杨家湾船闸结构安全监测系统设计

陈 亮,缪长青,2,宋华丽

(1.东南大学土木工程学院,江苏南京 210096;2.东南大学 混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室,江苏南京 210096)

随着国家水路运输的大力发展,水利枢纽设施在发电、防洪、水路运输的连续性等方面都发挥了主要作用。随着愈来愈多的水利枢纽的建成并投入到国民经济建设中,通航建筑物的重要性也日益突出。

船闸作为通航建筑物的主要型式,为满足船舶安全过闸,结构的耐久性以及通航过程中的结构安全性则显得尤为重要。由于船闸类型的多样性和结构型式的复杂性,船闸结构的受力状态各有不同;同时,所采用的施工方法和结构型式与船闸正常运行荷载作用下的内力有着密切的关系。因此,加强在施工期间船闸结构监测、内力分析计算与优化,对于保证船闸结构质量具有重要的作用;另一方面,研究通航中的温度变化作用以及多种工况作用下船闸工程混凝土结构应力情况,对通航中的船闸结构进行安全性监测与评估分析,是保证整个船闸结构体系稳定性和安全性的关键。根据船闸的结构组成及运营特点,船闸结构主要病害与问题有:

(1)船闸运转件的病害。人字门船闸平均运行4×104～5×104闸次(相当于繁忙船闸运行 3 a～4 a),蘑菇头帽就磨损严重使人字门运行困难,而造成抢修和提前大修。阀门主滚轮轴套一般用2×104～3×104闸次就需要更换,阀门主滚轮一般使用3×104～5×104闸次后,滚轮踏面就磨损了 20 mm～30 mm,从而失效。

(2)船闸钢结构件的病害。一些船闸闸门在运行一段时间后,杆件发生变形,有局部失稳现象。个别闸门还发生过底横梁开裂,以至停航抢修的事故。

(3)船闸混凝土结构病害。船闸混凝土结构的病害缺陷主要有裂缝、破损、腐蚀、渗漏、钢筋锈蚀以及结构外观变形等。在船闸混凝土结构裂缝病害中最为重要是在混凝土结构浇筑、构件制作、起模、运输、堆放、拼装及吊装过程中由于各种原因而产生的施工裂缝以及由船闸基础不均匀沉陷而产生的沉陷裂缝。由于裂缝的产生加剧了渗漏的作用,一方面在水压力作用下使裂缝逐步扩宽和发展;另一方面当水渗入混凝土内部后将一部分水泥的某些水化产物溶解并流失。由此可能导致混凝土结构物的破坏。

1 工程背景

芜申线位于长江三角洲河网地区,横跨安徽、江苏、上海两省一市,是规划的长三角地区高等级航道网“二纵六横”和江苏省干线航道网“二纵四横”中重要的省际干线航道,规划航道等级为三级。工程概算投资4.47×108元,建设工期为二年半。杨家湾船闸工程位于高淳县淳溪镇,芜太公路桥上游约1.2 km处,新建船闸移址于原航道的右岸,如图1。船闸为Ⅲ级标准通航建筑物,建设规模为230 m×23 m×4 m(长×宽×槛上水深),设计最大通航船舶吨级为1 000 t级,设计单向年通过能力为1983×104t[1]。

图1 杨家湾船闸总平面图

2 船闸结构安全监测系统结构和目标

2.1 系统目标

杨家湾船闸安全监测系统从结构全寿命理念出发,从船闸施工期开始到船闸正常通航期,综合考虑传感器建立结构安全与通航安全监测监控系统。该安全监测系统能实时掌握船闸运营状况,实现航运服务水准的实时安全报警;合理配置船闸养护维修资源,保证船闸检查维修策略制订具有针对性、及时性和高效性,降低运营维护成本。

2.2 系统结构

根据杨家湾船闸结构安全监测系统工程由4大部分构成:①传感器系统;②网络传输系统;③数据查询与管理子系统;④软件系统。

3 船闸结构安全监测项目及测点布置

3.1 船闸水工建筑物观测项目

3.1.1 视频监控

为观测船队通过杨家湾过闸航迹、船闸检修情况、水文及泥沙情况、通航水流条件,判断船闸航道否有阻塞或者事故的发生,方便管理和技术人员可通过电视屏幕查看船闸闸门开启关键部位的运行情况,以及重要部位的结构外观及其位置处埋设传感器的运行情况,安装视频监控系统。

视频监控系统重点监测对象是:闸道船只通行情况;闸首、闸室、输水系统和附属设施等重要的结构部位安装摄像机监测结构外观及其所布置传感器的运行情况。安装12个不同功能的摄像头对以上船闸重点部位进行视频监控。

