綜合各種監測數據、內力狀態信息對結構進行綜合評估。傳感傳輸控制子系統所采集的監測數據是為預警與評估子系統服務的，依據上述兩者信息進行結構的綜合預警及安全評估。

利用當代傳感測試技術、計算機科學技術、光電子信息技術、渡槽結構計算分析技術、結構安全風險管理技術等最新成果，構建渡槽結構安全監測系統。通過可靠的實時監測、及時的預警響應、準確的安全評估和科學的決策支持，切實提高渡槽的安全運行和管理水平，本工程主要用到的監測儀器見圖2。

圖2 羅家河壩渡槽監測儀器

渡槽結構安全監測系統設計的核心任務是獲得渡槽在役期的代表性環境荷載、結構的響應以及局部損傷等信息，在對監(檢)測信息進行評估的基礎上定期獲得結構安全狀態信息，為結構的安全、高效、經濟運行管養決策的制定提供技術支持。系統包括以下子系統：

1) 傳感傳輸控制子系統，其包括以下三大模塊：①傳感器模塊：通過傳感器將各類監測信號轉換為電(光)以及以太網信號。②數據采集與傳輸模塊：將監測信號轉換為標準以太網數字信號并完成遠程傳輸。③數據處理與控制模塊：將監測信號進行預處理以及二次處理以便向其它子系統提供有效的信息源或力學指標，根據需要設定程序監測并控制監測參數的采集。

2) 結構預警與安全評估子系統。對渡槽結構和構件的代表性監測數據進行統計、分析、預警，以及根據歷次巡檢和監測的數據按照業主要求定期編制報告報表、進行結構整體內力狀態識別、承載能力評估等工作。

以及兩大輔助子系統：

3) 中心數據庫子系統。各子系統數據的支撐系統，完成運行期所有監測靜態、動態的資料、信息、數據的歸檔、查詢、存儲、管理和調用等工作。

4) 用戶界面子系統。將渡槽運行期各種監測靜態、動態的資料、信息、數據按用戶要求分類分級按授權向不同用戶展示，并且按授權接受不同用戶對系統的控制與輸入。

3 羅家河壩渡槽安全監測方案分析

根據羅家河壩渡槽工程實際需要，其監測范圍為右側新渡槽，修建于1978年。在對渡槽進行結構安全風險辨識及評估的基礎上，根據被測渡槽的結構特點、既有缺陷病害(既有同類型渡槽的主要病害情況)和周邊環境條件，對渡槽構(部)件進行易損性、冗余性和可恢復性分析，確定渡槽結構安全監測需覆蓋的主要項目主要分為荷載與環境、渡槽整體響應和渡槽局部響應3類。因此，羅家河壩渡槽新渡槽的測點布設方案見表1，測點布設位置見圖3。

表1 羅家河壩渡槽新渡槽測點布設方案

圖3 羅家河壩渡槽新渡槽測點布設位置

分析可知，監測內容主要包括槽身周邊環境、水位、結構表面溫度、支撐變位和槽身梁端變位。其中，槽身周邊環境監測工具采用高清攝像儀，布設在跨中部位，含一個傳感器。槽身水位采用水位計進行監測，設置在跨中部位，設置一個傳感器，溫度計設置在第三跨。而支撐變位主要采用傾角計進行監測，設置在3個較高的支撐墩墩頂處，左右側各布設1個，包含6個傳感器。槽身梁端變位則采用測縫計進行監測，在每個支撐墩處左右側各布設1個測點，每個測點采用2支測縫計監測兩個方向(錯縫情況)，共計4個支撐墩，總共設置16個傳感器。

4 結 論

針對早期建設的渡槽結構逐步進入病害多發及性能退化期，渡槽結構的安全運行存在各方面的問題，本文以四川省成都市羅家河壩渡槽為研究案例，通過調查分析渡槽現狀及存在的問題，發現該渡槽常年遭受洪水威脅，槽身和支撐容易出現變形。鑒于此，依據渡槽結構預警與結構安全評估系統原理，提出相應的監測方案，用于渡槽結構的安全監測，保障渡槽水工結構的安全運行，便于及時掌控既有渡槽的健康狀態，了解渡槽結構的工作情況。最后，分析該渡槽的監測方案和測點布設，對今后類似渡槽工程的監測方案優化設計具有一定的參考價值。