民生引水枢纽除险加固工程闸体施工安全监测方法设计

游世超

(新疆水利水电勘测设计研究院勘测总队，新疆 昌吉 831100)

民生引水枢纽主要位于巴楚县境内，作为我国重要的引水枢纽，主要位于阿克东附近的河段上[1]。民生引水枢纽工程根据建设的规模不同，等级划分的方式也不同，通常情况下，除险加固工程划分为2个级别，主要工程与次要工程[2]。民生引水枢纽工程的作用为灌溉和防洪[3]。现阶段，工程建设主要包括进水闸、拦河沙坝、冲沙闸、泄洪闸四个部分。水闸在民生引水枢纽除险加固工程中至关重要，能够全方位地实现防洪、灌溉、挡潮、水力发电等目标，是大坝能否稳定运行的重要决定因素。一旦水闸闸体在运行中出现损坏未能及时发现，会造成极大的工程安全隐患与经济损失。此时，应当采用有效的闸体施工安全监测方法，传统的闸体施工安全监测方法监测结果精度较低，且监测效率不高。因此，本文提出了民生引水枢纽除险加固工程闸体施工安全监测方法设计，为我国水利工程提供一定的帮助。

1 施工安全监测方法设计

1.1 采集闸体施工安全数据

为了有效地监测民生引水枢纽除险加固工程闸体施工安全，本文设计了具体的施工安全监测方法。首先，要采集工程闸体施工安全数据。在民生引水枢纽除险加固工程闸体施工中，闸体施工安全数据主要包括施工环境质量数据以及坝体的相关参数数据。

采用自动监测的方式，明确大坝的进水口与出水口，在两个端口处各设置一个传感器，通过传感器的采集与感知作用，实时掌握大坝的水位数据变化情况。在选择传感器型号的时候，应当综合考虑具体的除险加固工程情况，选择合适的种类与型号。结合人工采集方式的优势，在监测大坝顶部的大气温度变化时，采用人工采集的方式，保证每天对大气温度实行三次采集，提高大气温度采集结果的精度。在采集坝体施工安全数据时，将传感器的视准线与坝顶对齐，在视准线上布设大量的测点，将测点进行分组处理，分组后进行统一编号，保证每个组内的测点数量保持一致，且各个测点间的距离大小相同。垂直水流方向，在闸墩上安设一排标点，每个伸缩缝两侧及边墩各安设一个标点，共计6个点，并且在工程施工时埋入。渗流观测水闸基底的渗透压力可通过埋设渗压计或测压管监测，新建泄洪闸设 3 处断面，每个断面的测点3个，每个测点布置1个渗压计。4侧向绕渗设在溃坝右岸导流堤起始端1个断面，左岸导堤2个断面，每个端设3个测点，每个测点布置1个渗压计。水位观测的工作范围为上下游水位。

水位观测点的布置：上游测点设在铺盖上游的左右岸导流堤护坡上，下游测点设在护坡下游的左右岸护坡上。水位观测的测次应按水文规范的规定，并且在闸门开始变动前及全部关闭后加测一次。伸缩缝观测的测点安设在闸墩顶，每道缝设2个测点，共4个测点，采用差动式电阻测量计。伸缩缝的观测应在建筑物竣工后即进行，每月观测一次，并且在水位和温度变化后增加测次。在观测范围内，沿水流方向于两岸侧墙上设立一系列水尺，水尺间距和刻画精度能充分地测得水跃或水面形态。根据民生引水枢纽除险加固的相关建设要求，添加相应的大坝冲击磨损信息，通过对信息进行整合处理，获取水库大坝牢固性与稳定性的相关系数。

通过传感器采集到的水位变化状况，记录不同测点的水位数据信息，通过记录的数据信息，获取大坝坝体的相关参数信息。采用观测仪器，获取大坝坝顶的水平位移信息。首先，将观测仪器布设在大坝的观测基墩上，调节观测仪器上的装置，使仪器实现精平的目标。当观测仪器调平后，开启测量模式，设置测量大坝的基点方向，实时记录大坝的水平度盘读数。对准大坝的坝体目标，对不同的测点进行测量，控制测点之间读数的差值大小。纵向转动观测仪器，保证观测仪器每次转动的角度相同，减少观测结果的误差。在每次测点测量完成后，根据半测回角值平均值计算的原理，获取不同测点的测回平均值与偏离角度，完成闸体施工安全数据的采集工作。