3.1.2 水位观测

水位观测是为了了解水工建筑物上、下游水位及其变化,以作为工程控制运用和分析建筑物工作状态的依据[2]。

3.1.2.1 闸室水位观测

在闸室内外水面稳定的地方,设置自计水位计,定期观测在灌泄水时水位的变化。在观测闸室内外水位的同时,还应观测引航道内水位。

3.1.2.2 墙后地下水位观测

在闸墙后每隔一定距离,设置观测井、或埋设测压管。观测地下水位同时观测上、下游水位及闸室水位。

3.1.3 渗流观测

3.1.3.1 翼墙后的绕流观测

在闸首上游两侧翼墙后或土坡中设置测压管,定期观测渗透绕流,每侧布置3个断面,每个断面布置3根测压管,在观测绕流测压管水位时,应同时观测上、下游水位[3]。

3.1.3.2 闸底的渗透观测

包括浮托力和渗透力观测。在闸底的地基上和防渗设备前后埋设测压管定期观测,并应与翼墙后的渗透绕流观测相互验证。测压断面一般不少于3个,每个断面设置3个观测点。

3.1.3.3 闸体混凝土建筑物内部的渗透观测

在有代表性的闸段内,选取3个水平截面,埋设渗压计进行观测,布置在混凝土浇筑分层施工缝上,在靠近临水面上,渗流坡降较陡,测点应布置得密一些,上、下游水位同时观测。当闸室水位变化较快时,应注意渗透的滞后现象。

3.1.4 变位监测

在闸体建筑物上安设固定标点,定期进行垂直变位的监测,根据起测基点的高程,确定建筑物的垂直变化[4]。监测垂直变位应与水平变位配合进行,并同时监测上下游水位,对混凝土结构还应监测混凝土温度和气温。当水位有骤升或骤降时还应监测。

船闸结构变位监测可以采用GPS技术建立船闸结构的GPS动态变形监测系统,对于结构变位进行长期实时跟踪监测,其主要特点是精度较高,能给出三维变形,不受视线障碍和距离限制,操作简单及可全天候作业等[5]。在采用GPS同时,在施工期设定船闸结构固定的观测点,采用全站仪配合精密水准仪定期进行监测,然后将监测结果纳入安全监测系统。

在建筑物竣工2 a～3 a内每月进行1次监测,当建筑物变位基本稳定后,每年监测不得少于8次。有特殊水位情况时,还应加测。

3.1.5 水压力观测

3.1.5.1 衬砌后水压力观测

在有代表性的闸段,选取1～3个断面,沿衬砌与岩石的接触面分层布置渗压计,实时监测在枯水、洪水期的变化,并同时观测上下游水位及闸室水位。

3.1.5.2 廊道内水压力监测

通过监测廊道内水压力,可以了解在最大水头作用下廊道内的水压力与静水压力差值及其分布。这项监测值可由输水廊道监测取值。

3.2 船闸结构监测项目

3.2.1 土压力监测

3.2.1.1 墙后土压力监测

在受力复杂和地质复杂的地段,选择1～3个断面,沿墙高布置土压力计,每个断面上不少于3个测点,在不同水头作用下和不同时期进行土压力的监测。为分离水和土的压力值,在土压力计附近设水压力计,监测时应同时记录水文和气温。

3.2.1.2 建筑物基底土壤反力监测

在建筑物基底选择1～3个断面埋设土压力计,监测在不同水头作用下和不同时期的土压力,每个断面上的测点不应少于5个。

3.2.2 结构及钢筋应力监测

3.2.2.1 混凝土闸墙应力监测

选择具有代表性的闸段,在施工期布置12个监测断面,在监测断面上根据结构形式和闸墙高度布置几个截面,每个截面上布置35个监测点,埋设应变计监测闸墙应力。混凝土闸墙应力监测应与上、下游水位、闸室水位、混凝土温度、位移、沉降缝、场压力等监测配合进行[6],同时在测点附近埋设无应力计,以监测混凝土的非应力应变(在温度、湿度及化学作用下的变形)。

3.2.2.2 钢筋应力监测

在底板和闸墙内,根据应力分布情况,在弯矩最大的地段的钢筋上设置钢筋应力计,监测钢筋应力。在监测钢筋应力时,应与结构受力状态、温度等配合进行。

3.2.3 船闸地基与回填土的观测

3.2.3.1 底板沉降监测

为测得闸底板在浇筑过程中的沉降,在底板下布设杆式沉降盘,定期测量主杆的沉降,待建筑物建成之后,则可用墙顶固定标点测沉降。

3.2.3.2 墙后土体和地基沉降监测

在土体和地基中逐层埋设深式标点组,测量各测点的高程变化,从而计算出固结度。土体固结监测应与地基和填土垂直位移监测配合进行。

3.2.4 船闸结构温度场的监测

在混凝土结构施工时,将电阻式温度计埋在混凝土内,测点一般分布在应力监测的监测段内[7],测点在接近表面时加密,在廊道、沉降缝附近;应适当增加测点。温度监测次数和时间应与应力监测一致。

3.2.5 裂缝及沉降缝监测

3.2.5.1 混凝土建筑物裂缝监测

对裂缝分布、位置、长度、宽度、深度以及是否形成贯穿缝,做出标记,进行监测[8];对重要的裂缝,应选择有代表性的位置,设置固定标点;对其缝宽的变化或发展情况,定期进行监测。裂缝发展初期,每天监测一次,待裂缝发展缓慢后,可适当减少监测次数。

