船閘工程安全監(jiān)測及自動化研究

陳慶璋

摘 要：安全監(jiān)測是船閘安全運行的重要保證，監(jiān)測設計是船閘設計的重要組成部分。船閘是廣泛使用的可航行建筑。目前，船閘安全監(jiān)控主要是基于手動監(jiān)測，沒有自動監(jiān)測。研究如何結合船閘工程特點實現(xiàn)船閘安全監(jiān)測的自動化。

關鍵詞：船閘;安全監(jiān)測;自動化

船閘是一種箱式航行結構，利用船閘兩端控制的水流來內(nèi)灌、泄水，以提高水位，使船舶能夠克服河道集中水位下降的問題。船閘通常布置在渠化工程平臺上，并與泄水建筑物和河岸建筑物相結合。由于船閘通常是用相對低的水頭設計的，而且水工建筑相對較低，許多水壩船閘工程的安全控制往往被忽視或根本不存在。但是，安全監(jiān)測是確保船閘正常運作的重要保證。研究船閘工程安全監(jiān)測的技術和設計十分重要。

1 安全監(jiān)測目的

1.1 驗證設計并指導構建

對船閘安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析有助于了解船閘的運行狀況，并根據(jù)設計和實施計劃提供有關正在運行的船閘的反饋信息，以驗證和優(yōu)化設計并指導實施。

1.2 長期監(jiān)測船閘全運行情況

對工程進行實時安全監(jiān)控，實時掌握各工作狀態(tài)下的船閘運行狀況，為船閘安全運行提供可靠的技術支持。

2 船閘特點及安全監(jiān)測設計原則

2.1 船閘特點

船閘通常由頭部、室、供水系統(tǒng)、閘門、閥門、引航道等組成，以及相應的設備。船閘的主要特點如下：（1）上下閘必須直接堵水。在上下游水頭和墻后填土作用下，可能出現(xiàn)水平位移，兩側(cè)的墩可能變形;側(cè)水頭和墻后填土作用下，容易傾斜和變形。閘首側(cè)墩的底部和閘室前趾可能由于變形而受到拉伸約束。如果閘首、閘室底板厚，則由于較大混凝土的熱液作用，也可能會出現(xiàn)溫度應力。（2）船閘易受過度和不規(guī)則沉積的影響。（3）在上游水頭作用下，門閘首、閘室底部可能有滲漏。

2.2 安全監(jiān)測設計原則

結合上述船閘特點，船閘安全監(jiān)測的總體設計是：完善監(jiān)測項目，重點監(jiān)測關鍵部分，優(yōu)化監(jiān)測點數(shù)量，控制投資。船閘安全監(jiān)控設計原則如下：制定必要的監(jiān)控項目，監(jiān)控船閘安全，掌握操作規(guī)則，指導實施操作和反饋設計。具體要求如下：（1）監(jiān)測儀器設施的設計必須有明確的監(jiān)測目標，與實際工作密切相關，強調(diào)、考慮到一體化和協(xié)調(diào)有關工作的設計。（2）儀器和設備必須耐用、可靠、實用和有效，設計先進，便于進行自動監(jiān)測。

3 監(jiān)測項目設置

3.1 監(jiān)測變形

（1）監(jiān)測水平移動。使用引張線自動監(jiān)測船閘水平位移：引張線端點在上、下閘首邊墩上建立工作基點，在兩個工作基點之間建立鋼絲作為基準線，位移標點為可以通過測量位移指示器相對于鋼絲的位移來了解船閘的水平移動。（2）監(jiān)測垂直位移。可以使用自動靜力水準（其布局與引張線相對應，參照點為鋼管標）監(jiān)測船閘垂直位移。每個裝置通過連接管連接，每個點的沉降通過改變每個裝置的液位高度來測量。

3.2 監(jiān)測滲漏和滲透壓

（1）閘底板揚壓力。揚壓力對于船閘結構的抗浮穩(wěn)定性至關重要，因此將滲壓計放置在船閘底板下，以監(jiān)測底板揚壓力。（2）繞滲橫向。在不同水位的情況下，鉆孔埋設測壓管在兩側(cè)翼墻后，監(jiān)測護堤船閘側(cè)向繞滲情況。在管內(nèi)安裝滲壓計，對管內(nèi)水位進行自動監(jiān)測。（3）閘體揚壓力。水進入閘體也會產(chǎn)生揚壓力，影響閘道主體的應力分布。因此，有必要在制動裝置中安裝壓力計，以監(jiān)測揚壓力。

