富春江船闸安全监测技术及自动化建设

孙振锋，刘传新，2，万晓峰,2，祁智国，夏鹏飞

（1.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 210017；2.江苏省地下空间探测技术工程实验室，江苏 南京 211112）

富春江船闸安全监测技术及自动化建设

孙振锋1，刘传新1，2，万晓峰1,2，祁智国1，夏鹏飞1

（1.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 210017；2.江苏省地下空间探测技术工程实验室，江苏 南京 211112）

富春江船闸在建设期间曾多次遭遇洪水侵袭，给施工安全和结构的稳定带来许多隐患。为评价其工程性能以及对工程安全进行连续评估，采用完善的安全监测技术方案，建立了一套原型观测自动化系统。

富春江船闸；安全监测；自动化

船闸作为船舶通航的主要建筑型式，其对于防洪和交通均有重要意义，因此保障船闸通航运营安全是船闸安全监测工作的重点。船闸自动化观测系统的研究与设计在我国发展历程较短，相关技术仍不太成熟，但随着近几年大型水利水电枢纽的兴建，积累和提供了许多宝贵经验，其中三峡船闸工程的自动化观测系统于2010年4月建成[1]，确保整个三峡船闸枢纽的安全运行。富春江船闸是我国第一座在原有船闸基础上扩建改造的工程项目，原有水电枢纽运行和工程施工相互影响，安全管理工作难度很大[2]，其运行能力和实践价值备受国务院领导的关注。本文以该船闸工程为例，重点对船闸安全监测项目及自动化系统建设进行总结，为相关工程的监测服务提供一定的参考意义。

1 工程概况

富春江船闸扩建改造工程位于桐庐县富春江镇境内，富春江水电站枢纽右岸，工程包括船闸主体范围及建德、桐庐境内锚泊区、航道等。该工程在原有土木下游，新建1座Ⅳ级通航标准兼顾1000t级船舶过闸能力的船闸[3]，原有土木经过加固改造后作为上游引航渠道。

船闸总长364.0m，闸室有效尺度为300.0m × 23.0m × 4.5m（有效长度×有效宽度×门槛水深），上下闸首为整体空箱式结构，闸室为分离式结构；新建上下游引航道，建设相应导航和靠船建筑物；坝下唐家洲左侧河道切滩疏浚及边坡防护，并开挖行洪渠道及节制分水闸；配建相应船闸配套及附属设施等见图1。

图1 富春江船闸总平面布置图

2 监测目的

老船闸已运行近40a，因船舶撞击及老化等因素，闸墙、输水廊道内部混凝土存在一定的破损和碳化，其结构体的使用功能、性质也必然发生了一定变化。此次扩建改造工程对老船闸进行了加固改造，原土木功能改变后，现有监测系统将不能满足相关技术规范要求，需增加沉降位移、渗流等监测项目，老船闸原有的观测设施将继续使用。

新船闸监测是为了掌握施工期的结构状况，确保工程施工期间老船闸和新船闸的结构安全；其次，能及时为土木施工提供反馈信息，通过监测数据的分析，掌握结构稳定性的变化规律；同时，能积累区域性设计、施工、监测的经验，为提高类似工程的设计和施工整体水平提供基础数据支持。

3 监测技术

富春江船闸安全监测内容，按照建筑物涵盖了老船闸、新船闸、节制分水闸、临近或附属设施等，主要涉及渗流（扬压力）、墙后土压力、钢筋应力、锚杆应力、沉降位移等监测项目。

3.1 渗流监测

本船闸渗流监测工作主要是监测闸墙基础扬压力，同时监测渗流场改变对临近溢流坝段的影响，以及闸室底板止水一旦失效对渗流的影响。根据现场情况和施工设计图纸，在新船闸上下闸首部位各布置1个观测横断面，在闸室每结构段基面下共布置13处观测横断面，每个断面布设4～ 8个渗压计，渗压计采用钻孔方式埋设，深入基岩1.0～1.5m；老船闸段设置3个观测横断面，每个断面布设4个渗压计。自动化系统形成以前，采用便携式读数仪进行数据采集，监测周期为1次/d。

3.2 墙后土压力监测

富春江船闸基坑开挖深度在35.0m左右，后期在船闸右侧回填碎石土，其中含有许多大尺寸石块，如此大的填方量和土压力势必对船闸结构稳定产生影响，因此墙后土压力监测是本工程安全监测工作的一项重点。根据现场施工条件和设计图纸，在新船闸上下闸首及闸室中段共设置4个观测断面，每个断面沿墙高每3.0m间距布设土压力计，各测点埋设位置见图2。

图2 土压力计布置图

3.3 钢筋、锚杆应力监测

应力应变监测应根据建筑结构特点以及应力状况进行布置，使监测结果能反映结构应力分布、最大应力的大小和方向等。船闸结构的主应力方向一般较为明确，与其他研究成果及监测资料综合分析，能更好地反映出结构的健康状态和稳定性。根据船闸结构设计图纸，在其重要的钢筋混凝土部位特别是内力较大部位布置钢筋应力测点，主要布设在上下闸首部位，横向和纵向钢筋计共计37支，以观测船闸结构应力的变化；在船闸中底板锚杆上布置锚杆应力计，与闸室每结构段的渗压计组成1个观测横断面，监测锚杆应力的同时能结合基底扬压力的变化进行综合观测分析。

