浅谈供水工程安全监测设计布置

常植浩

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广州 510170)

0 引 言

供水工程的主要目的是解决区域内淡水资源紧缺、满足沿途生活及工业用水需求、提高供水保障能力、实现水资源合理利用。安全监测主要目的是通过对建筑物进行监测、对资料进行分析，以及时掌握建筑物在施工期和运行期的工作状态，验证设计、指导施工，从而充分发挥工程效益。以某供水工程为例，该工程的工程等别为Ⅱ等大(2)型，主要建筑物为2级，次要建筑物为3级。

1 安全监测设计原则及主要监测项目

1.1 设计原则

根据建筑物结构特点、施工方法，参照国家或行业的监测技术规范和标准，确定本工程安全监测系统的设计原则。

1)以监测各建筑物的安全为目的，紧密结合工程实际，突出重点兼顾全面。

2)在满足精度的前提下，力求监测方便、直观，以自动化监测为主要手段，同时保留人工测读的方式，以便与自动化测值进行比对。

3) 监测断面和监测测点的布置应首先考虑地质地形条件较差和结构复杂的特殊部位。

4)安全监测自动化系统需遵循实时性、可靠性、开放性、适应性、安全性等原则。

1.2 主要监测项目

本工程各主要建筑物监测项目见表1。

表1 监测项目表

2 安全监测设计布置

2.1 水闸监测设计布置

水闸顺水流方向长7.25m，宽20.0m，2孔布置，闸型为液压升降闸，双向挡水。天然地基承载力满足设计要求，无地基处理，抗滑稳定安全系数大于规范允许值。

1)垂直位移监测：在水闸两侧挡墙、交通桥及闸室四周布置垂直位移测点，利用水准法进行监测，基准点与泵站共用。

2)接缝变形监测：在闸室与上下游连接段接缝部位布置测缝计，监测接缝的开合度。

3)闸底扬压力监测：在水闸设置两个扬压力监测断面，在每个断面的上游进口段、闸室地板及下游消力池段布置渗压计，以监测闸底的扬压力变化情况[1]。

4)水位监测：在水闸上、下游水流平稳、受泄流和风浪影响较小处的挡墙上布置水位标尺，同时布置遥测水位计，以实现自动化。

5)水质监测：本工程主要为生活和工业用水，对水质有一定要求，故在水闸布置1套一体化水质监测仪，对水质进行常规五参数在线连续监测，实时反应水质情况。

2.2 泵站监测设计布置

本工程泵站抗滑、抗倾稳定安全系数大于规范允许值。泵房采用矩形干室型结构，内设3台机组，2用1备，其抗滑、抗浮稳定安全系数计算值Kc、Kf均大于规定允许值，满足规范要求；泵房基础底面应力不均匀系数的计算值小于规范规定的允许值。

1)变形监测包括水平位移和垂直位移监测，具体如下：

a)水平位移监测：

在泵站厂房上布置挂壁式棱镜，以监测泵站厂房的水平位移情况，采用交会法进行监测。为了保证测点与工作基点通视，在泵站左右两侧变形影响区域外各布置2个工作基点，工作基点布置在变形影响区域外的稳定基础上[2]。

b)垂直位移监测：

在泵站的进水池挡墙、厂房四周布置垂直位移测点，利用水准法进行监测。

c)接缝变形监测：

在进水池隔墩与厂房接缝处布置2套三向测缝计，监测结构缝的开合度、相对错动及不均匀沉降。

2)扬压力监测：为监测泵站底板的扬压力，设置2个扬压力监测纵断面，在每个断面进水前池、厂房底板各布置1支渗压计，共计8支渗压计，以监测泵站基础的扬压力情况。

3)土压力监测：按规范要求，一般基底的土压力监测应与扬压力监测成组布置，在本工程中将2个扬压力监测断面同时设为土压力监测断面，在厂房底板的渗压计旁布置1支土压力计，共6支土压力计，以监测泵站厂房基础的土压力情况。

4)环境量监测：在泵站进进水池布置1根水位标尺，同时配套安装水位计，以实现自动化测读。并在泵站枢纽区域布置1套百叶箱(含温、湿度计)和1支雨量计。

2.3 输水管道监测设计布置

本工程输水管道全长约26.8km，采用有压重力流方式输水，通过钢管、PCCP管、球墨铸铁管组合的封闭式管道进行输送。其中钢管及顶管约1km，球墨铸铁管长约4km，PCCP管约22.0km。钢管具有管材强度高，耐工作压力高，适应性强等特点，但造价较高，耐腐蚀性和抗外压能力较差；PCCP管能承受较高工作压力和外部荷载，密封性能好，造价低，但自重大，适应地基变形能力较差；球墨铸铁管强度高，防腐及密封性能好，寿命长，但重量大，价格高。

本工程管道管顶覆土厚度大部分在1.5m-2.5m的范围内，局部深埋段管顶最大覆土厚度不超过8.0m。管道工作压力：Fw=0.03MPa-0.30MPa，设计内水压力：Fwd=1.5×Fw=0.045MPa-0.45MPa。本工程对管道所受外力进行重点监测，在钢管段、球墨铸铁管段、PCCP管段工作压力较大、覆土较深部位布置监测仪器。