3.3 應力監(jiān)測

（1）混凝土應力。選擇閘墩、底板及閘以監(jiān)測混凝土應力。（2）鋼筋應力。船閘底板承載量大，底板復雜，鋼筋直徑的鋼筋計的選擇應盡可能接近鋼筋直徑。如果不符合規(guī)格，則鋼筋直徑不應小于或大于2 mm。（3）土壓力。在閘首邊墩和閘室選擇1～3個橫斷面，沿墻布置地面壓力計和滲透壓力計，每個斷面不得小于3個測量點。（4）基底反力。在水閘底板下的地基土和壓差計旁，埋設土壓力計，監(jiān)測底板的基礎反應。（5）沉降聯(lián)合監(jiān)測。一般來說，大體積混凝土不是一次澆筑，而是分段分次澆筑，尤其是船閘底板、邊墻、邊墩等的澆筑由于厚度大、高度大，一般采用分段分層澆筑至頂部。因此，澆筑部位暴露時間長，溫度低，由于混凝土的水化熱，澆筑部位溫度高，形成兩塊之間的溫差，從而引起不同的變形。這就需要我們在接頭處安排一個接頭測量儀來觀察。

3.4 觀測水位

為實現(xiàn)水位自動觀測，水位計設置在上、下游引航道翼墻和閘室壁上，監(jiān)測上下水位變化。

4 安全監(jiān)測技術

4.1 監(jiān)測外部變形

對船閘外部變形的監(jiān)測包括水平位移監(jiān)測和垂直位移監(jiān)測。水平位移監(jiān)測可以通過引張線法、視準線法、激光準直法、交會法進行。垂直位移監(jiān)測可使用精密水準法、靜力水準法進行測量。水平移動工作點和工作點的穩(wěn)定性無法保證。因此，建議不要使用邊角網(wǎng)做為參考點，并使用倒垂線。垂直位移的參考點可在水壩下游1至5公里處標記雙金屬。然而，在方案執(zhí)行過程中，驗證基準的工作非常繁重。因此，建議將標高基點與垂直線合并，以設置雙重翻轉(zhuǎn)標記。上下閥起點一側(cè)的邊墩上可安裝倒垂線，另一側(cè)的墩上可安裝工作基點。將距離方法與相對的垂直線進行比較，以形成兩條引張線。

4.2 監(jiān)測內(nèi)部變形

內(nèi)部變形監(jiān)測包括結構基底巖石變形和結構間的相對變形。基巖變形通常由多點位移計數(shù)器監(jiān)測。根據(jù)工程地質(zhì)條件，檢查點應位于有斷層、裂縫和夾層的構造區(qū)域，監(jiān)測位置應根據(jù)結構頂部的荷載分布和地質(zhì)發(fā)育不良情況確定。

4.3 監(jiān)測滲流

應根據(jù)建筑物類型、工程范圍和地質(zhì)條件安排滲漏監(jiān)測。建議采用基巖沉陷計劃。船閘地基滲漏監(jiān)測橫斷面以橫斷面為主。設置1個監(jiān)測斷面在上、下閘首斷面。

5 自動化監(jiān)測系統(tǒng)

5.1 儀器監(jiān)測

根據(jù)船閘的特點，自動監(jiān)測儀應有靈敏度高、穩(wěn)定性好、測量范圍小、對環(huán)境無影響等特點。

5.2 數(shù)據(jù)采集設備

數(shù)據(jù)采集裝置是自動安全監(jiān)控系統(tǒng)的關鍵設備，是數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡的節(jié)點設備。它由密封機箱、智能數(shù)據(jù)采集模塊、蓄電池、手動比較模塊和防雷防護模塊組成。數(shù)據(jù)采集裝置應具有測量控制、顯示打印、查詢測試和系統(tǒng)性能監(jiān)控等功能。

5.3 通信網(wǎng)絡

采用光纖通信方式，具有遠距離傳輸、防雷、性能穩(wěn)定性等特點。

5.4 監(jiān)測主機、數(shù)據(jù)采集軟件和數(shù)據(jù)管理軟件

在項目規(guī)劃中心控制室安裝監(jiān)控主機（工作站），接收所有數(shù)據(jù)采集設備的監(jiān)控數(shù)據(jù)，分別安裝數(shù)據(jù)采集軟件和數(shù)據(jù)管理軟件，對計劃采集、數(shù)據(jù)存儲等任務進行自動報警。

6 結束語

與大壩安全監(jiān)測相比，大壩建設規(guī)模較小，監(jiān)測項目較少。因此，目前的船閘設計標準沒有規(guī)定對船閘安全進行自動監(jiān)測。然而，隨著船閘結構變得越來越復雜，投資越來越多，計算機、硬件、軟件和通信技術也在不斷發(fā)展，越來越多的人開始在船閘建立自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)。同時，如果在設計階段將其納入項目自動監(jiān)測系統(tǒng)，將更有利于項目的實施和安全監(jiān)測技術的發(fā)展方向。船閘工程安全監(jiān)控自動化可以提高工程觀測的及時性、準確性和科學性，更好地為國民經(jīng)濟服務。

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