團(tuán)城湖調(diào)節(jié)池安全監(jiān)測(cè)成果分析

高大偉，王子寒，翟 棟，郭 欣

(1.北京市南水北調(diào)團(tuán)城湖管理處，北京 100195； 2.北京京水建設(shè)工程有限公司，北京 100091)

團(tuán)城湖調(diào)節(jié)池是北京市南水北調(diào)配套工程的重要組成部分之一，是京西水源調(diào)度的關(guān)鍵樞紐，是充分、可靠地利用南水北調(diào)來水向城市供水的關(guān)鍵工程，作為北京市南水北調(diào)供水系統(tǒng)中重要的水利樞紐，發(fā)揮著承上啟下的作用。團(tuán)城湖調(diào)節(jié)池可接納密云水庫(kù)和南水北調(diào)來水兩大水源，經(jīng)調(diào)度后分別向北京市第八水廠、第九水廠、田村水廠、燕化引水工程、東水西調(diào)工程、城市河湖水系、高水湖養(yǎng)水湖等處供水，發(fā)揮著重要的供水效益以及生態(tài)效益。

團(tuán)城湖調(diào)節(jié)的主要功能是：在南水北調(diào)正常供水工況下，來水進(jìn)入團(tuán)城湖調(diào)節(jié)池，經(jīng)調(diào)節(jié)池內(nèi)各分水口向各用水戶供水。在南水北調(diào)工程出現(xiàn)事故、進(jìn)京水量減少甚至突然停水事故時(shí)，調(diào)節(jié)池具備一定的調(diào)蓄規(guī)模，可滿足在突發(fā)情況下及各水廠在一定保證率條件下進(jìn)行水源切換的要求。在南水北調(diào)停水檢修工況時(shí)，密云水庫(kù)來水經(jīng)京密引水渠、團(tuán)城湖(頤和園)、干線團(tuán)城湖明渠入調(diào)節(jié)池，可滿足各用水戶的用水需求[1-2]。

安全監(jiān)測(cè)是保障水庫(kù)安全運(yùn)行的重要措施,是水利工程運(yùn)行管理的一項(xiàng)必須的工作和掌握工程安全性態(tài)的重要的手段。作為京西輸水的關(guān)鍵工程，確保調(diào)節(jié)池工程安全平穩(wěn)運(yùn)行十分重要，因此需要對(duì)調(diào)節(jié)池工程開展安全監(jiān)測(cè)工作，在保證調(diào)節(jié)池安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性、連續(xù)性、有效性的基礎(chǔ)上，及時(shí)掌握工程的動(dòng)態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)異常情況及時(shí)預(yù)警并采取相應(yīng)措施保障工程安全。

1 團(tuán)城湖調(diào)節(jié)池概況

團(tuán)城湖調(diào)節(jié)池位于海淀區(qū)四季青鎮(zhèn)玉泉行政村，南鄰北四環(huán)西路，北至中塢新村，東鄰南水北調(diào)中線團(tuán)城湖明渠，西至北塢村路。工程于2012年11月12日開工，2014年6月底主體完工后投入運(yùn)行，總占地67 hm2，其中水面面積為33 hm2，水深常年保持在5 m上下，調(diào)蓄水位49.0～45.0 m，最高運(yùn)行水位49.5 m，池底高程44.0 m，調(diào)蓄容積127×104m3，最大儲(chǔ)水容量為166×104m3。

團(tuán)城湖調(diào)節(jié)池工程等別屬于Ⅰ等，主要建筑物為1級(jí)，分為三連通閘、調(diào)節(jié)池、分水口和管理設(shè)施4個(gè)部分。其中，進(jìn)水建筑物(三連通閘包含團(tuán)城湖進(jìn)水方涵出口閘、明渠隔斷閘以及西四環(huán)暗涵出口閘)布置于調(diào)節(jié)池的東南側(cè)，現(xiàn)狀為團(tuán)城湖明渠首部，共有3處分水口，分別是環(huán)線、高水湖養(yǎng)水湖及田村水口；環(huán)線分水口和高水湖養(yǎng)水湖分水口布置于調(diào)節(jié)池北側(cè)，田村分水口布置于調(diào)節(jié)池西北側(cè)。團(tuán)城湖調(diào)節(jié)池是原地面開挖形成的水池，調(diào)節(jié)池底板及擋墻均做防滲處理[3]。

