團城湖調節池安全監測成果分析

高大偉，王子寒，翟 棟，郭 欣

(1.北京市南水北調團城湖管理處，北京 100195； 2.北京京水建設工程有限公司，北京 100091)

團城湖調節池是北京市南水北調配套工程的重要組成部分之一，是京西水源調度的關鍵樞紐，是充分、可靠地利用南水北調來水向城市供水的關鍵工程，作為北京市南水北調供水系統中重要的水利樞紐，發揮著承上啟下的作用。團城湖調節池可接納密云水庫和南水北調來水兩大水源，經調度后分別向北京市第八水廠、第九水廠、田村水廠、燕化引水工程、東水西調工程、城市河湖水系、高水湖養水湖等處供水，發揮著重要的供水效益以及生態效益。

團城湖調節的主要功能是：在南水北調正常供水工況下，來水進入團城湖調節池，經調節池內各分水口向各用水戶供水。在南水北調工程出現事故、進京水量減少甚至突然停水事故時，調節池具備一定的調蓄規模，可滿足在突發情況下及各水廠在一定保證率條件下進行水源切換的要求。在南水北調停水檢修工況時，密云水庫來水經京密引水渠、團城湖(頤和園)、干線團城湖明渠入調節池，可滿足各用水戶的用水需求[1-2]。

安全監測是保障水庫安全運行的重要措施,是水利工程運行管理的一項必須的工作和掌握工程安全性態的重要的手段。作為京西輸水的關鍵工程，確保調節池工程安全平穩運行十分重要，因此需要對調節池工程開展安全監測工作，在保證調節池安全監測數據的穩定性、連續性、有效性的基礎上，及時掌握工程的動態變化，發現異常情況及時預警并采取相應措施保障工程安全。

1 團城湖調節池概況

團城湖調節池位于海淀區四季青鎮玉泉行政村，南鄰北四環西路，北至中塢新村，東鄰南水北調中線團城湖明渠，西至北塢村路。工程于2012年11月12日開工，2014年6月底主體完工后投入運行，總占地67 hm2，其中水面面積為33 hm2，水深常年保持在5 m上下，調蓄水位49.0～45.0 m，最高運行水位49.5 m，池底高程44.0 m，調蓄容積127×104m3，最大儲水容量為166×104m3。

團城湖調節池工程等別屬于Ⅰ等，主要建筑物為1級，分為三連通閘、調節池、分水口和管理設施4個部分。其中，進水建筑物(三連通閘包含團城湖進水方涵出口閘、明渠隔斷閘以及西四環暗涵出口閘)布置于調節池的東南側，現狀為團城湖明渠首部，共有3處分水口，分別是環線、高水湖養水湖及田村水口；環線分水口和高水湖養水湖分水口布置于調節池北側，田村分水口布置于調節池西北側。團城湖調節池是原地面開挖形成的水池，調節池底板及擋墻均做防滲處理[3]。

2 安全監測點的分布、數據采集及分析

2.1 安全監測點的分布

團城湖調節池的安全監測工作主要包括團城湖調節池周邊地下水位觀測、各分水口閘門及三連通閘的基礎滲壓監測、水工建筑物(三連通閘、高水湖養水湖分水口、環線分水口、田村分水口)等重要部位的沉降觀測。

2.1.1 地下水位

團城湖調節池通過監測調節池周邊測壓管及水質/水位監測井，確定調節池地下水位的變化。環調節池周邊共計均勻布設9個測壓管(編號SW1-SW9)，另外有4個水質/水位監測井(編號SWSZ1-SWSZ4)環池均勻分布，總計13個地下水位監測點。測壓管為內徑70 mm的鍍鋅鋼管，鋼管內部放置振弦試滲壓計，型號為BGK4500S-70 kPa，生產廠家為北京基康。水質/水位監測井與地下水位相連通，用于人工監測地下水位。

2.1.2 滲透壓力

在調節池進水閘與明渠隔斷閘(進水閘與隔斷閘共計8個測點，編號P1-P8)、高水湖養水湖分水口(4個測點，編號P1g-P4g)、環線分水口(6個測點，編號P1h-P6h)、田村分水口(6個測點，編號P1t-P6t)等5處，在閘室部位及上下游布置滲壓計對閘室的滲透壓力進行監測，總計24個測點；在三閘交匯區域布置滲壓計，對三閘交匯的閘室邊墻的滲透壓力進行監測，總計5個測點(UP1-UP5)。監測設備均采用振弦式滲壓計，型號為BGK4500S-350 kPa，生產廠家為北京基康。

