南水北调中线干线工程外部变形安全监测工作简述

顾春丰 李 玲 刘东庆

(1. 中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司, 北京 100024；2. 南水北调中线干线工程建设管理局, 北京 100038)

0 引言

南水北调中线干线工程是跨流域、长距离的特大型调水工程,水源主要来自长江最大支流汉江,工程渠首位于汉江中上游丹江口水库东岸河南省淅川县境内的丹阳村,由丹江口水库陶岔渠首闸引水,经长江流域与淮河流域的分水岭即伏牛山和桐柏山的方城垭口[1],沿华北平原中西部边缘开挖渠道,通过隧道穿过黄河,沿京广铁路西侧北上,自流至北京市颐和园团城湖。工程由总干渠和天津干渠两部分组成,全长约1 431.945 km,于2003年12月31日开工建设,历时11年竣工完成,2014年12月12日开始正式通水。

1 监测项目

1.1 安全监测项目

为确保南水北调中线干线工程的运营安全,全面掌握中线干线渠道及建筑物运行状况,设计的安全监测项目有[2]:

(1)渗流监测。包括扬压力、渗流压力、侧向绕渗。

(2)表面变形监测。包括垂直位移、水平位移、基础沉降、倾斜、接缝及裂缝开合度、围岩及衬砌变形等。

(3)结构内力监测。钢筋应力、混凝土应力、应变。

(4)预应力锚索监测、土压力监测、温度监测和膨胀土特性监测等。

1.2 外部变形观测主要监测项目

根据南水北调中线干线工程各类建筑物不同的结构特点和地质条件,外部变形观测主要监测项目如下:

(1)大坝及附属建筑物外部变形观测。坝顶、坝肩及大坝廊道,附属建筑物等垂直位移观测和水平位移观测。

(2)水闸外部变形观测。节制闸、分水闸、排冰闸和退水闸等闸室和进出口建筑物的水平位移观测和垂直位移观测。

(3)渡槽工程外部变形观测。渡槽上部结构、下部结构和进、出口建筑物的水平位移观测和垂直位移观测。

(4)倒虹吸及暗渠外部变形观测。建筑物和进、出口段的水平位移观测和垂直位移观测。

(5)渠道外部变形观测。渠道的垂直位移监测和水平位移监测。

(6)穿渠和跨渠建筑物外部变形观测。穿渠和跨渠建筑物的垂直位移监测和水平位移监测。

(7)工程沿线基准网和工作基点复测。主要内容为水平、垂直位移监测基准网复测；水平位移工作基点和垂直位移工作基点复核等工作；准确测定监测基准点、工作基点坐标成果,并对其是否稳定做出评价。

2 主要技术要求

2.1 垂直位移观测

(1)垂直位移监测应采用几何水准观测方法,使用仪器、施测方法和精度等应满足《国家一、二等水准测量规范》(GB/T 12897—2006)相应要求[3]。测站视线长度、前后视距差等应满足表1的要求。

表1 测站视线长度、前后视距差、视线高度和重复测量次数

(2)大坝及附属建筑物、输水建筑物测点及相关工作基点按国家一等水准观测要求施测。渠道和其他建筑物测点及相关工作基点按国家二等水准观测要求施测。

(3)工作基点按国家一等水准观测要求每年校测一次,若发现工作基点异常,应及时校测。

2.2 水平位移观测

(1)输水建筑物水平位移点观测精度相对于临近工作基点不大于1.5 mm。

(2)渠道及其他建筑物水平位移观测精度相对于临近工作基点不大于3.0 mm。

2.3 观测资料整理及初步分析要求

(1)应做好所采集数据的原始记录,采用批准的固定格式记录并妥善保管。

(2)在每次监测完成后,及时检查原始监测数据的准确性、可靠性和完整性,如有漏记、误读(记)或异常,应及时复测确认或更正,并记录有关情况。

(3)观测工作结束后应立即对原始记录进行检查。

(4)经检查合格的观测数据,应及时进行计算,如有测值异常,应及时分析原因。当确认为测值异常,应及时上报,必要时应立即进行重测,直至确定最终观测数据。

2.4 观测频次

监测工作基点每年复测1次；大坝及附属建筑物观测频次按1次/月；其他区域观测频次渠道及输水建筑物测点按每测点每2个月观测1次,其他建筑物测点按3月观测1次；当测值有显著变化时,观测频次可适当加密。