2 安全監(jiān)測(cè)點(diǎn)的分布、數(shù)據(jù)采集及分析

2.1 安全監(jiān)測(cè)點(diǎn)的分布

團(tuán)城湖調(diào)節(jié)池的安全監(jiān)測(cè)工作主要包括團(tuán)城湖調(diào)節(jié)池周邊地下水位觀測(cè)、各分水口閘門及三連通閘的基礎(chǔ)滲壓監(jiān)測(cè)、水工建筑物(三連通閘、高水湖養(yǎng)水湖分水口、環(huán)線分水口、田村分水口)等重要部位的沉降觀測(cè)。

2.1.1 地下水位

團(tuán)城湖調(diào)節(jié)池通過監(jiān)測(cè)調(diào)節(jié)池周邊測(cè)壓管及水質(zhì)/水位監(jiān)測(cè)井，確定調(diào)節(jié)池地下水位的變化。環(huán)調(diào)節(jié)池周邊共計(jì)均勻布設(shè)9個(gè)測(cè)壓管(編號(hào)SW1-SW9)，另外有4個(gè)水質(zhì)/水位監(jiān)測(cè)井(編號(hào)SWSZ1-SWSZ4)環(huán)池均勻分布，總計(jì)13個(gè)地下水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)。測(cè)壓管為內(nèi)徑70 mm的鍍鋅鋼管，鋼管內(nèi)部放置振弦試滲壓計(jì)，型號(hào)為BGK4500S-70 kPa，生產(chǎn)廠家為北京基康。水質(zhì)/水位監(jiān)測(cè)井與地下水位相連通，用于人工監(jiān)測(cè)地下水位。

2.1.2 滲透壓力

在調(diào)節(jié)池進(jìn)水閘與明渠隔斷閘(進(jìn)水閘與隔斷閘共計(jì)8個(gè)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)P1-P8)、高水湖養(yǎng)水湖分水口(4個(gè)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)P1g-P4g)、環(huán)線分水口(6個(gè)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)P1h-P6h)、田村分水口(6個(gè)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)P1t-P6t)等5處，在閘室部位及上下游布置滲壓計(jì)對(duì)閘室的滲透壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，總計(jì)24個(gè)測(cè)點(diǎn)；在三閘交匯區(qū)域布置滲壓計(jì)，對(duì)三閘交匯的閘室邊墻的滲透壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，總計(jì)5個(gè)測(cè)點(diǎn)(UP1-UP5)。監(jiān)測(cè)設(shè)備均采用振弦式滲壓計(jì)，型號(hào)為BGK4500S-350 kPa，生產(chǎn)廠家為北京基康。

2.1.3 主要水工建筑物變形

團(tuán)城湖調(diào)節(jié)池通過各閘室變形觀測(cè)斷面、閘墩及邊墻沉降變形測(cè)點(diǎn)、左右岸變形觀測(cè)基點(diǎn)，開展變形觀測(cè)。在三聯(lián)通閘(13個(gè)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)BM1-BM13)、調(diào)節(jié)池進(jìn)水口(3個(gè)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)BM1j-BM3j)、高水湖養(yǎng)水湖分水口(4個(gè)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)BM1g-BM4g)、環(huán)線分水口(4個(gè)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)BM1h-BM4h)、田村分水口(4個(gè)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)BM1t-BM4t)等5處區(qū)域，共計(jì)28個(gè)沉降測(cè)點(diǎn)設(shè)置沉降變形觀測(cè)點(diǎn)。另外，有觀測(cè)基點(diǎn)10個(gè)。

