濟南宋莊樞紐閘變形監測及初步分析

胡方濤，范海濤，章思亮，周林孟，張傳峰

（山東省水利勘測設計院有限公司,山東 濟南 250014）

1 工程背景

水閘是水工建筑物的重要組成部分,變形監測數據能夠綜合反應水閘工作的狀況,對水閘運行安全預警發揮關鍵作用[1-3]。臘山分洪工程是濟南市小清河干流治理的關鍵工程和城市防洪體系建設的重要內容。工程全長16.85 km,上游段臘山分洪道7.85 km,建有中型水閘宋莊閘。宋莊閘：位于臘山分洪道樁號K7+165～K7+385,主要由上游河道段、鋪蓋段、閘室段、消力池段、海漫段等組成,共6 孔,每孔凈寬10 m,閘室長17.5 m,閘底板高程高于渠底20 cm,為28.81 m。現為保障水閘安全運行,需對水閘進行變形情況的監測工作。通過對水閘建立基準網及監測網,并在主汛期前、主汛期中和汛后分別對基準網和監測網進行監測,對水閘在每個階段進行監測,尤其是對不均勻變化狀態進行監測,當出現異常或危險狀態時進行及時預警,為水閘安全運行提供重要的科學依據[4]。

2 變形監測網布設設計方案

變形監測網由基準網及監測網構成。監測基準網分為兩部分：

（1）平面基準網：用于水平位移監測及平面控制基準；

（2）水準基準網：與平面基準點共用,用于各垂直位移監測（即沉降監測）的高程控制基準。

根據現場踏勘,根據基準點布設原則及要求,在宋莊閘監測區域設置有4 個平高基準點,編號：SZZ01-SZZ04；14個變形監測點,編號：SD1-SD14。在遠離監測區埋設兩個校正控制點,編號：SZZ05、SZZ06 用于驗證控制網是否發生自身變形。水準控制點與平面控制點共用,點的形式和埋設參考變形監測觀測墩的要求進行。

變形監測點選址過程中充分考慮變形監測網的堅強性、符合測量要求、長期保存、水準路線布設的合理性、平面變形觀測的可通視性、點位準確反應建筑物的變形等因素,綜合考慮選擇進行監測點位的最優選擇確址[5]。

基準點及監測點示意圖見圖1、圖2。

圖1 基準點示意圖

圖2 監測點示意圖

現宋莊閘基準點及監測點點位布置情況見圖3。

圖3 宋莊閘基準點及監測點點位布置圖

表1 基準點及監測點布設統計

3 變形監測

監測網數據資料：根據基準網技術要求,對基準點的平面控制采用衛星定位靜態作業模式以二等控制網測量,高程控制網使用數字水準儀以二等水準網進行測量。

平面控制網：本文中需要觀測的6 個基準點（其中4 個監測區域基準點、2 個遠離監測區域校正控制點）頂端均帶有強制對中基座,將GNSS 接收機置于強制對中基座上進行GNSS 二等控制網靜態平面測量,進行GNSS 網解算、網平差獲得測區內每個基準點的平面坐標。

高程控制網：建管局提供了BM 水準控制點高程,由6個基準點及BM 水準控制點共7 個點形成一條閉合路線,由水準控制點開始進行二等水準測量,平差處理,獲得監測區每個高程基準點的高程。

變形監測點平面測量：在平高基準點架設全站儀及后視棱鏡,變形監測點架設目標棱鏡,按照全圓方向觀測法進行平面坐標的測量。所有變形監測點按照等精度的方法進行兩次獨立觀測,兩次測量結果互差不大于兩倍中誤差即符合測量要求,取兩次測量平均值作為變形監測點平面坐標值。

變形監測點高程測量：水閘上高程監測點由水準基準點起測,按照國家二等水準測量的要求進行單程往返測的方法進行觀測,平差處理,獲得水閘上每個高程監測點的高程。

4 監測成果的分析研究

4.1 變形監測基準點的穩定性分析

2021年7月15日、8月5日、9月25日（汛期前、中、后）對變形基準網進行平面和高程觀測。以第一次觀測為基準,二三次觀測與第一次對比進行基準點平面位移和垂直位移數據分析。

