輸水隧洞測試儀器的布置研究

胡彥高

(華北水利水電大學 土木與交通學院，河南 鄭州 450046)

0 前 言

我國國土面積遼闊，地形結構復雜，水資源時空分布不均，為調節水資源的使用，國家陸續修建了多項跨流域調水工程，這些調水工程中輸水隧洞是重要組成部分。在輸水隧洞建設過程中，工程人員常常會在其結構中埋設大量測試儀器設備，為了對輸水隧洞結構的測試儀器布置做深入研究，本文對其布置的意義、現狀作總結分析，并提出相應的建議。

1 測試儀器布置的意義

輸水隧洞在設計、施工階段均有相關規范，但設計時考慮的工作條件與實際情況難以完全相同，施工質量可能不盡完美，同時結構在運行中可能會遇到一些不利情況。基于此，總結輸水隧洞布設測試儀器的主要意義如下。

1)從輸水隧洞結構安全角度考慮，其所處環境復雜，建設周期相對較長，投資造價較高，通過測試儀器可以實時采集結構信息，及時發現結構的安全隱患，保證輸水隧洞的正常運行，避免國家財產的損失和安全事故的發生[1]。

2)從輸水隧洞結構本身出發，通過測試儀器可以讀取不同時期、不同工況下結構的相關參數，對采集的數據處理分析，可以隨時掌握隧洞結構的受力變化規律，指導日常的運行管理，提升輸水隧洞的綜合效益。

3)從輸水隧洞結構理論設計及優化方面考慮，通過測試儀器反饋的結構參數信息，可以驗證輸水隧洞結構的理論設計，檢驗施工質量，完善理論方法，進一步優化輸水隧洞的結構形式、施工工藝等[2]。

2 測試儀器布置的現狀

2.1 測試儀器分類

隨著科學技術的發展，針對輸水隧洞工程而言，常把機械式、電阻式或振弦式傳感器稱為傳統類測試儀器，新式測試儀器則以光纖式傳感器為代表。前者一般在離散的點上布置，成本相對較低，但是也存在精度不高、安裝繁瑣、易失效等缺點。后者的優勢在于可以獲取沿線連續點的響應參數，抗干擾性強，但成本相對高，若大批量使用時，不僅工程造價較大，而且在施工階段必須嚴格保證不被破壞。

2.2 監測項目

輸水隧洞襯砌的主要監測項目有混凝土應變、鋼筋應力、溫度、縫隙、滲流壓力、接縫等，為了更加全面地監測輸水隧洞的結構信息，監測項目也可擴展到水位、水溫、流量和氣壓等。若輸水隧洞結構形式為預應力混凝土襯砌，尚需對預應力筋的有效應力進行監測。上述提及的監測項目，所對應的傳統類測試儀器主要有應變計、鋼筋計、無應力計、測縫計、滲壓計和錨索測力計等[3]。

關于隧洞結構監測項目的選取及測試儀器的布設可以查閱的相關規范有《水利水電工程安全監測設計規范》(SL 725—2016)[4]、《水工隧洞安全監測技術規范》(SL 764—2018)[5]。但是這些條文只是針對監測項目、儀器安裝等方面作了一些指導性的規定，并未給出具體而詳細的測試儀器布置方法，再加上實際工程的地質條件和結構特點各異，工程人員對規范的理解深度及執行力度不一，很容易造成隧洞的測試儀器布置的多樣性，增加人為不確定因素。

2.3 實際工程應用

以南水北調中線穿黃輸水隧洞為例，簡要介紹其測試儀器的布設方案。該隧洞位于河南省鄭州市，是南水北調中線標志性工程，為雙洞布置，上、下游段的測試項目基本相同，測試儀器總數2 000余個，以上游隧洞為重點監測對象。隧洞共設置200余個滲壓監測斷面，在每個斷面的內襯底部安裝1支滲壓計；共設置環向斷面14個，每個斷面分別安裝鋼筋計7支、應變計8支；預應力內襯中共安裝10根錨索布設測力器；同時安裝的還有測縫計、流量計等其他測試儀器[6]。上述儀器的安裝位置的原則大多是按照儀器數量在相應截面內均勻布設的。

此外，在杭州千島湖配水工程等項目中采用了光纖類測試儀器，實現半自動化數據采集工作，提高了測試成果的準確度和可靠度[7]。目前傳統類和光纖類測試儀器均已在實際工程項目中使用，并起到重要作用，但總體來看采用傳統類測試儀器的已建工程較多。

參考穿黃隧洞，結合其他輸水隧洞工程可以看出，一般輸水隧洞工程量大，需要布設大量的測試儀器，其數量越多采集的結構信息就越多，結果也越準確。然而測試儀器數量的增多，會消耗大量的人力、物力和財力，也會形成海量數據，增加工作量。因此，對于輸水隧洞而言，綜合考慮各方因素，為充分發揮每一個測試儀器的作用，需要對輸水隧洞結構的測試儀器布置方法作研究分析[8]。

3 測試儀器布置的建議

測試儀器布置在輸水隧洞中的具體位置和數量是需要著重考慮的兩個方面。基于隧洞工程測試儀器布置的現狀，結合當前測試儀器的種類和優缺點，提出以下建議。

3.1 測試儀器布置應緊密結合有限元分析結果

對傳統類測試儀器而言，其安裝的位置、數量是需要與輸水隧洞本身的規模、受力特點相匹配的，在編制測試儀器布設方案時，需要關注的是如何科學地把儀器安裝在恰當的位置處。因此，建議在確定測試儀器布設的位置時需要緊密結合有限元的計算結果，通過對有限元模擬結果的總結分析，運用恰當的數據處理方法，合理選取具有特征性的測點位置。一般可根據有限元模擬結果，基于結構安全監測或內力變化規律研究的目的，針對不同的監測項目，首先在縱向上確定監測斷面的位置和數量，然后確定截面環向的儀器布設位置和數量。由此可以避免測試儀器安裝的盲目性，使一個測點承擔多重監測項目的效果，以達到測試儀器優化布置的目的。

3.2 “光纖類+傳統類”組合式布設方案

光纖類測試儀器經濟成本高，大體量工程全部采用光纖類測試儀器并不常見。因此，建議充分發揮光纖類和傳統類測試儀器的優勢，在輸水隧洞測試儀器的布置中可以采用“光纖類+傳統類”組合式方案，即在復雜監測斷面或重點部位運用光纖類測試儀器，其他輔助斷面運用傳統類測試儀器，或者靈活搭配二者配套使用。采用此類組合式方案，與全部使用傳統類測試儀器的方案相比較，一方面可以適當減少工作量；另一方面，二者數據可以相互補充、對比分析，是一個可行的測試儀器布置方法。

4 結 語

輸水隧洞在調水工程中發揮著重要作用，在其結構中安裝測試儀器是極其必要的。基于當前輸水隧洞測試儀器布設的現狀，本文提出了兩條優化布置建議，通過對其優化研究分析，可以進一步提升隧洞結構測試儀器布設的科學性，對相關工程測試儀器的布設有一定的參考價值。

當然，輸水隧洞測試儀器布置的優化研究應該綜合考慮其涉及到儀器安裝、數據采集、數據處理等多個方面，特別是后期海量數據的處理方案在測試儀器布設之初就重點考慮。本文提出的建議在具體執行時還要做更詳細、更深入的規劃，因此，還應繼續研究分析，以得到更優的布設方案，對輸水隧洞結構產生更大的工程價值。

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