1.2 建立除险加固工程施工三维模型

基于上述民生引水枢纽除险加固工程闸体施工安全数据采集获取到坝体上不同测点的测回平均值与偏离角度，接下来，采用有限元软件建立除险加固工程施工三维模型，将采集到的测点数据输入到模型中。

结合民生引水枢纽除险加固工程的施工图纸，针对闸体的具体结构图形，采用有限元软件，导入CAD形式的施工图纸中，实现施工图纸的三维转换，能够更好地掌握图纸的具体结构内容[4]。根据CAD结构图纸，初步构建施工三维模型，并对模型进行全方位的网格划分，将模型划分为大小与数量保持一致的网格，在网格内输入民生引水枢纽除险加固工程的相关参数，在操作时一定要注意细致，避免出现遗漏的情况。网格划分结束后，明确本文构建的三维模型中各个网格之间的关系，结合具体的施工参数，设置模型的约束条件。在垂直大坝水流的方向，布设一排标点在闸体的闸墩上，控制每个伸缩缝内都具有一个标点，共计6个点，并且在工程施工时埋入。

综合考虑除险加固工程中施工的各项环境影响因素，确定相关安全监测的荷载作用与边界条件，选择无厚度的单元材料描述施工安全中坝体之间的影响[5]。在模型中进行钻孔操作，采用孔斜测量的方式对钻孔参数进行测量，避免钻孔偏斜值超过规定。基于线弹性模型计算出施工安全管理中坝体的基座与基岩参数，线弹性模型的参数，如表1所示。

表1 线弹性模型的基座与基岩参数取值

由表1线弹性模型中坝体基座与基岩的参数取值，根据线弹性模型的原理，获取到坝体材料中地层渗透参数的取值，如表2所示。

表2 坝体材料地层渗透参数取值

通过线弹性模型的参数取值范围，确定民生引水枢纽除险加固工程闸体施工材料的地层渗透参数取值，将获取到的参数值输入到本文构建的除险加固工程三维模型中，完成模型的构建工作。根据构建的施工安全三维模型，设定除险加固工程闸体在施工期与运行期的监测频率，如表3所示。

表3 除险加固工程闸体施工期与运行期监测频率

表3为本文根据施工安全三维模型设计的除险加固工程闸体施工期与运行期的监测频率，严格根据表3设定监测频率，提高监测结果的精度。

1.3 基于安全指标评价算法修正监测数据

基于上述除险加固工程三维模型，获取到工程闸体施工期与运行期的监测频率等参数，采用等级评价算法，处理采集到的大坝监测数据。设置大坝加固的影响度数值为w1，安全度影响数值为w2，基于安全指标评价算法，计算民生引水枢纽除险加固工程闸体施工的影响因素贡献度数值，计算公式(1)如下：

(1)

式中：s为施工影响因素的贡献度数值。

结合历年来民生引水枢纽除险加固工程的安全监测经验，对大坝的除险加固安全度进行更精确的计算与判断。设置闸体施工安全评价指标，获取到民生引水枢纽除险加固工程中施工安全权重数值n，接下来，计算水库大坝的受力特征向量数值，计算公式(2)如下：

(2)

式中：F为大坝的区域受力特征数值。

根据水库安全评价指标，对水库大坝的除险加固等级进行划分，本文将其具体划分为4个等级，根据等级的不同，进行水库大坝的具体特征判断与评估。基于安全指标评价算法，计算大坝除险加固的最小误差数值，计算公式(3)为：

(3)

式中：e为大坝除险加固的最小误差；R为大坝受力特征向量判断矩阵值。

采用权重系数算法，分配大坝的权重系数，并进行相应的赋值处理，在赋值中必须保持客观，避免赋值出现偏差。设定水库大坝除险加固后结构的原始变量为f；变换分量为g；变量线性权重数值设定为h；大坝的原始采集样本为E，其安全贡献度的取值范围通过式(4)进行计算：

(4)