3.4 沉降位移观测

基准点：在原有2个GPS控制点基础上新增平面观测墩7个，共9个点组成二等永久监测控制网。控制网增补点的布设结合了船闸扩建区的地形地貌以及施工总平面布置图，在室内图纸设计的基础上，再进行野外实地勘察比较，最终选定的点位地基牢固可靠，便于埋石和后期加密低等级控制点的观测需要，同时确保各方向视线与障碍物的距离不小于2.0m[4]。

沉降点：对于新建船闸，在其上下闸首顶面4个角点共布设8个观测点，闸室每结构段墙顶4个角点共布设80个观测点，观测点采用不锈钢观测钉，埋设时配以斜筋焊接在底板面层及竖向钢筋上，并用圆形铁质盒保护；对于老船闸，在其左右两侧共布设8个观测点，基本呈对称分布；在节制分水闸闸墩顶、闸室底板、上下游挡墙结构段角点设置沉降观测点共50个。

位移观测墩：新船闸段，在上下闸首两侧各设置2座位移控制墩，闸室每结构段墙顶设置6座位移墩，共计10座位移观测墩，观测墩为强制对中测量基座并配备保护盖；在老船闸左侧设置4个位移观测墩，右侧设置3个位移观测墩；节制分水闸在闸墩顶设置3座位移观测墩，样式与前述观测墩一致。

3.5 裂缝及沉降缝观测

裂缝观测是为了了解水工建筑裂缝的发展情况及其对建筑物安全的影响，主要对裂缝发生位置、其长度和宽度以及是否形成贯穿裂缝等进行观测，以便分析其产生的原因，并做出相应的处理；沉降缝观测是为了了解水工建筑物沉降缝的开合情况，主要观测沉降缝的宽度、竖向错位变化等，以便及时发现可能产生的不正常现象；在裂缝和沉降缝观测期间，同时观测记录混凝土温度、气温、水温以及上下游和闸室水位。根据现场调查情况，在新船闸每结构段胸墙沉降缝两侧各布设1组金属标点，共计38处，并用游标卡尺进行测量；在老船闸胸墙裂缝和结构缝两侧布设金属标点13处；节制闸挡墙结构段沉降缝及裂缝两侧布设金属标点29处。

4 自动化观测系统

船闸自动化观测系统立足于稳定可靠、经济实用的特点，同时结合船闸的传感器分布情况，对系统建设规模和造价要求等因素进行综合考虑，着力满足船闸观测数据处理、综合信息管理和关键测点评判的需要。

系统研发期间，从系统结构、设备选择、产品供应商的技术服务和维修响应能力等多方面都做到严格要求，尽可能降低故障发生的可能性；系统软硬件选用相对成熟的技术和设备，提高了系统的可靠性，从而降低实施风险，同时赋予系统自我诊断和恢复能力；此外，系统设置人工检测接口，以便定期校验以及在系统自动检测故障时进行人工检测，确保监测数据资料的连续性；系统设计充分考虑到未来发展的需要，留有足够的预留接口，以备后期对系统的设备进行容量扩充和升级；系统设有密码和多级控制级别，通过对操作人权限的不同划分来对系统使用人员进行管理，防止非法用户操作。

为确保系统研发环境的稳定，整个软件系统在Windows XP操作系统下开发完成，并采用功能较为强大的Microsoft VC++ 6.0编程工具编写程序，能够满足系统实现各复杂功能模块的需求。系统数据库在外站采用Access 2003，远程采用Oracle 10数据库，可以存储不同类型的监测数据，保证了系统数据的完整性。运行富春江船闸自动化监测软件后，程序进入系统主菜单界面见图3。

图3 自动化观测系统主界面图

整个自动化观测系统利用高性能计算机网络，针对船闸的渗流、钢筋应力、锚杆应力、土压力、水位等监测项目，动态反映船闸环境激励和结构动力响应状态的信息，实时监测船闸的工作性能，并提供相应的数据采集、数据传输、数据分析、人工操作界面等功能（见图4），以保证船闸的安全运营，为船闸的养护维修提供科学依据。

图4 自动化系统功能模块关系图

5 结 语

富春江船闸现已投入试运营阶段，期间虽历经多次洪水而未出现安全事故，可以说高效实施的监测工作是其重要的保障手段之一，特别是富春江大坝泄洪过程中的监测数据，能及时获取、处理、分析和反馈给相关单位与部门，做到准确、可靠、实时，有力支援了船闸的安全施工建设。目前，船闸处在自动化监测管理之下，自动化系统的稳定运行将继续保障后期的安全运营。

[1] 罗孝兵，刘冠军，汤祥林，等．三峡船闸安全监测自动化系统建设[J]．水电自动化与大坝监测，2011(1)：46- 50．

[2] 朱权华，代彦．施工安全风险评估在大型船闸工程的运用[J]．中国水运，2014(5)：284- 285．

[3] 曹一中，张公略，金国强，等．富春江船闸扩建改造工程总体布置方案[J]．水运工程，2009(9)：136- 141．

[4] 中国有色金属工业协会．工程测量规范：GB 50026— 2007[S].北京：中国计划出版社，2008．

TV663

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1008- 701X(2017)06- 0083- 03

10.13641/j.cnki.33- 1162/tv.2017.06.024

2017-03-08

孙振锋(1989- )，男，助理工程师，硕士，主要从事岩土工程勘察和地下工程监测等工作。

E - mail：szf007@163.com

（责任编辑 郎忘忧）