2.2 數(shù)據(jù)采集頻次及分析方法

2.2.1 采集頻次

2.2.1.1 地下水位

測(cè)壓管通過自動(dòng)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，每月提取其中5次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析。由于水質(zhì)/水位井中未安裝計(jì)量設(shè)備，采用平尺水位計(jì)進(jìn)行測(cè)量，每月測(cè)量4次。另外，每年1次通過BGK-408振弦讀數(shù)儀人工讀取測(cè)壓管數(shù)據(jù)，與自動(dòng)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)校核。

2.2.1.2 滲透壓力

滲透壓力通過自動(dòng)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，每月提取其中5次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析。另外，每年1次通過BGK-408振弦讀數(shù)儀人工讀取測(cè)壓管數(shù)據(jù)，與自動(dòng)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)校核。

2.2.1.3 主要水工建筑物變形

使用全站儀采用二等水準(zhǔn)法觀測(cè)記錄主要建筑物的沉降變化，每月測(cè)量1次沉降值進(jìn)行沉降變化對(duì)比分析。每年1次利用調(diào)節(jié)池周邊的國(guó)家二等水準(zhǔn)點(diǎn)，對(duì)10個(gè)觀測(cè)基點(diǎn)進(jìn)行校核。

2.2.2 數(shù)據(jù)分析方法

利用安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)收集的地下水位和滲透壓力數(shù)值，通過Excel表格繪制變化過程曲線，對(duì)比分析地下水位和滲透壓力變化趨勢(shì)。如遇到數(shù)據(jù)變化波動(dòng)較大，通過現(xiàn)地人工測(cè)量模數(shù)與溫度后套入計(jì)算公式與自動(dòng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)核，沉降變形通過多次觀測(cè)得到的沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行累加，得到末次累計(jì)變化值，對(duì)累計(jì)變化值進(jìn)行對(duì)比分析沉降變形趨勢(shì)。

3 安全監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

團(tuán)城湖調(diào)節(jié)池工程于2015年7月完成沉降變形觀測(cè)工作基點(diǎn)高程引測(cè)工作，并于2015年8月開始開展調(diào)節(jié)池工程各主要建筑物沉降觀測(cè)。監(jiān)測(cè)至今，調(diào)節(jié)池安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)保持了連續(xù)性、真實(shí)性，但由于數(shù)據(jù)量大，本文中主要選取2018年至今的調(diào)節(jié)池安全監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 地下水位變化分析

建設(shè)前期對(duì)調(diào)節(jié)池進(jìn)行水文勘探，調(diào)節(jié)池周邊地下水位位于調(diào)節(jié)池底板高程以下。但隨著調(diào)節(jié)池蓄水投入運(yùn)行后，受地下水開采減少、調(diào)節(jié)池滲漏等因素影響，周邊地下水位會(huì)呈現(xiàn)持續(xù)上升的趨勢(shì)[4]。高地下水位將對(duì)調(diào)節(jié)池結(jié)構(gòu)抗浮穩(wěn)定的安全產(chǎn)生影響，應(yīng)做好地下水位監(jiān)測(cè)工作，發(fā)現(xiàn)地下水位異常及時(shí)報(bào)警并采取相應(yīng)措施。

調(diào)節(jié)池工程由設(shè)計(jì)單位確定的周邊地下水位預(yù)警值為44.0 m，當(dāng)?shù)叵滤坏竭_(dá)預(yù)警值時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)觀測(cè)，注意水位變化。在上述要求下，對(duì)地下水位進(jìn)行分析，超過預(yù)警值及時(shí)進(jìn)行上報(bào)處理。

通過圖1進(jìn)行分析，調(diào)節(jié)池周邊地下水位與調(diào)節(jié)池水位呈現(xiàn)出正相關(guān)的趨勢(shì)，會(huì)隨著調(diào)節(jié)池水位的升降而升降。同時(shí)與季節(jié)溫度變化呈現(xiàn)出相同趨勢(shì)，地下水位呈現(xiàn)出夏季逐步升高、冬季逐步降低。近3年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，團(tuán)城湖調(diào)節(jié)池運(yùn)行水位在48.50～49.10 m的范圍進(jìn)行浮動(dòng)，在排空檢修期間水位降低至45.00 m，調(diào)節(jié)池水位變動(dòng)幅度最大達(dá)到4.10 m，調(diào)節(jié)池周邊各測(cè)壓管及水質(zhì)/水位井內(nèi)地下水位測(cè)值范圍為30.835～40.342 m，均低于地下水位預(yù)警值(44.00 m)。

