引江济淮工程蜀山泵站安全监测设计

胡国安

(安徽省水利水电勘测设计院研究总院有限公司，安徽 合肥 230088)

1 工程概况

引江济淮工程是2014年5月国务院第48次常务会议要求加快推进的172项节水供水重大水利工程之一。引江济淮工程共分为三段：引江济巢、江淮沟通、江水北送，其中引江济淮江淮沟通段按满足航运功能要求进行设计，在江淮分水岭以南利用派河、以北利用东淝河输水后入瓦埠湖，在江淮分水岭沿地势较低处穿越，同时利用合肥市规划预留的通道布置线路。蜀山泵站工程位于引江济淮线路江淮沟通段，地处安徽省合肥市肥西县境内，进水池连接派河段输水河道，出水池连接分水岭段输水河道(图1)。其主要任务是输水与航运，是引江济淮江淮沟通段的重要组成部分。

图1 蜀山泵站枢纽布置示意图

蜀山泵站为一等工程，主要建筑物有引水渠、进水闸、前池、泵房、安装间、泄水闸、出口控制段及出水渠等。泵房为堤身干室型，站内8台机组作一列式布置，采用肘型进水流道，直管式出水流道。泵站设计流量340 m3/s，设计净扬程12.7 m。水泵型号为3430HLQ-40，配套电机型号为TL7500-48，单机功率7 500 kW，共装机组8台套，总装机容量60 000 kW。

2 安全监测的目的

引江济淮工程蜀山泵站安全监测设计以监测各类建筑物在施工期、蓄水期和运行期的安全为主要目的，同时兼顾反馈设计、优化施工等需要。

首先，通过对各类建筑物整体状态全过程的持续监测，采集建筑物的变形、渗流、应力应变、温度等各效应量各阶段变化过程的数据，及时进行分析处理，对建筑物的稳定性、安全度作出评价，及时发现各效应量异常现象和可能危及建筑物的不安全因素，为有关部门的处理决策提供参考依据。

其次，通过建筑物在各阶段的运行情况及安全监测提供的有效数据，检验设计方案及施工质量是否满足设计要求，从而改进和完善施工方法和措施，优化和完善设计，同时为工程的运行提供指导，以达到优化设计、指导施工、调控运行的目的，确保工程全生命周期的安全稳定。

3 安全监测设计原则

针对蜀山泵站的工程特点，参考相关规范要求，本工程安全检测系统的设计原则为：

(1)目的明确。主要建筑物的安全是工程监测的主要目的，须满足工程施工期、运行期工程安全评价的要求。

(2)突出重点。将建筑物及基础作为整体来考虑，监测的重点放在两个效应量，即变形和渗流，监测断面(部位)选择在泵站具有代表性的部位，能够反映各建筑物结构的工作状况。

(3)性能可靠。所选的监测仪器设备必须满足本工程量测精度的要求，且性能可靠、长期稳定性好、操作简便、技术先进。

(4)仪器观测和人工巡视检查相结合，缺一不可。

(5)监测数据实行自动化采集。

4 安全检测设计内容

根据蜀山泵站的具体情况，主要内容可以确定为建筑物的水位监测、垂直位移和不均匀沉降监测、水平位移和倾斜监测、基础扬压力监测、地基反力监测、泵站流量监测、人工巡视检查等。

4.1 监测断面的选择

蜀山泵站主要建筑物包括引水渠、进水闸、前池、泵房、泄水闸、安装间、出口控制段、出水渠等；蜀山泄水闸主要包括控制段、闸室、消力池等。监测断面应布置在重要性较高、结构受力复杂、地质条件不利或具有较强代表性的部位。根据蜀山泵站及泄水闸地质条件、结构分块和受力特点，决定在进水闸布置3个顺流向监测断面(左侧岸墙、1#孔和2#孔联合块体1个、3#～5#孔块体1个、6#～8#孔联合块体1个)，泵房及泄水闸段共布置3个顺流向监测断面(泄水闸闸室1个，泵房1#～2#孔联合块体1个，3#～4#孔联合块体1个)，出口控制段布置3个顺流向监测断面(泄水闸控制段中部1个，泵站控制段1#～2#孔联合块体1个、3#～4#孔联合块体1个)，前池段和出口翼墙各布置1个垂直流向监测断面。

4.2 监测设施的布置

4.2.1 水位监测

在泵站前池段和出水渠段水流相对较平稳的位置各布设1组水尺，为实现水位自动化监测，在水尺附近位置各布设1支水位计。根据泄水闸和泵站的相对位置关系，泄水闸进出口水位可直接利用蜀山泵站水位资料，无须另外设置水位计或水尺。共布设水尺2组、水位计2支。

4.2.2 变形监测

变形监测包括建筑的垂直位移、水平位移、相邻块体错动监测。

(1)垂直位移监测。泵站各结构块体的表面垂直位移及相邻块体间的不均匀沉降、泄水闸的表面垂直位移均采用水准法观测。根据泵站各组成部位的分块设计情况，在进水闸、泵房段、泄水闸闸室段、安装间、出口控制段各块体的顶部四角各布设1个水准点(图2)，在挡墙的各块体中部布设1个水准点。共布设水准点105个。

图2 水准点简图

为监测施工期结构物的沉降情况，在泵房段上游侧顶部垂直水流向布设1条静力水准测线，每个结构块体上游侧的水准点旁各布设1个静力水准测点，以实现泵房段沉降变形的自动化监测。将该条静力水准测线延伸至右岸平台，在该平台上钻孔埋设1套双金属标，作为静力水准测线的工作基点。该双金属标同时兼作泵站水准观测的工作基点。在泄水闸上游侧顶部利用蜀山泵站静力水准测线，在结构块体上游侧的水准点旁各布设1个静力水准测点，以实现泄水闸沉降变形的自动化监测，共布设静力水准测点12个、双金属标1套。