2.1.3 主要水工建筑物變形

團城湖調節池通過各閘室變形觀測斷面、閘墩及邊墻沉降變形測點、左右岸變形觀測基點，開展變形觀測。在三聯通閘(13個測點，編號BM1-BM13)、調節池進水口(3個測點，編號BM1j-BM3j)、高水湖養水湖分水口(4個測點，編號BM1g-BM4g)、環線分水口(4個測點，編號BM1h-BM4h)、田村分水口(4個測點，編號BM1t-BM4t)等5處區域，共計28個沉降測點設置沉降變形觀測點。另外，有觀測基點10個。

2.2 數據采集頻次及分析方法

2.2.1 采集頻次

2.2.1.1 地下水位

測壓管通過自動采集系統進行數據采集，每月提取其中5次監測數據進行比對分析。由于水質/水位井中未安裝計量設備，采用平尺水位計進行測量，每月測量4次。另外，每年1次通過BGK-408振弦讀數儀人工讀取測壓管數據，與自動采集數據進行比對校核。

2.2.1.2 滲透壓力

滲透壓力通過自動采集系統進行數據采集，每月提取其中5次監測數據進行比對分析。另外，每年1次通過BGK-408振弦讀數儀人工讀取測壓管數據，與自動采集數據進行比對校核。

2.2.1.3 主要水工建筑物變形

使用全站儀采用二等水準法觀測記錄主要建筑物的沉降變化，每月測量1次沉降值進行沉降變化對比分析。每年1次利用調節池周邊的國家二等水準點，對10個觀測基點進行校核。

2.2.2 數據分析方法

利用安全監測自動數據采集系統收集的地下水位和滲透壓力數值，通過Excel表格繪制變化過程曲線，對比分析地下水位和滲透壓力變化趨勢。如遇到數據變化波動較大，通過現地人工測量模數與溫度后套入計算公式與自動采集的數據進行復核，沉降變形通過多次觀測得到的沉降數據進行累加，得到末次累計變化值，對累計變化值進行對比分析沉降變形趨勢。

3 安全監測結果分析

團城湖調節池工程于2015年7月完成沉降變形觀測工作基點高程引測工作，并于2015年8月開始開展調節池工程各主要建筑物沉降觀測。監測至今，調節池安全監測數據保持了連續性、真實性，但由于數據量大，本文中主要選取2018年至今的調節池安全監測成果進行對比分析。

3.1 地下水位變化分析

建設前期對調節池進行水文勘探，調節池周邊地下水位位于調節池底板高程以下。但隨著調節池蓄水投入運行后，受地下水開采減少、調節池滲漏等因素影響，周邊地下水位會呈現持續上升的趨勢[4]。高地下水位將對調節池結構抗浮穩定的安全產生影響，應做好地下水位監測工作，發現地下水位異常及時報警并采取相應措施。

調節池工程由設計單位確定的周邊地下水位預警值為44.0 m，當地下水位到達預警值時，應加強觀測，注意水位變化。在上述要求下，對地下水位進行分析，超過預警值及時進行上報處理。

通過圖1進行分析，調節池周邊地下水位與調節池水位呈現出正相關的趨勢，會隨著調節池水位的升降而升降。同時與季節溫度變化呈現出相同趨勢，地下水位呈現出夏季逐步升高、冬季逐步降低。近3年的監測數據顯示，團城湖調節池運行水位在48.50～49.10 m的范圍進行浮動，在排空檢修期間水位降低至45.00 m，調節池水位變動幅度最大達到4.10 m，調節池周邊各測壓管及水質/水位井內地下水位測值范圍為30.835～40.342 m，均低于地下水位預警值(44.00 m)。

圖1 團城湖調節池地下水位曲線圖

同時調節池周邊地下水位測值整體呈西北高東南低的分布規律，其中高水湖養水湖附近的SW2測點地下水位最高，田村分水口附近的SW7測點地下水位最低，與團城湖調節池前期進行水文勘探的地下水位高低分布情況保持一致。

