罗家河坝渡槽结构工程安全监测方案应用

王灵鸽

(四川省水利科学研究院，成都 610072)

0 引 言

我国是个水利大国，水利工程建筑数量众多，渡槽作为典型的水工结构，对农业输水灌溉工程有着十分重大的价值[1-3]。近年来，随着早期建设的渡槽结构逐步进入病害多发及性能退化期，渡槽结构的安全运行和养护管理工作面临着严峻的挑战。在此背景下，强化渡槽动态运行监管，防范突发安全事故，进一步提升灌区既有渡槽结构安全运行和智能养护管理水平，显得尤为重要和迫切[4-5]。

笔者通过对四川省都江堰东风渠既有渡槽的调研，发现渡槽普遍存在接近或超过设计使用年限。在进行输水建筑物的技术改造中，需要评价现有渡槽安全性态是否能满足安全运用要求，进而判定是保留或维修加固或拆除重建[6-8]。在渡槽工程整体运行现状及安全评价方面，目前尚无统一的标准，致使渡槽工程改造建设中无法准确判断工程是需要维修还是拆除重建。当前的运行管理一般都交给管理站自行巡查，只能采用目测、巡视的手段，在运行管理和判别工程建筑物质量上要较大的安全隐患[9-10]。

为了解决这个问题，本文选取四川省成都市东风渠罗家河坝渡槽为研究案例，通过调查分析渡槽现状及存在的问题，提出与之相应的监测方案，旨在及时掌控既有渡槽的健康状态，了解渡槽结构的工作情况。

1 罗家河坝渡槽工程简介

罗家河坝渡槽位于新南干进水闸出口下游，由左右两个渡槽组成，进出口由分水鱼嘴衔接，实测渡槽间距2.1 m，进口鱼嘴高度3.1 m，出口鱼嘴高度3.3 m。左侧为旧渡槽，起止桩号0+055～0+097(km+m)，进口段渠底高程499.374 m，出口段渠底高程499.324 m，流量16.7 m3/s，水深2.613 m；槽身类型为U型薄壳钢筋砼简支梁结构，支承形式为浆砌条石重力墩，实测槽身长度为3跨42 m(从上游往下游方向跨度依次分别为：14.5，14，13.5 m)，渠底比降1/800，建成时间约为1966年。右侧为新渡槽，起止桩号0+053～101(km+m)，进口段渠底高程500.040 m，出口段渠底高程500.028 m，流量33.3 m3/s，水深1.934 m，槽身类型为矩形钢筋砼简支梁结构，支承形式为钢筋砼排架，实测跨径组合为8 m×5(孔)，渠底比降1/2 800，建成时间为1978年。渡槽现状照片见图1。通过现场调查，罗家河坝渡槽常年遭受洪水威胁，支撑墩极易发生倾斜变形，影响该渡槽的正常运行。

2 渡槽结构预警与安全评估子系统

综合预警与结构安全评估子系统作为渡槽安全监测系统的核心部分之一，它通过监测结构的运行状态，通过荷载输入和结构响应数据对渡槽整体及关键部件的安全状况进行评估，判断结构是否处于正常使用极限状态内，是否即将达到或超越服役极限状态。对结构安全状态的重要变化及渡槽出现不安全征兆时进行预警，提供报警信号，提醒管理人员关注结构运行安全状况，及时进行维修养护，保障结构安全正常运行。具体为：对监测及识别的结果进行统计、对比分析、趋势分析和相关性分析；对结构变形等监测参数建立明确的预警指标，对监测结果进行分级预警；综合各种监测数据、内力状态信息对结构进行综合评估。传感传输控制子系统所采集的监测数据是为预警与评估子系统服务的，依据上述两者信息进行结构的综合预警及安全评估。

利用当代传感测试技术、计算机科学技术、光电子信息技术、渡槽结构计算分析技术、结构安全风险管理技术等最新成果，构建渡槽结构安全监测系统。通过可靠的实时监测、及时的预警响应、准确的安全评估和科学的决策支持，切实提高渡槽的安全运行和管理水平，本工程主要用到的监测仪器见图2。

图2 罗家河坝渡槽监测仪器

渡槽结构安全监测系统设计的核心任务是获得渡槽在役期的代表性环境荷载、结构的响应以及局部损伤等信息，在对监(检)测信息进行评估的基础上定期获得结构安全状态信息，为结构的安全、高效、经济运行管养决策的制定提供技术支持。系统包括以下子系统：

1) 传感传输控制子系统，其包括以下三大模块：①传感器模块：通过传感器将各类监测信号转换为电(光)以及以太网信号。②数据采集与传输模块：将监测信号转换为标准以太网数字信号并完成远程传输。③数据处理与控制模块：将监测信号进行预处理以及二次处理以便向其它子系统提供有效的信息源或力学指标，根据需要设定程序监测并控制监测参数的采集。

2) 结构预警与安全评估子系统。对渡槽结构和构件的代表性监测数据进行统计、分析、预警，以及根据历次巡检和监测的数据按照业主要求定期编制报告报表、进行结构整体内力状态识别、承载能力评估等工作。

以及两大辅助子系统：

3) 中心数据库子系统。各子系统数据的支撑系统，完成运行期所有监测静态、动态的资料、信息、数据的归档、查询、存储、管理和调用等工作。

4) 用户界面子系统。将渡槽运行期各种监测静态、动态的资料、信息、数据按用户要求分类分级按授权向不同用户展示，并且按授权接受不同用户对系统的控制与输入。

3 罗家河坝渡槽安全监测方案分析

根据罗家河坝渡槽工程实际需要，其监测范围为右侧新渡槽，修建于1978年。在对渡槽进行结构安全风险辨识及评估的基础上，根据被测渡槽的结构特点、既有缺陷病害(既有同类型渡槽的主要病害情况)和周边环境条件，对渡槽构(部)件进行易损性、冗余性和可恢复性分析，确定渡槽结构安全监测需覆盖的主要项目主要分为荷载与环境、渡槽整体响应和渡槽局部响应3类。因此，罗家河坝渡槽新渡槽的测点布设方案见表1，测点布设位置见图3。

表1 罗家河坝渡槽新渡槽测点布设方案

图3 罗家河坝渡槽新渡槽测点布设位置

分析可知，监测内容主要包括槽身周边环境、水位、结构表面温度、支撑变位和槽身梁端变位。其中，槽身周边环境监测工具采用高清摄像仪，布设在跨中部位，含一个传感器。槽身水位采用水位计进行监测，设置在跨中部位，设置一个传感器，温度计设置在第三跨。而支撑变位主要采用倾角计进行监测，设置在3个较高的支撑墩墩顶处，左右侧各布设1个，包含6个传感器。槽身梁端变位则采用测缝计进行监测，在每个支撑墩处左右侧各布设1个测点，每个测点采用2支测缝计监测两个方向(错缝情况)，共计4个支撑墩，总共设置16个传感器。

4 结 论

针对早期建设的渡槽结构逐步进入病害多发及性能退化期，渡槽结构的安全运行存在各方面的问题，本文以四川省成都市罗家河坝渡槽为研究案例，通过调查分析渡槽现状及存在的问题，发现该渡槽常年遭受洪水威胁，槽身和支撑容易出现变形。鉴于此，依据渡槽结构预警与结构安全评估系统原理，提出相应的监测方案，用于渡槽结构的安全监测，保障渡槽水工结构的安全运行，便于及时掌控既有渡槽的健康状态，了解渡槽结构的工作情况。最后，分析该渡槽的监测方案和测点布设，对今后类似渡槽工程的监测方案优化设计具有一定的参考价值。