3 项目关键问题分析

南水北调中线工程运行期外部安全监测,具有线路长、监测点多、观测工作量大等诸多特点,外观安全监测工作的全面展开与周期性任务的顺利完成,有赖于科学高效的项目组织管理、人员设备的资源保障、工作重点与难点的准确掌握与有效应对,针对外观监测工作内容以及特点,对所涉及关键问题做如下分析[4-7]。

3.1 监测基准网复测与工作基点的复核

外观监测系统包括:监测基准网、工作基点网和测点观测三个组成部分,建立监测基准网目的是为工程外观安全监测系统提供统一的、稳定可靠的监测基准；通过周期性的监测基准网复测与工作基点的复核,对监测基准点和工作基点的稳定性和可靠性做出相应检验与评价,为日常监测工作提供可靠的起算基准和起算数据。通过周期性观测,获得测点相对基准点之间水平和垂直方向的位移变化量,进而掌握工程在运营过程中所处空间形态状况,起到安全监视作用。故此为保障安全监测过程中应用监测基准的可靠性与正确性,监测基准网复测与工作基点的复核至关重要、不容忽视。

3.2 制定行之有效的监测方案

依据监测技术要求提出的观测等级、点位精度指标,结合现场各类监测设施的分布状况和地形条件,制定合理、可行的监测实施方案。监测方案应与现场实际、技术要求以及规范规定相适应,并通过监测方案的落实与应用,对其应用效果、监测数据质量进行分析评估,进而得到优化与改进,以便有效指导周期性外观监测作业活动。

3.3 确保监测数据成果真实性和正确性

监测数据成果是反映工程设施现状形态的重要信息依据。为高质量地完成外观监测数据采集工作,要求监测作业人员应具有较高的专业素养,使用的仪器设备应检定“合格”,且在检定有效期内使用,计算软件或程序需通过鉴定或审查；外业数据采集应严格按监测方案执行,加强作业过程中的成果质量控制,对原始数据、起算数据、计算数据、成果数据等做出检查与校核,将责任落实到人；做好工作日志,记录现场观测中出现的重要问题以及环境变化情况,若发现异常观测数据应及时查找原因,并在第一时间做出返工或复测处理,使异常观测数据在有效时间范围内得到确认或消除,确保监测成果真实性和正确性。

3.4 资料分析及成果的信息反馈

监测资料分析工作既不是上一周期监测工作简单的延续说明,也非本周期监测成果反映现象的汇总与小结,而是通过测点的周期性监测以及过程数据的积累,进行各类相关数据的关联性技术分析,从中探索与发现工程建筑物变形趋势和变化规律,在正确做出安全评价的同时,有效指导后期安全监测的工作方向和关注重点,故此监测资料分析必须具有正确性和预见性,确实起到保证工程安全运营的重要作用。

4 监测作业与数据处理

南水北调中线干线工程依不同工程部位分别设置外观监测项目,主要工作内容为垂直位移观测和水平位移观测,且前者观测工程量远大于后者。

4.1 作业方法

南水北调中线干线工程由于监测工作量大,测点多且相对集中,为便于测点区分,点名采用字母和数字混合的长字符编码,若以常规作业模式进行水准线路测量,对线路名称、测点点名等测量信息,无论是采用数字水准仪观测时直接录入,还是现场记簿后期补录均易出现差错,且会降低外业作业效率。依监测工作“三固定原则”,充分利用项目垂直位移观测具有固定水准线路、固定测站数的特点,对观测作业模式进行必要改进。在水准线路首次观测时建立测段信息文件,内容包含测段名、观测日期及各点的点名、唯一编码、往返测测站序号等,内业数据处理时根据其测站序号截取相应观测数据参与计算,这样既可简化水准测量外业操作,提高作业效率,降低因信息录入而产生的错误,又可使观测数据及测段信息完整保留溯源。对应开发的监测数据处理软件应用于日常的监测工作,取得了良好的应用效果[8-9]。

