馮 颯，白文斌，王靈鴿

(1. 四川省水利科學(xué)研究院， 四川 成都 610072;2. 四川省都江堰東風(fēng)渠管理處， 四川 成都 610057)

國內(nèi)工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測開始于20世紀(jì)60年代初，最早是在水工大壩工程方面得到應(yīng)用[1-3]。近年來，隨著早期建設(shè)的渡槽結(jié)構(gòu)逐步進(jìn)入病害多發(fā)及性能退化期，渡槽結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行和養(yǎng)護(hù)管理工作面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。在此背景下，強(qiáng)化渡槽動態(tài)運(yùn)行監(jiān)管，防范突發(fā)安全事故，進(jìn)一步提升灌區(qū)既有渡槽結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行和智能養(yǎng)護(hù)管理水平，顯得尤為重要和迫切[4-8]。

通過對四川省都江堰東風(fēng)渠管理范圍內(nèi)既有渡槽的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)由于灌區(qū)渠系建筑物都為二十世紀(jì)五六十年代修建，渡槽普遍存在接近或超過設(shè)計(jì)使用年限[9-12]。受當(dāng)時設(shè)計(jì)施工水平及條件限制，加之多年運(yùn)行及自然老化影響，與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)比較，不符合之處較多。在進(jìn)行輸水建筑物的技術(shù)改造中，需要評價(jià)現(xiàn)有渡槽安全性態(tài)是否能滿足安全運(yùn)用要求，進(jìn)而判定是保留、維修加固或拆除重建。在渡槽工程整體運(yùn)行現(xiàn)狀及安全評價(jià)方面，國內(nèi)目前尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，也無規(guī)范可循，致使渡槽工程改造建設(shè)中無法準(zhǔn)確判斷工程是需要維修還是拆除重建，僅憑經(jīng)驗(yàn)確定工程改造方案，可能會造成決策失誤[12-15]。而新建渡槽完成建設(shè)交付使用后，也需要對渡槽的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、變形、應(yīng)力應(yīng)變及溫度、支護(hù)受力等情況進(jìn)行監(jiān)測?，F(xiàn)在的運(yùn)行管理一般都交給管理站自行巡查，只能采用目測、巡視的手段。在運(yùn)行管理和判別工程建筑物質(zhì)量上要較大的安全隱患。

為了解決這個問題，本文選取四川省都江堰東風(fēng)渠管理處管轄內(nèi)的天宮橋渡槽和黎家溝渡槽為研究案例，通過調(diào)查分析渡槽現(xiàn)狀及存在的問題，提出與之相應(yīng)的監(jiān)測方案，同時研發(fā)出渡槽NRS監(jiān)測與預(yù)警云平臺，旨在及時掌控既有渡槽的健康狀態(tài)，了解渡槽結(jié)構(gòu)的工作情況。

1 東風(fēng)渠渡槽工程簡介

東風(fēng)渠管理處灌區(qū)位于成都平原腹心，是都江堰水利工程的重要組成部分，對成都市經(jīng)濟(jì)社會和文化的繁榮作出了巨大貢獻(xiàn)。東風(fēng)渠灌區(qū)位于龍門山與龍泉山之間，西至岷江都江堰至彭山江口段的左岸，北至毗河右岸直抵沱江，東沿龍泉山脈西麓，南抵粵江河兩岸，區(qū)域呈三角形。由于東風(fēng)渠灌區(qū)渡槽數(shù)量眾多，以下選取兩座典型的渡槽工程(天宮橋渡槽和黎家溝渡槽)進(jìn)行說明。