圖1 團(tuán)城湖調(diào)節(jié)池地下水位曲線圖

同時(shí)調(diào)節(jié)池周邊地下水位測(cè)值整體呈西北高東南低的分布規(guī)律，其中高水湖養(yǎng)水湖附近的SW2測(cè)點(diǎn)地下水位最高，田村分水口附近的SW7測(cè)點(diǎn)地下水位最低，與團(tuán)城湖調(diào)節(jié)池前期進(jìn)行水文勘探的地下水位高低分布情況保持一致。

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，團(tuán)城湖調(diào)節(jié)池各處地下水位整體較平穩(wěn)，測(cè)值狀況正常。調(diào)節(jié)池工程結(jié)構(gòu)未受到地下水位的影響，同時(shí)調(diào)節(jié)池周邊地下水位也逐年呈現(xiàn)出整體升高的趨勢(shì)。

3.2 滲壓變化分析

水工建筑物基礎(chǔ)滲壓過高會(huì)使建筑物地基失穩(wěn)[5]，團(tuán)城湖調(diào)節(jié)池滲壓變化主要監(jiān)測(cè)4處分水口以及三聯(lián)通閘區(qū)域的基礎(chǔ)滲壓。

通過圖2-圖5進(jìn)行分析，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，在監(jiān)測(cè)期間進(jìn)水閘與明渠隔斷閘、高水湖養(yǎng)水湖分水口、環(huán)線分水口以及田村分水口等4處滲壓計(jì)的測(cè)值(P1及P2除外)均波動(dòng)正常，基礎(chǔ)滲透壓變化穩(wěn)定，建筑物基礎(chǔ)部位滲壓計(jì)測(cè)值總體不超過5 kPa，各閘基礎(chǔ)部位基本無滲壓體現(xiàn)，有利于閘室穩(wěn)定性。

圖2 進(jìn)水閘與明渠隔斷閘基礎(chǔ)滲壓曲線圖

圖3 高水湖養(yǎng)水湖分水口基礎(chǔ)滲壓曲線圖

圖4 環(huán)線分水口基礎(chǔ)滲壓曲線圖

圖5 田村分水口基礎(chǔ)滲壓曲線圖

進(jìn)水口P1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)值呈現(xiàn)階段性跳躍，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)跳躍均發(fā)生在降雨期間，待降雨結(jié)束后，該點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)值逐步恢復(fù)正常。P2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)值在監(jiān)測(cè)期間整體偏高，查閱滲壓計(jì)安裝資料，安裝初期該點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)值處于較高水平，且開展監(jiān)測(cè)工作以來該點(diǎn)未出現(xiàn)大幅度波動(dòng)，認(rèn)為該處滲壓整體穩(wěn)定。同時(shí)測(cè)壓值出現(xiàn)負(fù)值主要是滲壓計(jì)埋設(shè)地點(diǎn)出現(xiàn)負(fù)壓孔隙形成真空，導(dǎo)致滲壓計(jì)在安裝后出現(xiàn)負(fù)壓，在一些資料整編中負(fù)壓也可以認(rèn)為是零[6]。

結(jié)合圖6中曲線，對(duì)三連通閘區(qū)域測(cè)壓管水位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。在監(jiān)測(cè)期間，三連通閘區(qū)觀測(cè)孔內(nèi)滲壓計(jì)測(cè)值隨工程運(yùn)行狀態(tài)波動(dòng)。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，三聯(lián)通閘區(qū)域數(shù)據(jù)曲線隨明渠水位變化有相應(yīng)的波動(dòng)，與水位變化趨勢(shì)相一致，在團(tuán)城湖明渠停水檢修期間，測(cè)壓管水位會(huì)隨之發(fā)生顯著下降?？傮w而言，三聯(lián)通閘區(qū)域閘室整體基本穩(wěn)定，滲壓狀態(tài)正常。

