渡槽工程结构安全监测方案应用——以东风渠天宫桥渡槽和黎家沟渡槽为例

冯 飒，白文斌，王灵鸽

(1. 四川省水利科学研究院， 四川 成都 610072;2. 四川省都江堰东风渠管理处， 四川 成都 610057)

国内工程结构安全监测开始于20世纪60年代初，最早是在水工大坝工程方面得到应用[1-3]。近年来，随着早期建设的渡槽结构逐步进入病害多发及性能退化期，渡槽结构的安全运行和养护管理工作面临着严峻的挑战。在此背景下，强化渡槽动态运行监管，防范突发安全事故，进一步提升灌区既有渡槽结构安全运行和智能养护管理水平，显得尤为重要和迫切[4-8]。

通过对四川省都江堰东风渠管理范围内既有渡槽的调研，发现由于灌区渠系建筑物都为二十世纪五六十年代修建，渡槽普遍存在接近或超过设计使用年限[9-12]。受当时设计施工水平及条件限制，加之多年运行及自然老化影响，与现行标准比较，不符合之处较多。在进行输水建筑物的技术改造中，需要评价现有渡槽安全性态是否能满足安全运用要求，进而判定是保留、维修加固或拆除重建。在渡槽工程整体运行现状及安全评价方面，国内目前尚无统一的标准，也无规范可循，致使渡槽工程改造建设中无法准确判断工程是需要维修还是拆除重建，仅凭经验确定工程改造方案，可能会造成决策失误[12-15]。而新建渡槽完成建设交付使用后，也需要对渡槽的结构稳定性、变形、应力应变及温度、支护受力等情况进行监测。现在的运行管理一般都交给管理站自行巡查，只能采用目测、巡视的手段。在运行管理和判别工程建筑物质量上要较大的安全隐患。

为了解决这个问题，本文选取四川省都江堰东风渠管理处管辖内的天宫桥渡槽和黎家沟渡槽为研究案例，通过调查分析渡槽现状及存在的问题，提出与之相应的监测方案，同时研发出渡槽NRS监测与预警云平台，旨在及时掌控既有渡槽的健康状态，了解渡槽结构的工作情况。

1 东风渠渡槽工程简介

东风渠管理处灌区位于成都平原腹心，是都江堰水利工程的重要组成部分，对成都市经济社会和文化的繁荣作出了巨大贡献。东风渠灌区位于龙门山与龙泉山之间，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，东沿龙泉山脉西麓，南抵粤江河两岸，区域呈三角形。由于东风渠灌区渡槽数量众多，以下选取两座典型的渡槽工程(天宫桥渡槽和黎家沟渡槽)进行说明。

1.1 天宫桥渡槽

天宫桥渡槽位于东风渠总干渠49 km+850 m—49 km+895 m，总干渠设计流量60 m3/s，加大流量71 m3/s。天宫桥渡槽由左、右两个渡槽组成；老渡槽位于右侧，槽身类型为矩形钢筋混凝土简支梁结构，支承形式为浆砌条石重力墩，实测跨径组合为5m×6(孔)，进口底板高程为502.040 m，建成时间为1973年。新渡槽位于左侧，槽身类型为矩形钢筋混凝土双悬臂梁结构，支承形式为重力式墩，实测跨径组合为6 m+18.5 m+6 m，建成时间为2010年。经现场调查，东风渠天宫桥渡槽现状见图1。

1.2 黎家沟渡槽

黎家沟渡槽位于东风渠22 km+751 m—22 km+838 m，由左、右两个渡槽组成，渡槽间距3.1 m，进、出口由分水鱼嘴衔接，进口鱼嘴高度3.2 m，出口鱼嘴高度3.2 m。左侧为旧渡槽，进口段渠底高程495.070 m，出口段渠底高程495.058 m，流量22.1 m3/s，水深2.712 m。渡槽类型为浆砌条石拱式渡槽，整个渡槽共8孔，12 m的大跨4孔，3 m的小跨4孔。槽身长度为87 m，渠底比降1/1300，建成时间为1966年。右侧为新渡槽，进口段渠底高程495.327 m，出口段渠底高程495.269 m，流量27.9 m3/s，水深2.98 m。渡槽类型为浆砌条石拱式渡槽，整个渡槽共8孔，12 m的大跨4孔，3 m的小跨4孔，槽身长度为87 m，渠底比降1/1300，建成时间为1977年。东风渠黎家沟渡槽立面、横断面布置示意见图2和图3，现状图见图4。

图1 东风渠天宫桥渡槽现状

图2 黎家沟渡槽立面布置示意图(单位：cm)

图3 黎家沟渡槽横断面布置示意图(单位：cm)

图4 东风渠黎家沟渡槽现状

2 东风渠渡槽安全监测方案分析

考虑到20世纪60年代修建的旧渡槽即将拆除或已停止使用，本次主要对20世纪70年代及之后修建的新渡槽实施监测。天宫桥渡槽监测位置为左侧新渡槽，跨径组合为6 m+18.5 m+6 m，2010年建成。黎家沟渡槽监测位置为左侧旧渡槽(1966年建成)和右侧新渡槽(1977年建成)。在对渡槽进行结构安全风险辨识及评估的基础上，根据被测渡槽的结构特点、既有缺陷病害(既有同类型渡槽的主要病害情况)和周边环境条件，对渡槽构(部)件进行易损性、冗余性和可恢复性分析，确定东风渠渡槽结构安全监测需覆盖的主要项目主要分为荷载与环境、渡槽整体响应和渡槽局部响应三类，具体包括：