1.1 天宮橋渡槽

天宮橋渡槽位于東風(fēng)渠總干渠49 km+850 m—49 km+895 m，總干渠設(shè)計(jì)流量60 m3/s，加大流量71 m3/s。天宮橋渡槽由左、右兩個渡槽組成；老渡槽位于右側(cè)，槽身類型為矩形鋼筋混凝土簡支梁結(jié)構(gòu)，支承形式為漿砌條石重力墩，實(shí)測跨徑組合為5m×6(孔)，進(jìn)口底板高程為502.040 m，建成時間為1973年。新渡槽位于左側(cè)，槽身類型為矩形鋼筋混凝土雙懸臂梁結(jié)構(gòu)，支承形式為重力式墩，實(shí)測跨徑組合為6 m+18.5 m+6 m，建成時間為2010年。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，東風(fēng)渠天宮橋渡槽現(xiàn)狀見圖1。

1.2 黎家溝渡槽

黎家溝渡槽位于東風(fēng)渠22 km+751 m—22 km+838 m，由左、右兩個渡槽組成，渡槽間距3.1 m，進(jìn)、出口由分水魚嘴銜接，進(jìn)口魚嘴高度3.2 m，出口魚嘴高度3.2 m。左側(cè)為舊渡槽，進(jìn)口段渠底高程495.070 m，出口段渠底高程495.058 m，流量22.1 m3/s，水深2.712 m。渡槽類型為漿砌條石拱式渡槽，整個渡槽共8孔，12 m的大跨4孔，3 m的小跨4孔。槽身長度為87 m，渠底比降1/1300，建成時間為1966年。右側(cè)為新渡槽，進(jìn)口段渠底高程495.327 m，出口段渠底高程495.269 m，流量27.9 m3/s，水深2.98 m。渡槽類型為漿砌條石拱式渡槽，整個渡槽共8孔，12 m的大跨4孔，3 m的小跨4孔，槽身長度為87 m，渠底比降1/1300，建成時間為1977年。東風(fēng)渠黎家溝渡槽立面、橫斷面布置示意見圖2和圖3，現(xiàn)狀圖見圖4。

圖1 東風(fēng)渠天宮橋渡槽現(xiàn)狀

圖2 黎家溝渡槽立面布置示意圖(單位：cm)

圖3 黎家溝渡槽橫斷面布置示意圖(單位：cm)

圖4 東風(fēng)渠黎家溝渡槽現(xiàn)狀

2 東風(fēng)渠渡槽安全監(jiān)測方案分析

考慮到20世紀(jì)60年代修建的舊渡槽即將拆除或已停止使用，本次主要對20世紀(jì)70年代及之后修建的新渡槽實(shí)施監(jiān)測。天宮橋渡槽監(jiān)測位置為左側(cè)新渡槽，跨徑組合為6 m+18.5 m+6 m，2010年建成。黎家溝渡槽監(jiān)測位置為左側(cè)舊渡槽(1966年建成)和右側(cè)新渡槽(1977年建成)。在對渡槽進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)辨識及評估的基礎(chǔ)上，根據(jù)被測渡槽的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、既有缺陷病害(既有同類型渡槽的主要病害情況)和周邊環(huán)境條件，對渡槽構(gòu)(部)件進(jìn)行易損性、冗余性和可恢復(fù)性分析，確定東風(fēng)渠渡槽結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測需覆蓋的主要項(xiàng)目主要分為荷載與環(huán)境、渡槽整體響應(yīng)和渡槽局部響應(yīng)三類，具體包括：

(1) 荷載與環(huán)境。環(huán)境溫度變化將影響渡槽結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布和結(jié)構(gòu)變位。監(jiān)測橋址處環(huán)境溫度及其變化有助于分析和識別渡槽結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形及動力特性的異常響應(yīng)。

過水水量是渡槽結(jié)構(gòu)承受的主要活載，是分析結(jié)構(gòu)響應(yīng)并進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全預(yù)警和評估的重要輸入數(shù)據(jù)。

(2) 結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)。結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測以結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)監(jiān)測為主，包括墩柱變位、槽身撓度和梁端相對變位。結(jié)構(gòu)局部響應(yīng)的應(yīng)變、裂縫、腐蝕等監(jiān)測為輔。