3.2.5.2 沉降缝的监测

在建筑物高度最大、地质情况复杂或进行应力应变监测的闸段沉降缝上测点应不少于2个。监测沉降缝时,根据情况可同时监测混凝土温度、湿度、水温、上下游水位及闸室水位。

3.3 杨家湾船闸测点布置

根据以上原则对杨家湾船闸进行了测点布置,闸室平面、剖面、闸首剖面测点布置分别如图2、图3。

4 数据采集与传输子系统

杨家湾船闸安全监测系统数据近程传输采用有线方式,各传感器与数据采集站之间用抗干扰屏蔽线缆连接,数据采集站通过光缆传输数据到船闸监控中心。远程传输采用互联网。

图2 闸室测点布置

图3 闸首某剖面布置

杨家湾船闸安全监测系统的结构根据功能分为3层:数据采集层、中间传输层及中心网络层。根据设计方案,数据采集层与中间传输层之间的界面划分在数据采集设备端,由于各监测子系统所使用的设备不同,导致两层之间的传输介质各种各样,主要有抗干扰屏蔽电缆、串行通信线缆等。中间传输层与中心网络层的界面划分在监控中心的网络交换机上,两层之间的传输介质可以为单模或多模光缆[9]。

系统设置一个外场数据采集点。各种传感器将信息传输至外场数据采集点,然后通过通信系统集中上传至中心船闸结构安全监测计算机系统服务器,进行数据汇总与处理。数据采集与传输系统均采用延时较小的UDP协议,在此协议的基础上可以实现远程准实时的监测与控制。

5 数据查询与管理子系统

所测得的数据传输到中心网络层之后,通过数据处理及控制系统对数据收集、传输、处理、存储和显示进行全面控制。在船闸结构中,数据处理及控制系统主要包括三方面的内容:①数据处理。首先,校核监测点实时传入的数据是否有异常,如果有异常则显示异常的数目,正常数据则进行数据统计和趋势分析,最后进行数据压缩,压缩后的数据容量将减小的同时必须能够保留数据的关键特性如最值,平均值,变异系数值及其他统计特征值,应能在压缩后的数据中得到有效反应。②异常数据剔除及数据压缩之后通过图表对数据实现可视化,该系统建立测点结构温度实时变化曲线和水流量的实时变化曲线同时将视频监控所获得实时视频数据建立监视视频窗口。③损伤预警项目包括船只流量、水位、应力、裂缝。其中水位、应力预警值通过设计荷载所导致的结构响应而确定,此时需要确定的计算模型以及荷载估计来返算出控制应力和控制水位;船只流量则通过建立闸门损伤累计与开启次数的对应关系确定失去足够安全保证度的开启次数,通过开启数目建立船只流量预警值;裂缝通过实际量测,以规范规定的正常使用极限状态下的控制值的折算值为预警值,人工观察超过预警值后,进行定期记录。预警值确定后通过可视化建立预警提示,使维护管理者有足够的时间采取措施。

为了不使重要的信息被遗漏,在杨家湾船闸安全监控预警系统建成后,为了获得对比数据,在第一年进行原始健康档案的数据采集,以后可以进行定量和定时的实时监测,即在指定时间或当信号超过一定预警值时才开始采集。

数据查询与管理子系统完成了数据—信息—知识的转化,并通过对数据库中的大量监测数据进行抽取、转换、分析和其他模型化处理,从中提取能辅助后续自动状态识别与状态评估的关键性数据;同时能将经过处理和分析的数据提供给结构安全评估使用。

6 结 论

船闸结构安全监测是水工建筑物数字化建设管理的重要内容,本文在分析船闸结构的常见病害的基础上,结构船闸结构安全监测系统的监测项目选择、传感器测点布置、数据采集与处理系统构成进行了设计分析。分析表明:

(1)船闸结构对于航运作用重大,各种病害突出,日常维护中繁杂,有必要进行船闸结构物的安全监测,通过运用传统的监测仪器和先进的监测分析系统,能有效提高船闸监测的自动化水平。

(2)安全监测设计必须紧密结合工程的实际情况,做到统筹规划、突出重点。同时在船闸结构传感器的优化布置方面还有必要进行进一步的研究。

[1] 中交水运规划设计院.芜申线(高段)航道杨家湾船闸工程设计图纸[R].南京高淳:高淳县交通局,2009.

[2] 唐玲.浅谈长江重要堤岸的安全监测设计[J].水利水电快报,2002,23(6):23-24.

[3] 朱伟,山村和也.雨水·洪水渗透时河堤的稳定性[J].岩土工程学报,1999,21(4):414-419.

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[5] 吕利萍,陈于,程新文,等.大坝安全监测的技术手段[J].安全与环境工程,2003,10(1):79-82.

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[7] 刘晓萍,蒋昌波.温度应力对船闸结构的影响[J].长沙交通学院学报,1992,8(1):79-85.

[8] 叶小可.预留宽缝施工方法对船闸底板的影响[J].南昌大学学报(工科版),2002,24(4):19-23.

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