4.2 数据的预处理

根据《国家一、二等水准测量规范》外业高差改正数计算要求,测点高程计算时,水准观测高差应加入的改正项有:水准标尺长度改正、水准标尺温度改正、正常水准面不平行改正、重力异常改正、固体潮改正、海潮负荷改正和水准线路闭合差改正,考虑到监测作业特点,外业高差改正计算中仅进行水准标尺长度和水准线路闭合差两项改正,编制水准测量外业高差与概略高程表,进行观测数据的预处理[10-11]。

4.3 平差计算

在对各项数据检核后,组成平差文件,选用距离定权方式进行水准平差,计算线路中各测点的高程值,并对测点高程精度进行评定。输出成果信息完整、美观,便于审查与检核。监测数据平差处理流程如图1所示。

图1 监测数据平差处理流程

4.4 异常值的判定与处理

利用相邻两期测定的监测点高程,对测点垂直位移变化量进行计算,其结果既包含测点在不同工况环境下产生的变形,也存在测量误差的影响；假定测点第n期测量高程为Hn,高程精度为mn,第n+1期测量高程为Hn+1,高程精度为mn+1,测点垂直位移变化量HΔ及相应精度mΔ,可由式(1)、式(2)进行计算。

式中，HΔ为测点相邻期垂直位移变化量,单位为mm；Hn、Hn+1为测点第n期、第n+1期的高程值；mΔ为测点垂直位移变化量的精度；mn、mn+1为测点第n期、第n+1期的测量精度。

按测点垂直位移变化量中误差的两倍作为极限误差,对测点是否产生变形做出判定。当HΔ≤2mΔ时,即未超出观测误差范畴,表明测点相对稳定,否则可认为该测点存在变形现象。

依据测点变化现象、变形量之大小以及显著程度等,对测点异常予以综合判断[9]。假使工程监测出现异常或险情,应以快报或简报形式予以迅速反馈[12-15]。

5 结束语

为进一步完善工程外观监测工作,提高安全监测作业效率,逐步实现工程外观安全监测的自动化与智慧化,对后续监测工作提出如下设想:

(1)建议在原有监测网的基础上,以各管理处负责渠段为单元,视各部测点具体变形情况,增补诸如基岩标等高规格水准基点,并形成局部区域性监测基准网,在日常监测中如遇突发情况,可在较短时间内完成复测与检核工作,确保基点的正确性。

(2)建议组织管理部门、设计单位等相关专业技术人员,将外观监测资料进行汇总,通过对监测成果的分析与梳理,结合设计允许值和实测变形数据,给出工程各部稳定形态的判断依据和判定标准,适时做出测点观测周期频次的调整,一方面有利于测点变形及发展趋势的全面掌控,另一方面在同等监测资源条件下可使其工作效能得到最大限度的发挥。

(3)工程监测类水准测量,有别于常规大地水准测量,尽管它们在施测等级、测量精度、技术指标等方面存在相同之处,但是在具体作业环境和成果性质上存在明显不同,故设想以水准测量成果能否满足相应等级精度要求作为关键性控制性指标,通过实测数据的对比分析,验证观测程序、作业方法、改正项修正等内容考量对监测成果的实质影响及程度,进而简化水准测量的外业要求,使优化后的监测作业更有利于数据的快速获取和精度的提升。

(4)中线工程外观监测工作主要采用人工模式,因工程量大,数据采集历时长,即便通过投入大量专业化队伍完成全部测点的周期性观测,也难以实现工程建筑物突发形变时机的精确捕捉与监测信息的迅速反馈。为此急需加快自动化系统建设,实现自动化、人工监测的衔接,以保证数据采集的及时性。

(5)南水北调中线干线工程设有多个外观监测项目,随着周期性监测的不断持续,将积累了大量的监测数据,如何对海量监测数据进行检核存储、查询调用、关联处理和统计分析,实现对数据异常评判与预警,对监测人员来说是一项巨大的挑战。为此,有必要建设外观智慧安全监测管理平台,提升工程外观安全监测的智慧化管理水平。