在泵房段、泄水闸室段及安装间各结构块体的四角钻孔埋设1支沉降计，钻孔深度约10 m，以监测在上部荷载作用下，各块体的基础沉降变形情况，共布设沉降计24支，钻孔约240 m。

(2) 水平位移监测。在进水闸、泵房段、泄水闸闸室、安装间的上游侧墩头各垂直流向布置1条视准线，经过的每个结构块体顶部各布设1～2个视准线测点，两岸延长线上选择稳定安全处各布设1个视准线工作基点和校核基点。共布设视准线测点22个、视准线工作基点4个、校核基点4个(图3)。

图3 工作基点、校核基点简图

在泵房段2个块体中部的监测断面上，分别于闸墩内各埋设1根测斜管，每根管内各安装5支固定式测斜仪，以实现各块体的水平位移(倾斜)的自动化观测，共需布设固定式测斜仪10支，测斜管在块体基础部位采用钻孔埋设，在块体内部随混凝土浇筑同步埋设，基础部位钻孔深度约为8 m，共钻孔约16 m。

在前池和出口翼墙的监测断面上，分别于两侧翼墙内各埋设1根测斜管，以监测两侧翼墙的倾斜变形情况，该测斜管采用活动式测斜仪进行观测，共布设测斜管4根，测斜管在翼墙基础部位采用钻孔埋设，在翼墙内部随混凝土浇筑同步埋设。基础部位钻孔深度约为5 m，共钻孔约20 m。

(3) 相邻块体错动监测。在进水闸的3个监测断面、泵房及泄水闸闸室段3个监测断面和出口控制段3个监测断面上，每个断面上下游侧结构分缝处各埋设1支位错计，以监测与相邻块体间的错动(不均匀沉降)变形情况。共布设位错计15支(图4)。

图4 位错计埋设图

4.2.3 站身绕渗监测

在站身段左右两岸结合部位各埋设3根测压管，以监测绕站身渗流情况，共布设测压管6根，并预留渗压计6支，以实现站身绕渗监测自动化。

4.2.4 基础扬压力和地基反力监测

在进水闸的3个监测断面、泵房及泄水闸闸室段3个监测断面和出口控制段3个监测断面上，每个断面的基础结合部位顺流向各埋设1支渗压计(图5)和1支土压力计(图6)，在泵房及泄水闸闸室段3个监测断面顺水流向中部各埋设1支渗压计和1支土压力计，以监测上部结构所受地基反力和扬压力情况。共布设渗压计18支、土压力计18支。

图5 渗压计埋设图

图6 土压力计安装示意图

4.2.5 钢筋混凝土应力监测

在泄水闸闸室及安装间段垂直流向断面上，根据结构受力特点，分别在底板、扶壁和边墙中下部布设钢筋计，以监测主受力钢筋的钢筋应力情况，共布设钢筋计约76支。

4.2.6 闸墙水土压力监测

在泄水闸闸室段、安装间，于墙体与填土结合面的中下部各埋设3支土压力计和3支渗压计，以监测墙体所受外部荷载作用情况，共布设土压力计12支和渗压计12支。

4.2.7 泵站流量监测

在泵站出口后侧的明渠段选择1个水流平顺位置布设1套多普勒流量计，以监测泵站的抽水流量。

4.2.8 人工巡视检查

人工巡视检查是工程安全检测不可或缺的重要环节，主要目的检查泵站是施工及运行期间水工建筑物的安全与质量问题，发现异常并及时提出补救措施是人工巡视检查的主要任务。

渗压计、工艺力计、沉降计、位错计的安装位置见表1～表4。

表1 渗压计安装位置表

表2 土压力计安装位置表

表3 沉降计安装位置表

表4 位错计安装位置表

巡视检查应定期由熟悉工程且具有实践经验的专业技术人员负责进行，主要分为施工期人工巡视检查和运行期人工巡视检查，其中施工期每周检查1次，运行初期每周检查1～2次，随工程运行稳定可逐渐减少检查次数，但每月至少人工巡视检查1次。

4.3 监测数据自动化

根据蜀山泵站的工程特点和监测项目，建立自动化监测系统来实现自动化监测(图7)。该系统具有数据采集、数据传输、数据储存及数据分析等功能。自动化监测系统主要有监测仪器传感器、电缆、测量控制单元(MCU)、专用软件和监控计算机等组成。

图7 自动化监测系统结构图

为了便于观测、数据处理以及管理的自动化，在蜀山泵站设备控制楼中设立永久监测站。监测站设有计算机、绘图机、打印机、报警器、备用电源灯设备。主要功能为：①通过MCU进行数据采集；②对监测数据进行检查；③存储数据，建立档案；④对数据进行分析和评价；⑤打印、绘图；⑥为全线自动化设置接口。

自动化监测系统应早于工程运行之前建立并投入使用，以便于获得工程运行初期的监测数据资料。

5 结束语

工程安全监测是工程设计、工程施工及运行不可缺少的重要组成部分，引江济淮蜀山泵站工程有着历史性的重要意义，工程安全监测更是至关重要，只有建立一个较为全面的工程安全监测系统,才能更好地了解工程施工、运行中的实际情况，验证工程的设计，同时工程安全监测也为工程施工、运行安全及工程管理打下了坚实的基础，确保了工程生命周期的安全稳定。