基于测缝计监测船闸闸墙水平位移的方法研究

程华明，李鹏飞，张润＊

（1.江苏省交通运输厅港航事业发展中心，江苏 南京 210014；2.华设检测科技有限公司，江苏 南京 210014）

变形监测是对设置在变形体上的观测点进行周期性的重复测量，以确定其空间位置及内部形态随时间的变化特征[1]。船闸工程的变形监测，包括闸首、闸室等主体工程[2-3]，以及基坑[4]、高边坡[5]的监测。闸室空箱段、扶壁段以及闸首段之间，由于存在结构刚度、基底尺寸、墙内水深、墙后土压力等差异，将导致结构段倾斜度差异[6]。如图1 所示，图中分别展示了船闸闸室段在运行期（闸室有水）与检修期（闸室无水）的变形情况。

图1 船闸闸室变形示意图

传统的船闸水平位移监测方法包括视准线法、激光准直法、引张线法、GPS 等[7-8]，其具有成本高、安装比较困难等缺点。本文建立了一种替代传统监测的新方法，实现快速、低成本地监测闸室水平位移，及时对风险进行捕捉。该方法利用安装在船闸闸段间分缝的测缝计来获知闸室墙顶整体的水平位移，并采用有限元方法对船闸进行运行期和检修期工况下的受力分析，论证本方法的可行性、准确性。

1 监测系统组成

本文提出一种采用测缝计来测量船闸闸室墙顶水平位移的监测方法，如图2 所示。考虑船闸闸段变形联动的影响，根据闸段分缝间的测缝计读数可得出船闸闸墙水平位移值。

图2 监测系统布置图

监测系统包括：①闸室一侧预设的测量基准点；②安装在闸墙顶部接缝两端的测缝计；③传感器信息采集模块与数据分析处理模块。

2 工作原理与监测预警

船闸闸室墙顶位移监测原理如图3 所示。假设闸墙段为整体均匀变形。测缝计安装于船闸闸段顶部分缝处，监测的是相邻闸段间的水平向相对位移，其读数记作ti；根据闸段间的连续监测可得出船闸闸墙实际水平位移值，记作di。闸段间的相对位移ti与闸室整体墙顶的水平位移di之间的换算关系如下：

图3 闸室墙顶位移监测原理

图4 测缝计受力情况

图5 船闸平面示意图

在闸首段设定一监测基准点，根据测缝计的读数得出Ⅰ号闸墙的水平位移为：

考虑船闸闸段变形联动的影响，Ⅱ号闸墙的水平位移为：

同理，Ⅲ号闸墙的水平位移为：

上述公式均为矢量相加，约定测缝计拉伸时读数为正，压缩时读数为负。基于测缝计监测闸段间的相对位移得到闸墙整体墙顶的水平位移，该方法可以获知闸室墙局部变形与整体位移曲线。

3 工程概况

某双线船闸规模及标准：①船闸等级：Ⅲ级通航建筑物；②设计最大船舶吨级：1000t；③船闸规模：180×23×4.0（m）（闸室有效尺度×口门宽×最小槛上水深）；④航道等级：Ⅲ级；⑤航道尺度：底宽：45m；航宽≥55m；航道水深：≥3.2m，最小弯曲半径480m。

3.1 有限元结构计算

船闸静力计算有限元网格如图所示。有限元计算边界条件为模型四周法向约束，模型底面三向约束。（坐标方向：x 向为船闸横向，y 向为船闸纵向，z 向为铅直向上）

船闸整体显示有限元计算时，混凝土与钢结构采用弹性模型，土体采用摩尔库伦模型，静力计算参数如表1 所示。

表1 船闸静力计算参数

依据水文资料显示，本文选取水位差较大的校核工况、检修水位工况作为本次计算工况，具体如表2 所示。

表2 船闸整体计算工况

工况一（校核工况）：在闸室内水位与长江侧水位持平工况下，考虑结构重力、上下游水荷载、闸内水荷载联合作用下的船闸受力变形；工况二（检修工况）：在闸室内无水工况下，考虑结构重力、上下游水荷载、地下水位与扬压力。

工况一闸首与闸室横向（U1）变形情况如图6 所示。工况二闸首与闸室横向（U1）变形情况如图7 所示。两种工况下闸室的最大水平位移与闸段间的最大相对位移如表3 所示。

表3 闸室最大水平位移值

图6 校核工况船闸横向变形（U1）云图

图7 检修工况船闸横向变形（U1）云图

4 结论

本文首先介绍了基于测缝计监测船闸闸室墙顶水平位移的系统组成与工作原理，然后以某船闸工程为实例，通过有限元计算分析，论证本方法的可行性，并由此得出船闸于运行期和检修期内闸室的最大水平位移值，最后具体分析了不同类型测缝计的基本原理、适用特点、典型参数，为船闸闸墙位移监测设备选型提供依据。

（1）提出了基于测缝计监测船闸闸室墙顶位移方法，能够系统地监测闸墙位移以及闸墙局部变形，从而全面地掌控闸室变形情况。

（2）通过有限元方法模拟了船闸运行期与检修期的受力情况，获得船闸整体与闸室的水平位移云图，以论证本监测方法的可行性。