監(jiān)測渡槽基礎(chǔ)沉降和下部結(jié)構(gòu)偏斜程度的指標(biāo)， 反映渡槽基礎(chǔ)和下部結(jié)構(gòu)在周邊環(huán)境作用下的整體穩(wěn)定性等技術(shù)狀況。

槽身的撓度反映槽身在恒載、活載下的受力變形狀況，是反映槽身的整體受力狀態(tài)和安全裕度的重要指標(biāo)。

監(jiān)測槽身相對于支撐墩的水平縱向或橫向變位，是對落梁風(fēng)險(xiǎn)最直接的預(yù)警指標(biāo)，也是評估渡槽整體技術(shù)狀況的重要參考。

(3) 結(jié)構(gòu)局部響應(yīng)。監(jiān)測槽身橫向局部變形情況，了解槽身在流水壓力作用下的局部變形和穩(wěn)定情況。

2.1 天宮橋渡槽監(jiān)測方案

通過現(xiàn)場調(diào)查，天宮橋渡槽常年遭受洪水威脅，支撐墩極易發(fā)生傾斜變形，如圖5所示。針對渡槽具體情況，并結(jié)合渡槽結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)辨識及監(jiān)測內(nèi)容要求，提出采用以下監(jiān)測方案，測點(diǎn)布設(shè)方案見圖6。

圖5 天宮橋渡槽受洪水威脅

圖6 天宮橋渡槽(左側(cè)新渡槽，2010年建成)測點(diǎn)布設(shè)方案(單位: cm)

分析可知，天宮橋渡槽監(jiān)測內(nèi)容主要包括槽身水位、結(jié)構(gòu)表面溫度、槽身變形和支撐變位。其中槽身水位采用水位計(jì)進(jìn)行監(jiān)測，在渡槽中部進(jìn)行布設(shè)水位計(jì)一個。結(jié)構(gòu)表面溫度采用大氣溫度計(jì)進(jìn)行監(jiān)測，儀器同樣布設(shè)在渡槽中部。槽身變形和支撐變位均采用靜力水準(zhǔn)儀進(jìn)行監(jiān)測，槽身變形監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)在中跨跨中左、右側(cè)各布設(shè)1個，而支撐變位監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)在兩個支撐墩墩頂處左、右側(cè)各布設(shè)1個。

2.2 黎家溝渡槽監(jiān)測方案

通過現(xiàn)場調(diào)查，黎家溝渡槽常年遭受洪水威脅，而且渡槽主體結(jié)構(gòu)材料劣化明顯，如圖7所示。針對渡槽當(dāng)前存在具體問題，并結(jié)合渡槽結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)辨識及監(jiān)測內(nèi)容要求，提出采用以下監(jiān)測方案用于黎家溝渡槽的監(jiān)測，測點(diǎn)布設(shè)方案見圖8。分析可知，黎家溝渡槽一共有4跨，渡槽監(jiān)測內(nèi)容主要包括槽身水位、環(huán)境溫度、拱圈變形和支撐變位。其中槽身水位采用水位計(jì)進(jìn)行監(jiān)測，右側(cè)新渡槽布設(shè)1個左側(cè)舊渡槽，與右側(cè)新渡槽共用。

圖7 黎家溝渡槽主體結(jié)構(gòu)材料劣化及洪水侵蝕

圖8 黎家溝渡槽測點(diǎn)布設(shè)方案(單位: cm)

環(huán)境溫度采用大氣溫度計(jì)監(jiān)測，右側(cè)新渡槽第四孔跨中位置布設(shè)1個，左側(cè)舊渡槽與右側(cè)新渡槽共用。拱圈變形采用靜力水準(zhǔn)儀進(jìn)行監(jiān)測，右側(cè)新渡槽大跨跨中每跨布設(shè)1個，左側(cè)舊渡槽同右側(cè)新渡槽布設(shè)要求一致，包括16個傳感器，此外左、右側(cè)渡槽各布設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)1個。而支撐變位主要采用靜力水準(zhǔn)儀與傾角計(jì)進(jìn)行監(jiān)測，其中靜力水準(zhǔn)儀監(jiān)測方案與拱圈變形監(jiān)測方案完全一致，傾角計(jì)主要用于監(jiān)測支撐墩的傾斜變形，右側(cè)新渡槽受水流沖刷的1個支撐墩處各布設(shè)1個左側(cè)舊渡槽同右側(cè)新渡槽布設(shè)方案一致，包括2個傳感器。

