济南宋庄枢纽闸变形监测及初步分析

胡方涛，范海涛，章思亮，周林孟，张传峰

（山东省水利勘测设计院有限公司,山东 济南 250014）

1 工程背景

水闸是水工建筑物的重要组成部分,变形监测数据能够综合反应水闸工作的状况,对水闸运行安全预警发挥关键作用[1-3]。腊山分洪工程是济南市小清河干流治理的关键工程和城市防洪体系建设的重要内容。工程全长16.85 km,上游段腊山分洪道7.85 km,建有中型水闸宋庄闸。宋庄闸：位于腊山分洪道桩号K7+165～K7+385,主要由上游河道段、铺盖段、闸室段、消力池段、海漫段等组成,共6 孔,每孔净宽10 m,闸室长17.5 m,闸底板高程高于渠底20 cm,为28.81 m。现为保障水闸安全运行,需对水闸进行变形情况的监测工作。通过对水闸建立基准网及监测网,并在主汛期前、主汛期中和汛后分别对基准网和监测网进行监测,对水闸在每个阶段进行监测,尤其是对不均匀变化状态进行监测,当出现异常或危险状态时进行及时预警,为水闸安全运行提供重要的科学依据[4]。

2 变形监测网布设设计方案

变形监测网由基准网及监测网构成。监测基准网分为两部分：

（1）平面基准网：用于水平位移监测及平面控制基准；

（2）水准基准网：与平面基准点共用,用于各垂直位移监测（即沉降监测）的高程控制基准。

根据现场踏勘,根据基准点布设原则及要求,在宋庄闸监测区域设置有4 个平高基准点,编号：SZZ01-SZZ04；14个变形监测点,编号：SD1-SD14。在远离监测区埋设两个校正控制点,编号：SZZ05、SZZ06 用于验证控制网是否发生自身变形。水准控制点与平面控制点共用,点的形式和埋设参考变形监测观测墩的要求进行。

变形监测点选址过程中充分考虑变形监测网的坚强性、符合测量要求、长期保存、水准路线布设的合理性、平面变形观测的可通视性、点位准确反应建筑物的变形等因素,综合考虑选择进行监测点位的最优选择确址[5]。

基准点及监测点示意图见图1、图2。

图1 基准点示意图

图2 监测点示意图

现宋庄闸基准点及监测点点位布置情况见图3。

图3 宋庄闸基准点及监测点点位布置图

表1 基准点及监测点布设统计

3 变形监测

监测网数据资料：根据基准网技术要求,对基准点的平面控制采用卫星定位静态作业模式以二等控制网测量,高程控制网使用数字水准仪以二等水准网进行测量。

平面控制网：本文中需要观测的6 个基准点（其中4 个监测区域基准点、2 个远离监测区域校正控制点）顶端均带有强制对中基座,将GNSS 接收机置于强制对中基座上进行GNSS 二等控制网静态平面测量,进行GNSS 网解算、网平差获得测区内每个基准点的平面坐标。

高程控制网：建管局提供了BM 水准控制点高程,由6个基准点及BM 水准控制点共7 个点形成一条闭合路线,由水准控制点开始进行二等水准测量,平差处理,获得监测区每个高程基准点的高程。

变形监测点平面测量：在平高基准点架设全站仪及后视棱镜,变形监测点架设目标棱镜,按照全圆方向观测法进行平面坐标的测量。所有变形监测点按照等精度的方法进行两次独立观测,两次测量结果互差不大于两倍中误差即符合测量要求,取两次测量平均值作为变形监测点平面坐标值。

变形监测点高程测量：水闸上高程监测点由水准基准点起测,按照国家二等水准测量的要求进行单程往返测的方法进行观测,平差处理,获得水闸上每个高程监测点的高程。

4 监测成果的分析研究

4.1 变形监测基准点的稳定性分析

2021年7月15日、8月5日、9月25日（汛期前、中、后）对变形基准网进行平面和高程观测。以第一次观测为基准,二三次观测与第一次对比进行基准点平面位移和垂直位移数据分析。