获取到大坝安全贡献度取值结果后，对施工安全相关的特征向量经过一定的组合方式进行组合。基于统一化处理的原则，设定大坝施工安全监测的时间尺度与幅值范围。在设定好的时间间隔内对民生引水枢纽除险加固工程闸体施工安全进行监控，定期采集大坝相关参数数值的变化数据信息，并建立相应的信息熵模型。保证在固定的时间段内监测数据信息相同，必须为均匀的监测数据，根据监测数据的具体情况，生成相应的除险加固风险预警文本，结合具体的预警文本信息对民生引水枢纽除险加固工程中的安全监测数值进行修正。

1.4 设计监测层次结构

综合上述的设计步骤，逐步完成了施工安全数据的采集、除险加固工程施工三维模型的建立、对于民生引水枢纽除险加固工程监测数据的修正工作。最后，采用层次分析方法，设计施工安全监测的层次结构，实现闸体的施工安全监测目标。

划分处理监测方法的关联结构，确定影响监测方法顺利进行的具体因素，初步构建施工安全监测的层次结构。根据监测数据的递阶层次结构，对水库大坝的区域进行划分，使监测层次结构设计得更加精准。基于粒子群算法计算出监测内容结构的隶属度数值，并将数据输入到施工三维模型中，进行系统分析，得出优化处理的隶属度数值。修正处理大坝区域预警数据，设置不同层级隶属度数值的模糊程度，检测层级信息的具体实际值。结合相应的监测仪器，采集大坝的承重数据，规范化处理监测数据。最后，采用模糊评价矩阵，进一步评价除险加固工程闸体施工安全的影响指标等级，根据隶属度数值的变化区间，判断民生引水枢纽除险加固工程闸体施工安全等级的监测结果。

2 应用分析

基于上述的设计，为了进一步对本文设计的民生引水枢纽除险加固工程闸体施工安全监测方法进行客观分析，进行了如下测试。本次实验测试以某水库大坝为主要对象，该水库的流域面积较大，且地形复杂，流域面积约为58.34 km2，作为集灌溉、防洪为一体的中型水库。首先，在大坝的坝体上设置塑性防渗心墙，在坝基处进行帷幕灌浆操作。进行系统钻孔和爆破作业的岩石开挖，清理工程区域内的垃圾、废渣及其他有碍物。实验选用的钢筋材料应当严格按照施工图纸的规定，保证钢筋的表面洁净无损伤，油漆污染和铁锈等应在使用前清除干净。监测中需要用到的支架材料选用质量较好的钢材，控制钢模面板的厚度，尽量选择表面光滑不存在缺陷的钢膜面板，避免影响施工安全监测结果的精度。电缆的结构缝布置，应采用穿管过缝的保护措施，避免由于缝面张开变形导致的电缆事故。根据实际的监测需求，设计仪器的加长电缆，连接时控制各芯线长度的变化。观测位置的电缆布线应当整齐，用中央控制方式实现自动巡测与定时巡测，测量方式为每10分钟～1个月采集一次。在大坝的上游位置布设砌块石，主要起到大坝的护坡作用，在下游布设护坡草皮，提高大坝的除险加固效果，以上布设全部结束后，对民生引水枢纽除险加固工程闸体施工安全进行全方位监测。

通过本文设计的安全监测方法，对实验大坝的施工中坝段的横向观测面、纵向观测面的渗压水位进行监测，监测结果如图1所示。

根据图1可知，本次测试，施工中坝段的横、纵向观测面的渗压水位监测值具有一定的差异，变化幅度不同，大坝横向观测面的渗压水位监测值明显低于纵向观测面，且不断呈现下降趋势，表明施工过程中，大坝的横向观测面除险加固的效果更好，安全性与稳定性较高。

3 结 语

本文设计了一种民生引水枢纽除险加固工程闸体施工安全监测方法，能够有效地监测工程施工期间，水库大坝的状态变化，掌握大坝闸体的运行情况，根据监测的结果及时制定有关的应急处理方案，保证除险加固工程质量的同时，还能提高民生引水枢纽工程建设的安全性与稳定性，实时监测施工安全，提高水库大坝防洪的效果，促进我国水利工程的稳定发展。