(1) 荷载与环境。环境温度变化将影响渡槽结构内力分布和结构变位。监测桥址处环境温度及其变化有助于分析和识别渡槽结构内力、变形及动力特性的异常响应。

过水水量是渡槽结构承受的主要活载，是分析结构响应并进行结构安全预警和评估的重要输入数据。

(2) 结构整体响应。结构响应监测以结构整体响应监测为主，包括墩柱变位、槽身挠度和梁端相对变位。结构局部响应的应变、裂缝、腐蚀等监测为辅。

监测渡槽基础沉降和下部结构偏斜程度的指标， 反映渡槽基础和下部结构在周边环境作用下的整体稳定性等技术状况。

槽身的挠度反映槽身在恒载、活载下的受力变形状况，是反映槽身的整体受力状态和安全裕度的重要指标。

监测槽身相对于支撑墩的水平纵向或横向变位，是对落梁风险最直接的预警指标，也是评估渡槽整体技术状况的重要参考。

(3) 结构局部响应。监测槽身横向局部变形情况，了解槽身在流水压力作用下的局部变形和稳定情况。

2.1 天宫桥渡槽监测方案

通过现场调查，天宫桥渡槽常年遭受洪水威胁，支撑墩极易发生倾斜变形，如图5所示。针对渡槽具体情况，并结合渡槽结构安全风险辨识及监测内容要求，提出采用以下监测方案，测点布设方案见图6。

图5 天宫桥渡槽受洪水威胁

图6 天宫桥渡槽(左侧新渡槽，2010年建成)测点布设方案(单位: cm)

分析可知，天宫桥渡槽监测内容主要包括槽身水位、结构表面温度、槽身变形和支撑变位。其中槽身水位采用水位计进行监测，在渡槽中部进行布设水位计一个。结构表面温度采用大气温度计进行监测，仪器同样布设在渡槽中部。槽身变形和支撑变位均采用静力水准仪进行监测，槽身变形监测点布设在中跨跨中左、右侧各布设1个，而支撑变位监测点布设在两个支撑墩墩顶处左、右侧各布设1个。

2.2 黎家沟渡槽监测方案

通过现场调查，黎家沟渡槽常年遭受洪水威胁，而且渡槽主体结构材料劣化明显，如图7所示。针对渡槽当前存在具体问题，并结合渡槽结构安全风险辨识及监测内容要求，提出采用以下监测方案用于黎家沟渡槽的监测，测点布设方案见图8。分析可知，黎家沟渡槽一共有4跨，渡槽监测内容主要包括槽身水位、环境温度、拱圈变形和支撑变位。其中槽身水位采用水位计进行监测，右侧新渡槽布设1个左侧旧渡槽，与右侧新渡槽共用。

图7 黎家沟渡槽主体结构材料劣化及洪水侵蚀

图8 黎家沟渡槽测点布设方案(单位: cm)

环境温度采用大气温度计监测，右侧新渡槽第四孔跨中位置布设1个，左侧旧渡槽与右侧新渡槽共用。拱圈变形采用静力水准仪进行监测，右侧新渡槽大跨跨中每跨布设1个，左侧旧渡槽同右侧新渡槽布设要求一致，包括16个传感器，此外左、右侧渡槽各布设基准点1个。而支撑变位主要采用静力水准仪与倾角计进行监测，其中静力水准仪监测方案与拱圈变形监测方案完全一致，倾角计主要用于监测支撑墩的倾斜变形，右侧新渡槽受水流冲刷的1个支撑墩处各布设1个左侧旧渡槽同右侧新渡槽布设方案一致，包括2个传感器。

基于上述监测方案，并结合东风渠灌区实际情况，建立了东风渠渡槽NRS监测与预警云平台，该平台可用于渡槽结构安全预警、应急响应、结构安全评估与决策支持等方面。东风渠渡槽安全监测属于野外安全监测，根据实施方案设计要求和传感器选型使用了RTU远程遥测终端和MCU自动采集终端组合对各渡槽观测仪器进行实时在线监测，设备通过太阳能供电装置及蓄电池进行电源供给。利用GPRS模块将测量数据远程传输至云平台及软件操作平台，实现远程无人值守自动化监测。

东风渠渡槽NRS监测与预警系统包括以下三大模块：

(1) 传感器模块。通过传感器将各类监测信号转换为电(光)以及以太网信号。

(2) 数据采集与传输模块。将监测信号转换为标准以太网数字信号并完成远程传输。

(3) 数据处理与控制模块。将监测信号进行预处理以及二次处理以向其它子系统提供有效的信息源或力学指标，根据需要设定程序监测并控制监测参数的采集。

由于东风渠渡槽监测尚处于初级阶段，因此目前该系统平台仅纳入了4个典型渡槽结构，包含天宫桥渡槽、罗家河渡槽、黎家沟渡槽和鸡公嘴渡槽，后续根据工程需要再逐步完善该监测系统，平台应用界面见图9。

图9 东风渠渡槽NRS监测与预警云平台

3 结 论

针对早期建设的渡槽结构逐步进入病害多发及性能退化期，渡槽结构的安全运行存在各方面的问题，本文以东风渠天宫桥渡槽和黎家沟渡槽为研究案例，首先通过调查分析了渡槽现状及存在的问题，发现两个渡槽常年遭受洪水威胁，槽身和支撑出现了不同程度的变形，且渡槽主体结构材料劣化明显。之后针对渡槽当前运行存在的问题提出了相应的监测方案，用于渡槽结构的安全监测，保障渡槽水工结构的安全运行，同时还研发出东风渠渡槽NRS监测与预警云平台，便于及时掌控既有渡槽的健康状态，了解渡槽结构的工作情况。最后，通过一定时间的运行，管理单位可以通过系统及时掌握各项监测数据，了解渡槽的工作性态，验证了该渡槽结构的监测方案和系统平台的可靠性，相关研究成果具有一定的推广价值。