監測結果表明，團城湖調節池各處地下水位整體較平穩，測值狀況正常。調節池工程結構未受到地下水位的影響，同時調節池周邊地下水位也逐年呈現出整體升高的趨勢。

3.2 滲壓變化分析

水工建筑物基礎滲壓過高會使建筑物地基失穩[5]，團城湖調節池滲壓變化主要監測4處分水口以及三聯通閘區域的基礎滲壓。

通過圖2-圖5進行分析，監測數據表明，在監測期間進水閘與明渠隔斷閘、高水湖養水湖分水口、環線分水口以及田村分水口等4處滲壓計的測值(P1及P2除外)均波動正常，基礎滲透壓變化穩定，建筑物基礎部位滲壓計測值總體不超過5 kPa，各閘基礎部位基本無滲壓體現，有利于閘室穩定性。

圖2 進水閘與明渠隔斷閘基礎滲壓曲線圖

圖3 高水湖養水湖分水口基礎滲壓曲線圖

圖4 環線分水口基礎滲壓曲線圖

圖5 田村分水口基礎滲壓曲線圖

進水口P1號監測點數值呈現階段性跳躍，結合現場實際情況進行分析，數據跳躍均發生在降雨期間，待降雨結束后，該點監測數值逐步恢復正常。P2號監測點數值在監測期間整體偏高，查閱滲壓計安裝資料，安裝初期該點監測數值處于較高水平，且開展監測工作以來該點未出現大幅度波動，認為該處滲壓整體穩定。同時測壓值出現負值主要是滲壓計埋設地點出現負壓孔隙形成真空，導致滲壓計在安裝后出現負壓，在一些資料整編中負壓也可以認為是零[6]。

結合圖6中曲線，對三連通閘區域測壓管水位進行統計分析。在監測期間，三連通閘區觀測孔內滲壓計測值隨工程運行狀態波動。監測結果顯示，三聯通閘區域數據曲線隨明渠水位變化有相應的波動，與水位變化趨勢相一致，在團城湖明渠停水檢修期間，測壓管水位會隨之發生顯著下降。總體而言，三聯通閘區域閘室整體基本穩定，滲壓狀態正常。

圖6 三連通閘區域測壓管水位

3.3 沉降變形分析

調節池的運行以及周邊地質條件變化可能引起水工建筑物的沉降，通過沉降觀測能了解到水工建筑物的穩定性和可靠程度[7]。在團城湖調節池各主要水工建筑上開展沉降觀測，根據設計標準，各分水口閘室沉降位移控制值，以兩側閘墩沉降位移觀測點的差異沉降值作為控制，差異沉降值≤5 mm，預警值為3 mm，發現沉降測值異常變化，應及時進行處理上報。

自沉降監測以來，三連通閘區域13個沉降測點累計沉降值在-4.649 ～0.683 mm之間，進水閘3個沉降測點累計沉降值在-0.179 ～0.701 mm之間，高水湖養水湖分水口4個沉降測點在-20.110～-16.867 mm之間，環線分水口4個沉降測點在-4.693～-0.755 mm之間，田村分水口4個沉降測點在-4.693～-0.755 mm之間，全部測點單次沉降測值均小于預警值3 mm。監測結果表明，各沉降監測點沉降測值均在預警范圍內，建筑物沉降變形穩定。

4 結 論

團城湖調節池安全監測數據表明，地下水位、滲透壓力、沉降測值3項指標均在正常范圍內變化，未超過警戒值；地下水位和滲透壓力會隨著季節以及運行水位發生變化，建筑沉降變形整體趨于穩定，團城湖調節池整體運行平穩，各類設備設施未見異常。安全監測是保障團城湖調節池工程運行安全、工程安全的重要手段，調節池開展的連續安全監測工作，既保證了數據的連續性、真實性，也達到了預期目標，為調節池安全運行提供了有效保障。

5 展 望

水利部在2018年開展的全國近3 000座水庫的調研中，安全監測全部采用自動觀測的僅占7.6%，安全監測更需要動態化、實時化，同時安全監測工作量大且繁重，更需要不斷向著智能化邁進。通過實時傳輸的監測數據，不斷監測水工建筑物結構的變化，了解建筑物的情況，為水工建筑物安全運行、日常養護等工作提供參考與借鑒[8]。近些年，水利行業逐步向智慧化邁進，安全監測工作也應不斷向著信息化邁進。南水北調中線工程利用安全監測APP遠程監控，在疫情期間保證了安全監測工作的順利進行，且提高了安全監測頻次，在線進行動態分析，發現異常變化及時進行提示[9]。目前，調節池的安全監測工作雖然開展了動態采集，減少了人工采集的頻次，但是依然需要每月收集自動采集的數據進行人工匯總，并編寫安全監測月報，在安全監測智慧化、智能化的道路上還有很遠的路需要去走。