大坝安全监测系统在输水管道工程中的应用

(辽宁润中供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110166)

1 概况介绍

大伙房水库输水(二期)工程是辽宁省“十一五”期间重点基础设施建设项目，输水管线全长261km，采用有压重力流和串联加压相结合的方式，设计年供水量17.86亿m3。输水管线主要由DN6000隧洞及钢管连接段、DN3200PCCP管线、DN2400PCCP管线及DN1800玻璃钢管线组成。

根据管线及相关建构筑物特点及工程地质条件，大伙房水库输水(二期)工程采用大坝安全监测系统，以监测基础抗滑、岩体不均匀变形、管道的沉降及渗流状态等。安全监测系统沿输水管线共布设46个监测测站，分为取水首部检测、输水隧洞检测、隧洞连接段检测、输水管线检测、配水站稳压塔检测等五部分。主要监测项目包括围堰变形、锚杆应力、渗流压力、混凝土应力、伸缩缝变形、温度水位监测、镇墩支墩沉降位移、管道接口缝、内水压力、管壁应力、管道沉降等。

2 安全监测仪器的选型

鉴于大伙房水库输水管线工程特点，主要选用了多点位移计、锚索应力计、孔隙压力计、测缝计、无应力计、钢板计、应变计、温度计等监测仪器。

2.1 电位器式多点位移计

电位器式多点位移计具有量程大(最大可达1000mm)，便于长距离信号传输，可最大限度地消除环境温度对测量影响，测量精度高，长期稳定性好，体积小，可在较恶劣的环境中工作，如水下或埋地设置，且耐高压(可达3MPa甚至更高)等特点。根据工程的地理环境和实际应用需求，选用ND-3型(三维)电位器式多点位移计克服了潮湿和高压的环境条件。该工程在取水头部安设6支，输水隧洞段5支，PCCP管段2支，玻璃钢管段3支，进行围堰变形和支墩位移监测。

2.2 差动电阻式类仪器

该工程中所选用的锚杆应力计、钢板计、钢筋计、测缝计、应变计与无应力计均属于差动电阻式传感器。差阻式仪器内的弹性钢丝为直径0.04～0.05mm的特高强钢丝，通过两组钢丝差动变化进行测量。仪器在未受力变形时，内部钢丝应力已高达2000MPa，所以该类仪器缺点是不耐震，更不能碰撞，易损坏，超载能力较差，测量精度受温度影响明显。但是，该类仪器长期稳定可靠，并能兼测温度，在高水压下也可长期可靠工作，非常适合于该工程的实际情况。

2.3 振弦式渗压计

渗压计主要有差阻式和振弦式两种，结合该工程特点和精度要求，选用精度更高的振弦式渗压计。它克服了电阻值随温度变化而变动的弱点，因而能够使用在宽温范围。除灵敏度高以外，振弦式渗压计的仪器长期稳定性、耐久性好，输出信号为频率，抗干扰能力强，基本不受接长电缆影响，且绝缘性要求相对较低。为了进一步确保工程的安全性和可靠性，该工程中全线共布设27支。

2.4 压阻式管道压力计

压阻式管道压力计较其他压力计相比，不受环境温度、湿度、气候、大气压力等变化的影响，长期稳定性高，动态性能好，传输距离远，且防水密封和绝缘性能良好,传感器极少发生漏水现象。鉴于以上优点，在该工程中利用压阻式管道压力计来检测隧洞、隧洞连接段、PCCP管段、玻璃钢管段的内水压力。

3 典型断面监测仪器的布设

3.1 取水头部

取水头部主要为工程取水建筑物，其监测仪器包括多点位移计(3D)、渗压计(P)、测缝计(J)、锚杆应力计(GR)、钢筋计(R)、应变计(S)、无应力计(N)等，取水头部0+26.95断面仪器布设情况如图1所示。

图1 取水头部0+61.95断面仪器埋设布置

3.2 隧洞段及连接段

该区段布设仪器主要有多点变位计(3D)、渗压计(P)、土压计(Y)、锚杆应力计(GR)、钢筋计(R)、应变计(S)、无应力计(N)、锚索应力计(MS)，隧洞段某特征断面仪器布置示意图如图2所示。

图2 隧洞段特征断面仪器布置

3.3 PCCP管线

该工程中PCCP管线全长154.5km，占工程管线全长59%，该区段以内水压力和管线接缝检测为主，主要布设仪器有内水压力计(NP)、测缝计(J)、钢板计(GS)、土压计(Y)、多点位移计(3D)等，具体布设情况如图3、图4所示。

图3 沈阳2配水站至辽阳配水站内水压力计监测布置

图4 PCCP管线典型断面仪器布置

3.4 玻璃钢管线

该区段布设以内水压力计(NP)为主，辅以土压计(Y)、测缝计(J)、钢板计(GS)，其中土压计、测缝计、钢板计类似PCCP管段。图5为营口支线内水压力计(NPY表示，Y代表营口)布置情况。

图5 营口支线内水压力计监测布置

4 监测仪器运行现状

大伙房水库输水(二期)工程沿线46个安全监测测站共埋设各类传感器1245支，目前损坏115支，整体完好率92.3%。工程自2010年末运行至今，各类监测仪器未出现大面积故障或数据失真，通过数据采集分析，有效反映了工程运行期间地质水文、管道接口、应力变形等变化趋势。以下为截取2017年11月4日—12月6日期间部分安全监测设备运行曲线。

a.内水压力计。内水压力受系统供水水量的调节而变化，气温对监测数据的精度有一定影响但不显著，11月4日—12月6日期间NP24测站内水压力(Kp)随时间变化曲线如图6所示。

图6 NP24内水压力计监测数据变化曲线

b.测缝计。由于该工程地处东北，四季温差较大，差动电阻类仪器的检测结果受气候的影响明显。冬天寒冷，缝隙张开，测缝计的测值较大。由于仪器使用时间不太长，且截取时段较短，因此各测点的变幅不大，均在1mm以内。11月4日—12月6日期间J002909804测缝计变化量(mm)随时间变化曲线如图7所示。

图7 J002909804监测数据变化曲线

c.应力计。图8为11月4日—12月6日期间GS00403502钢板计应变量(με)随时间变化曲线。其中负值表示为压力(正值为拉力)。随着气温的降低，锚杆应力状况表现为压力，且数值上呈增大趋势。从运行情况看，变位较小，据此可判定该测点处岩基处于稳定状态。

图8 GS00403502监测数据变化曲线

5 结 语

安全监测是工程安全管理的重要部分，大伙房水库输水工程的运行实践证明，大坝安全监测系统运用于输水管道工程是可行的。但必须因地制宜合理选择各类监测仪器，并遵从“先进性、可靠性、经济性、可扩性”原则，综合考虑系统结构、设置才能发挥效益。

由于安全监测的部分仪器在工程施工的同时埋设在了岩体、管体以及混凝土内部，例如差动电阻式监测仪器，随着使用年限的增长，在潮湿的地下环境中，必将逐渐失效。安设在地上的仪器设备也会在风吹日晒中慢慢老化出现故障，这都是不可避免的。所以，定期的维护和检修，才是保证安全监测仪器长期有效地发挥作用的重要方法。

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