基于上述監(jiān)測方案，并結(jié)合東風(fēng)渠灌區(qū)實(shí)際情況，建立了東風(fēng)渠渡槽NRS監(jiān)測與預(yù)警云平臺，該平臺可用于渡槽結(jié)構(gòu)安全預(yù)警、應(yīng)急響應(yīng)、結(jié)構(gòu)安全評估與決策支持等方面。東風(fēng)渠渡槽安全監(jiān)測屬于野外安全監(jiān)測，根據(jù)實(shí)施方案設(shè)計(jì)要求和傳感器選型使用了RTU遠(yuǎn)程遙測終端和MCU自動采集終端組合對各渡槽觀測儀器進(jìn)行實(shí)時在線監(jiān)測，設(shè)備通過太陽能供電裝置及蓄電池進(jìn)行電源供給。利用GPRS模塊將測量數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸至云平臺及軟件操作平臺，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無人值守自動化監(jiān)測。

東風(fēng)渠渡槽NRS監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)包括以下三大模塊：

(1) 傳感器模塊。通過傳感器將各類監(jiān)測信號轉(zhuǎn)換為電(光)以及以太網(wǎng)信號。

(2) 數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊。將監(jiān)測信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)數(shù)字信號并完成遠(yuǎn)程傳輸。

(3) 數(shù)據(jù)處理與控制模塊。將監(jiān)測信號進(jìn)行預(yù)處理以及二次處理以向其它子系統(tǒng)提供有效的信息源或力學(xué)指標(biāo)，根據(jù)需要設(shè)定程序監(jiān)測并控制監(jiān)測參數(shù)的采集。

由于東風(fēng)渠渡槽監(jiān)測尚處于初級階段，因此目前該系統(tǒng)平臺僅納入了4個典型渡槽結(jié)構(gòu)，包含天宮橋渡槽、羅家河渡槽、黎家溝渡槽和雞公嘴渡槽，后續(xù)根據(jù)工程需要再逐步完善該監(jiān)測系統(tǒng)，平臺應(yīng)用界面見圖9。

圖9 東風(fēng)渠渡槽NRS監(jiān)測與預(yù)警云平臺

3 結(jié) 論

針對早期建設(shè)的渡槽結(jié)構(gòu)逐步進(jìn)入病害多發(fā)及性能退化期，渡槽結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行存在各方面的問題，本文以東風(fēng)渠天宮橋渡槽和黎家溝渡槽為研究案例，首先通過調(diào)查分析了渡槽現(xiàn)狀及存在的問題，發(fā)現(xiàn)兩個渡槽常年遭受洪水威脅，槽身和支撐出現(xiàn)了不同程度的變形，且渡槽主體結(jié)構(gòu)材料劣化明顯。之后針對渡槽當(dāng)前運(yùn)行存在的問題提出了相應(yīng)的監(jiān)測方案，用于渡槽結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測，保障渡槽水工結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行，同時還研發(fā)出東風(fēng)渠渡槽NRS監(jiān)測與預(yù)警云平臺，便于及時掌控既有渡槽的健康狀態(tài)，了解渡槽結(jié)構(gòu)的工作情況。最后，通過一定時間的運(yùn)行，管理單位可以通過系統(tǒng)及時掌握各項(xiàng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，了解渡槽的工作性態(tài)，驗(yàn)證了該渡槽結(jié)構(gòu)的監(jiān)測方案和系統(tǒng)平臺的可靠性，相關(guān)研究成果具有一定的推廣價(jià)值。