表2 基準點水平位移匯總表

表3 基準點垂直位移匯總表

由上表可知水平、垂直位移各個監測點的詳細變形數據,可以得出,水平、垂直位移變化規律主要特征有：

（1）水平變形處于彈性穩定狀態,范圍在0.10 mm～4.70 mm 之間,X 方向上變形范圍-0.1 mm～-3.2 m 之間,Y 方向上變形范圍-0.1 mm～-3.4 mm 之間。垂直位移處于穩定狀態,范圍在0.01 mm～-1.12 mm 之間,變化速率在0.0 mm/d～-0.02 mm/d。

（2）根據變形監測結果對比顯示,X 方向上變形較大的點為SZZ06 基準點,偏移量為-3.4 mm；Y 方向上變形較大的點為SZZ06 號基準點,其偏移量為3.2 mm,垂直位移最大的點為SZZ06 基準點,變化量為-1.28 mm,最小的點為SZZ01基準點,變化量為0.01 mm。由于基準點布設在河道邊坡,使其受周期性水位的影響和車輛等其它動荷載影響,隨河道邊坡的移動而產生變形,水平位移結合垂直位移監測,差距微小,綜合儀器本身系統誤差,基準網在此監測階段運行穩定,符合觀測要求。

4.2 監測點觀測數據分析

2021年7月15日、8月5日、9月25日、10月27日對變形監測網進行平面和高程觀測。以第一次觀測為基準,二三四次觀測與第一次對比進行監測點平面位移和高程沉降數據分析。

3.2.1 垂直位移數據分析

表4 宋莊閘監測點垂直位移匯總表

圖4 宋莊閘監測點垂直位移變化曲線圖

由上表和圖可知垂直位移各個監測點的詳細變形曲線和數據,從變化圖中可以得出,垂直位移變化規律主要特征有：

（1）變形處于穩定狀態,范圍在0.87 mm～2.11 mm 之間,變化速率在0.008 mm/d～0.020 mm/d 之間,變化均勻。

（2）垂直位移觀測數據能客觀反應水閘基底滲流、地基對水閘沉降的影響。水閘運行主要是兩種工況,非汛期地下水位較低（揚壓力很小）和汛期地下水位高（揚壓力較大）。水閘位移量受滲流影響明顯,汛期有上浮,非汛期明顯下沉。

（3）水閘各個測點的垂直位移以下沉為主,下沉距離在水閘允許沉降量范圍之內,閘基經過多次行洪無明顯沉降,運行穩定。

表5 宋莊閘監測點水平位移匯總表

3.2.1 水平位移數據分析

圖5 宋莊閘監測點水平位移變化曲線圖

由上表和圖可知水平位移各個監測點的詳細變形曲線和數據,從變化圖中可以得出,水平位移變化規律主要特征有：

（1）變形處于穩定狀態,范圍在1.10 mm～1.90 mm 之間,變化均勻。

（2）宋莊閘在汛期之前和汛期之后的水平位移變化規律明顯。閘前水位對水閘水平位移量影響比較顯著,在枯水期,閘前水位較低,水平水壓力較小；而到了汛期水位波動頻敏,水平推力較大。分洪閘水平位移量受閘前水流影響明顯,非汛期有上移,汛期明顯下移。

（3）從觀測資料分析,整個節制閘水平位移變化比較均勻,沒有明顯的水平角,水閘經過多次行洪無明顯變化,運行穩定。

5 結束語

（1）通過建立水閘監測網,通過對監測點的變化量及差異情況進行分析水閘的變形情況。監測結果表明,水閘垂直位移在0.87 mm～2.11 mm 之間,變化速率在0.008 mm/d～0.020 mm/d 之間,水平位移范圍在1.10 mm～1.90 mm 之間,水閘變形在允許范圍之內,運行穩定。

（2）結合汛期及水閘變形情況,水閘變形趨勢與水位密切相關,結合水文資料進行分析總結,找出更為詳盡的與水文相關的變化規律。

（3）水閘大壩變形監測需長年進行,自動化監測成為發展重要趨勢,對變形監測數據進行合理的分析總結,建立數學模型進行數據分析與預警,為水閘安全運行提供重要的科學依據。