圖6 三連通閘區(qū)域測(cè)壓管水位

3.3 沉降變形分析

調(diào)節(jié)池的運(yùn)行以及周邊地質(zhì)條件變化可能引起水工建筑物的沉降，通過沉降觀測(cè)能了解到水工建筑物的穩(wěn)定性和可靠程度[7]。在團(tuán)城湖調(diào)節(jié)池各主要水工建筑上開展沉降觀測(cè)，根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，各分水口閘室沉降位移控制值，以兩側(cè)閘墩沉降位移觀測(cè)點(diǎn)的差異沉降值作為控制，差異沉降值≤5 mm，預(yù)警值為3 mm，發(fā)現(xiàn)沉降測(cè)值異常變化，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行處理上報(bào)。

自沉降監(jiān)測(cè)以來，三連通閘區(qū)域13個(gè)沉降測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降值在-4.649 ～0.683 mm之間，進(jìn)水閘3個(gè)沉降測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降值在-0.179 ～0.701 mm之間，高水湖養(yǎng)水湖分水口4個(gè)沉降測(cè)點(diǎn)在-20.110～-16.867 mm之間，環(huán)線分水口4個(gè)沉降測(cè)點(diǎn)在-4.693～-0.755 mm之間，田村分水口4個(gè)沉降測(cè)點(diǎn)在-4.693～-0.755 mm之間，全部測(cè)點(diǎn)單次沉降測(cè)值均小于預(yù)警值3 mm。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，各沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降測(cè)值均在預(yù)警范圍內(nèi)，建筑物沉降變形穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

團(tuán)城湖調(diào)節(jié)池安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，地下水位、滲透壓力、沉降測(cè)值3項(xiàng)指標(biāo)均在正常范圍內(nèi)變化，未超過警戒值；地下水位和滲透壓力會(huì)隨著季節(jié)以及運(yùn)行水位發(fā)生變化，建筑沉降變形整體趨于穩(wěn)定，團(tuán)城湖調(diào)節(jié)池整體運(yùn)行平穩(wěn)，各類設(shè)備設(shè)施未見異常。安全監(jiān)測(cè)是保障團(tuán)城湖調(diào)節(jié)池工程運(yùn)行安全、工程安全的重要手段，調(diào)節(jié)池開展的連續(xù)安全監(jiān)測(cè)工作，既保證了數(shù)據(jù)的連續(xù)性、真實(shí)性，也達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，為調(diào)節(jié)池安全運(yùn)行提供了有效保障。

5 展 望

水利部在2018年開展的全國(guó)近3 000座水庫(kù)的調(diào)研中，安全監(jiān)測(cè)全部采用自動(dòng)觀測(cè)的僅占7.6%，安全監(jiān)測(cè)更需要?jiǎng)討B(tài)化、實(shí)時(shí)化，同時(shí)安全監(jiān)測(cè)工作量大且繁重，更需要不斷向著智能化邁進(jìn)。通過實(shí)時(shí)傳輸?shù)谋O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，不斷監(jiān)測(cè)水工建筑物結(jié)構(gòu)的變化，了解建筑物的情況，為水工建筑物安全運(yùn)行、日常養(yǎng)護(hù)等工作提供參考與借鑒[8]。近些年，水利行業(yè)逐步向智慧化邁進(jìn)，安全監(jiān)測(cè)工作也應(yīng)不斷向著信息化邁進(jìn)。南水北調(diào)中線工程利用安全監(jiān)測(cè)APP遠(yuǎn)程監(jiān)控，在疫情期間保證了安全監(jiān)測(cè)工作的順利進(jìn)行，且提高了安全監(jiān)測(cè)頻次，在線進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)異常變化及時(shí)進(jìn)行提示[9]。目前，調(diào)節(jié)池的安全監(jiān)測(cè)工作雖然開展了動(dòng)態(tài)采集，減少了人工采集的頻次，但是依然需要每月收集自動(dòng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行人工匯總，并編寫安全監(jiān)測(cè)月報(bào)，在安全監(jiān)測(cè)智慧化、智能化的道路上還有很遠(yuǎn)的路需要去走。