2.3.1 钢管段监测设计布置

1)变形监测：在钢管段的每个监测断面分别布置2支测缝计，以监测钢管和混凝土间的接缝变形情况。

2)外水压力监测：为了掌握该管段的外水压力情况，了解外水压力对管道的影响，在每个断面钢管右外侧布置1支渗压计。

3)钢板应力监测：在每个断面的钢管顶部及两侧分别布置1支钢板计，以监测钢管的钢板应力情况[3]。

4)土压力监测：在每个断面的钢管顶部及两侧分别布置1支土压力计，以监测埋管段的土压力状态，了解上部荷载情况，确保管道安全。

2.3.2 球墨铸铁管段监测设计布置

1)外水压力监测：为了掌握该管段的外水压力情况，了解外水压力对管道的影响，在该管段选取的每个监测断面分别布置1支渗压计。

2)土压力监测：在球墨铸铁管段的每个监测断面顶部分别布置1支土压力计，用于监测埋管段的土压力状态，了解上部荷载情况，确保管道安全。

2.3.3 PCCP管段监测设计布置

1)外水压力监测：为了掌握该管段的外水压力情况，了解外水压力对管道的影响，在选取的每个监测断面分别布置1支渗压计。

2)土压力监测：在选取每个监测断面顶部及两侧分别布置1支土压力计，用于监测埋管段的土压力状态，了解上部荷载情况，确保管道安全。

3)断丝监测：本工程管道主要为PCCP管，工作压力为0.4MPa，单根长度5m，是由带有钢筒的高强度混凝土管芯上缠绕预应力钢丝，再喷水泥砂浆保护层而成的。由于PCCP管埋置于地下，受到外界环境因素(如腐蚀质土壤、地下水的酸性)、外部荷载、安装工艺及结构老化等因素影响，预应力钢丝可能会受到损伤甚至断裂，当断丝达到一定程度时存在爆管的可能。因此，在PCCP管道内壁或外壁沿纵向敷设1根光纤，当管道中发生断丝或异常情况时，所产生的振动信号被光纤传感器接受后经过系统处理，对断丝和异常部位进行实时报警和精确定位。通过定位对该管段进行维修或替换，可有效降低发生爆管、爆炸等事故的可能性。

4)内水压力监测：在输水管道沿程的部分阀井内布置压阻式压力传感器，以监测管道内水压力状态。

2.4 隧洞监测设计布置

本工程输水隧洞长约0.32km，主要为Ⅳ类围岩，采用有压输水方式，隧洞内钢筋混凝土衬砌，衬厚0.4m。隧洞顶部回填灌浆，对围岩较差(Ⅳ类及部分Ⅴ类围岩)洞段设置系统固结灌浆，以提高围岩抗力及自稳能力。在隧洞地质较薄弱部位选取监测断面，每个断面主要监测项目如下：

1)变形监测：

a)收敛变形监测：在每个断面围岩顶拱与两侧分别布置1个收敛测点，用于监测隧洞围岩的收敛变形。

b)接缝变形监测：在每个断面隧洞顶拱及左右两侧衬砌与围岩接缝处布置3支测缝计，用于监测接缝的开合度变化情况。

c)围岩内部变形监测：在进、出洞口边坡顶部各布置1套四点式位移计，用于监测边坡的内部变形情况。

2)外水压力监测：在每个断面隧洞顶拱与一侧拱腰分别布置1支渗压计，用于监测衬砌的外水压力情况。

3)应力监测：在每个断面隧洞围岩顶拱及左右两侧分别布置1支锚杆应力计，用于监测围岩的支护应力状态；在每个断面隧洞衬砌顶拱及左右两侧分别布置1支钢筋计，用于监测衬砌的钢筋应力状态；在隧洞钢管顶拱及两侧分别布置1支钢板应力计，用于监测钢管的应力状态。

2.5 监测自动化系统设计布置

本工程监测对象多，且较为分散，因此，为了确保工程安全监测系统的实时性和一致性，设计建立工程安全监测自动化系统。工程监测自动化系统满足实时性、可靠性、实用性等设计原则，可实现自动化监测数据采集、数据通信、系统操作、综合信息管理、系统网络安全防护等功能。

本工程自动化系统采用分布式的结构模式，包括测站层和中心站层。测站层由数据传感器和数据采集装置(MCU)组成；中心站层由监测服务器、监测工作站、数据采集分析软件等组成。测站层由中心站层统一管理、控制和协调。将监测数据、系统参数和其它信息资料存放于数据库中，数据库运行在监测服务器上以实现资源共享[4]。

3 结 语

文章重点介绍了某供水工程主要建筑物安全监测设计布置，工程安全监测是工程设计、施工及运行过程中必不可少的重要组成部分，本工程作为解决区域淡水资源紧缺、造福当地的工程，其任何一个建筑物出现安全问题，均将影响整个供水工程的正常运行与调度，因此，工程安全监测对于工程的安全及长久的运行尤为重要。

本供水工程沿线长、跨度广、建筑物众多，本方案针对工程中各建筑物特点和现场地形条件，结合工程实际，统筹兼顾、突出重点、精心设计，对于确保工程的高效、可靠、稳定、安全运行具有非常重要的现实意义。