基于測縫計(jì)監(jiān)測船閘閘墻水平位移的方法研究

程華明，李鵬飛，張潤＊

（1.江蘇省交通運(yùn)輸廳港航事業(yè)發(fā)展中心，江蘇 南京 210014；2.華設(shè)檢測科技有限公司，江蘇 南京 210014）

變形監(jiān)測是對設(shè)置在變形體上的觀測點(diǎn)進(jìn)行周期性的重復(fù)測量，以確定其空間位置及內(nèi)部形態(tài)隨時間的變化特征[1]。船閘工程的變形監(jiān)測，包括閘首、閘室等主體工程[2-3]，以及基坑[4]、高邊坡[5]的監(jiān)測。閘室空箱段、扶壁段以及閘首段之間，由于存在結(jié)構(gòu)剛度、基底尺寸、墻內(nèi)水深、墻后土壓力等差異，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)段傾斜度差異[6]。如圖1 所示，圖中分別展示了船閘閘室段在運(yùn)行期（閘室有水）與檢修期（閘室無水）的變形情況。

圖1 船閘閘室變形示意圖

傳統(tǒng)的船閘水平位移監(jiān)測方法包括視準(zhǔn)線法、激光準(zhǔn)直法、引張線法、GPS 等[7-8]，其具有成本高、安裝比較困難等缺點(diǎn)。本文建立了一種替代傳統(tǒng)監(jiān)測的新方法，實(shí)現(xiàn)快速、低成本地監(jiān)測閘室水平位移，及時對風(fēng)險進(jìn)行捕捉。該方法利用安裝在船閘閘段間分縫的測縫計(jì)來獲知閘室墻頂整體的水平位移，并采用有限元方法對船閘進(jìn)行運(yùn)行期和檢修期工況下的受力分析，論證本方法的可行性、準(zhǔn)確性。

1 監(jiān)測系統(tǒng)組成

本文提出一種采用測縫計(jì)來測量船閘閘室墻頂水平位移的監(jiān)測方法，如圖2 所示。考慮船閘閘段變形聯(lián)動的影響，根據(jù)閘段分縫間的測縫計(jì)讀數(shù)可得出船閘閘墻水平位移值。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)布置圖

監(jiān)測系統(tǒng)包括：①閘室一側(cè)預(yù)設(shè)的測量基準(zhǔn)點(diǎn)；②安裝在閘墻頂部接縫兩端的測縫計(jì)；③傳感器信息采集模塊與數(shù)據(jù)分析處理模塊。

2 工作原理與監(jiān)測預(yù)警

船閘閘室墻頂位移監(jiān)測原理如圖3 所示。假設(shè)閘墻段為整體均勻變形。測縫計(jì)安裝于船閘閘段頂部分縫處，監(jiān)測的是相鄰閘段間的水平向相對位移，其讀數(shù)記作ti；根據(jù)閘段間的連續(xù)監(jiān)測可得出船閘閘墻實(shí)際水平位移值，記作di。閘段間的相對位移ti與閘室整體墻頂?shù)乃轿灰芼i之間的換算關(guān)系如下：

圖3 閘室墻頂位移監(jiān)測原理

圖4 測縫計(jì)受力情況

圖5 船閘平面示意圖

在閘首段設(shè)定一監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)，根據(jù)測縫計(jì)的讀數(shù)得出Ⅰ號閘墻的水平位移為：

考慮船閘閘段變形聯(lián)動的影響，Ⅱ號閘墻的水平位移為：

同理，Ⅲ號閘墻的水平位移為：

上述公式均為矢量相加，約定測縫計(jì)拉伸時讀數(shù)為正，壓縮時讀數(shù)為負(fù)。基于測縫計(jì)監(jiān)測閘段間的相對位移得到閘墻整體墻頂?shù)乃轿灰疲摲椒梢垣@知閘室墻局部變形與整體位移曲線。

3 工程概況

某雙線船閘規(guī)模及標(biāo)準(zhǔn)：①船閘等級：Ⅲ級通航建筑物；②設(shè)計(jì)最大船舶噸級：1000t；③船閘規(guī)模：180×23×4.0（m）（閘室有效尺度×口門寬×最小檻上水深）；④航道等級：Ⅲ級；⑤航道尺度：底寬：45m；航寬≥55m；航道水深：≥3.2m，最小彎曲半徑480m。

3.1 有限元結(jié)構(gòu)計(jì)算

船閘靜力計(jì)算有限元網(wǎng)格如圖所示。有限元計(jì)算邊界條件為模型四周法向約束，模型底面三向約束。（坐標(biāo)方向：x 向?yàn)榇l橫向，y 向?yàn)榇l縱向，z 向?yàn)殂U直向上）

船閘整體顯示有限元計(jì)算時，混凝土與鋼結(jié)構(gòu)采用彈性模型，土體采用摩爾庫倫模型，靜力計(jì)算參數(shù)如表1 所示。

表1 船閘靜力計(jì)算參數(shù)

依據(jù)水文資料顯示，本文選取水位差較大的校核工況、檢修水位工況作為本次計(jì)算工況，具體如表2 所示。

表2 船閘整體計(jì)算工況

工況一（校核工況）：在閘室內(nèi)水位與長江側(cè)水位持平工況下，考慮結(jié)構(gòu)重力、上下游水荷載、閘內(nèi)水荷載聯(lián)合作用下的船閘受力變形；工況二（檢修工況）：在閘室內(nèi)無水工況下，考慮結(jié)構(gòu)重力、上下游水荷載、地下水位與揚(yáng)壓力。

工況一閘首與閘室橫向（U1）變形情況如圖6 所示。工況二閘首與閘室橫向（U1）變形情況如圖7 所示。兩種工況下閘室的最大水平位移與閘段間的最大相對位移如表3 所示。

表3 閘室最大水平位移值

圖6 校核工況船閘橫向變形（U1）云圖

圖7 檢修工況船閘橫向變形（U1）云圖

4 結(jié)論

本文首先介紹了基于測縫計(jì)監(jiān)測船閘閘室墻頂水平位移的系統(tǒng)組成與工作原理，然后以某船閘工程為實(shí)例，通過有限元計(jì)算分析，論證本方法的可行性，并由此得出船閘于運(yùn)行期和檢修期內(nèi)閘室的最大水平位移值，最后具體分析了不同類型測縫計(jì)的基本原理、適用特點(diǎn)、典型參數(shù)，為船閘閘墻位移監(jiān)測設(shè)備選型提供依據(jù)。

（1）提出了基于測縫計(jì)監(jiān)測船閘閘室墻頂位移方法，能夠系統(tǒng)地監(jiān)測閘墻位移以及閘墻局部變形，從而全面地掌控閘室變形情況。

（2）通過有限元方法模擬了船閘運(yùn)行期與檢修期的受力情況，獲得船閘整體與閘室的水平位移云圖，以論證本監(jiān)測方法的可行性。