表2 基准点水平位移汇总表

表3 基准点垂直位移汇总表

由上表可知水平、垂直位移各个监测点的详细变形数据,可以得出,水平、垂直位移变化规律主要特征有：

（1）水平变形处于弹性稳定状态,范围在0.10 mm～4.70 mm 之间,X 方向上变形范围-0.1 mm～-3.2 m 之间,Y 方向上变形范围-0.1 mm～-3.4 mm 之间。垂直位移处于稳定状态,范围在0.01 mm～-1.12 mm 之间,变化速率在0.0 mm/d～-0.02 mm/d。

（2）根据变形监测结果对比显示,X 方向上变形较大的点为SZZ06 基准点,偏移量为-3.4 mm；Y 方向上变形较大的点为SZZ06 号基准点,其偏移量为3.2 mm,垂直位移最大的点为SZZ06 基准点,变化量为-1.28 mm,最小的点为SZZ01基准点,变化量为0.01 mm。由于基准点布设在河道边坡,使其受周期性水位的影响和车辆等其它动荷载影响,随河道边坡的移动而产生变形,水平位移结合垂直位移监测,差距微小,综合仪器本身系统误差,基准网在此监测阶段运行稳定,符合观测要求。

4.2 监测点观测数据分析

2021年7月15日、8月5日、9月25日、10月27日对变形监测网进行平面和高程观测。以第一次观测为基准,二三四次观测与第一次对比进行监测点平面位移和高程沉降数据分析。

3.2.1 垂直位移数据分析

表4 宋庄闸监测点垂直位移汇总表

图4 宋庄闸监测点垂直位移变化曲线图

由上表和图可知垂直位移各个监测点的详细变形曲线和数据,从变化图中可以得出,垂直位移变化规律主要特征有：

（1）变形处于稳定状态,范围在0.87 mm～2.11 mm 之间,变化速率在0.008 mm/d～0.020 mm/d 之间,变化均匀。

（2）垂直位移观测数据能客观反应水闸基底渗流、地基对水闸沉降的影响。水闸运行主要是两种工况,非汛期地下水位较低（扬压力很小）和汛期地下水位高（扬压力较大）。水闸位移量受渗流影响明显,汛期有上浮,非汛期明显下沉。

（3）水闸各个测点的垂直位移以下沉为主,下沉距离在水闸允许沉降量范围之内,闸基经过多次行洪无明显沉降,运行稳定。

表5 宋庄闸监测点水平位移汇总表

3.2.1 水平位移数据分析

图5 宋庄闸监测点水平位移变化曲线图

由上表和图可知水平位移各个监测点的详细变形曲线和数据,从变化图中可以得出,水平位移变化规律主要特征有：

（1）变形处于稳定状态,范围在1.10 mm～1.90 mm 之间,变化均匀。

（2）宋庄闸在汛期之前和汛期之后的水平位移变化规律明显。闸前水位对水闸水平位移量影响比较显著,在枯水期,闸前水位较低,水平水压力较小；而到了汛期水位波动频敏,水平推力较大。分洪闸水平位移量受闸前水流影响明显,非汛期有上移,汛期明显下移。

（3）从观测资料分析,整个节制闸水平位移变化比较均匀,没有明显的水平角,水闸经过多次行洪无明显变化,运行稳定。

5 结束语

（1）通过建立水闸监测网,通过对监测点的变化量及差异情况进行分析水闸的变形情况。监测结果表明,水闸垂直位移在0.87 mm～2.11 mm 之间,变化速率在0.008 mm/d～0.020 mm/d 之间,水平位移范围在1.10 mm～1.90 mm 之间,水闸变形在允许范围之内,运行稳定。

（2）结合汛期及水闸变形情况,水闸变形趋势与水位密切相关,结合水文资料进行分析总结,找出更为详尽的与水文相关的变化规律。

（3）水闸大坝变形监测需长年进行,自动化监测成为发展重要趋势,对变形监测数据进行合理的分析总结,建立数学模型进行数据分析与预警,为水闸安全运行提供重要的科学依据。