南水北調(diào)中線干線工程外部變形安全監(jiān)測工作簡述

顧春豐 李 玲 劉東慶

(1. 中國電建集團(tuán)北京勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司, 北京 100024；2. 南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局, 北京 100038)

0 引言

南水北調(diào)中線干線工程是跨流域、長距離的特大型調(diào)水工程,水源主要來自長江最大支流漢江,工程渠首位于漢江中上游丹江口水庫東岸河南省淅川縣境內(nèi)的丹陽村,由丹江口水庫陶岔渠首閘引水,經(jīng)長江流域與淮河流域的分水嶺即伏牛山和桐柏山的方城埡口[1],沿華北平原中西部邊緣開挖渠道,通過隧道穿過黃河,沿京廣鐵路西側(cè)北上,自流至北京市頤和園團(tuán)城湖。工程由總干渠和天津干渠兩部分組成,全長約1 431.945 km,于2003年12月31日開工建設(shè),歷時(shí)11年竣工完成,2014年12月12日開始正式通水。

1 監(jiān)測項(xiàng)目

1.1 安全監(jiān)測項(xiàng)目

為確保南水北調(diào)中線干線工程的運(yùn)營安全,全面掌握中線干線渠道及建筑物運(yùn)行狀況,設(shè)計(jì)的安全監(jiān)測項(xiàng)目有[2]:

(1)滲流監(jiān)測。包括揚(yáng)壓力、滲流壓力、側(cè)向繞滲。

(2)表面變形監(jiān)測。包括垂直位移、水平位移、基礎(chǔ)沉降、傾斜、接縫及裂縫開合度、圍巖及襯砌變形等。

(3)結(jié)構(gòu)內(nèi)力監(jiān)測。鋼筋應(yīng)力、混凝土應(yīng)力、應(yīng)變。

(4)預(yù)應(yīng)力錨索監(jiān)測、土壓力監(jiān)測、溫度監(jiān)測和膨脹土特性監(jiān)測等。

1.2 外部變形觀測主要監(jiān)測項(xiàng)目

根據(jù)南水北調(diào)中線干線工程各類建筑物不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和地質(zhì)條件,外部變形觀測主要監(jiān)測項(xiàng)目如下:

(1)大壩及附屬建筑物外部變形觀測。壩頂、壩肩及大壩廊道,附屬建筑物等垂直位移觀測和水平位移觀測。

(2)水閘外部變形觀測。節(jié)制閘、分水閘、排冰閘和退水閘等閘室和進(jìn)出口建筑物的水平位移觀測和垂直位移觀測。

(3)渡槽工程外部變形觀測。渡槽上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)和進(jìn)、出口建筑物的水平位移觀測和垂直位移觀測。

(4)倒虹吸及暗渠外部變形觀測。建筑物和進(jìn)、出口段的水平位移觀測和垂直位移觀測。

(5)渠道外部變形觀測。渠道的垂直位移監(jiān)測和水平位移監(jiān)測。

(6)穿渠和跨渠建筑物外部變形觀測。穿渠和跨渠建筑物的垂直位移監(jiān)測和水平位移監(jiān)測。

(7)工程沿線基準(zhǔn)網(wǎng)和工作基點(diǎn)復(fù)測。主要內(nèi)容為水平、垂直位移監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)復(fù)測；水平位移工作基點(diǎn)和垂直位移工作基點(diǎn)復(fù)核等工作；準(zhǔn)確測定監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)、工作基點(diǎn)坐標(biāo)成果,并對其是否穩(wěn)定做出評價(jià)。

2 主要技術(shù)要求

2.1 垂直位移觀測

(1)垂直位移監(jiān)測應(yīng)采用幾何水準(zhǔn)觀測方法,使用儀器、施測方法和精度等應(yīng)滿足《國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范》(GB/T 12897—2006)相應(yīng)要求[3]。測站視線長度、前后視距差等應(yīng)滿足表1的要求。

表1 測站視線長度、前后視距差、視線高度和重復(fù)測量次數(shù)

(2)大壩及附屬建筑物、輸水建筑物測點(diǎn)及相關(guān)工作基點(diǎn)按國家一等水準(zhǔn)觀測要求施測。渠道和其他建筑物測點(diǎn)及相關(guān)工作基點(diǎn)按國家二等水準(zhǔn)觀測要求施測。

(3)工作基點(diǎn)按國家一等水準(zhǔn)觀測要求每年校測一次,若發(fā)現(xiàn)工作基點(diǎn)異常,應(yīng)及時(shí)校測。

2.2 水平位移觀測

(1)輸水建筑物水平位移點(diǎn)觀測精度相對于臨近工作基點(diǎn)不大于1.5 mm。

(2)渠道及其他建筑物水平位移觀測精度相對于臨近工作基點(diǎn)不大于3.0 mm。

2.3 觀測資料整理及初步分析要求

(1)應(yīng)做好所采集數(shù)據(jù)的原始記錄,采用批準(zhǔn)的固定格式記錄并妥善保管。

(2)在每次監(jiān)測完成后,及時(shí)檢查原始監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性和完整性,如有漏記、誤讀(記)或異常,應(yīng)及時(shí)復(fù)測確認(rèn)或更正,并記錄有關(guān)情況。

(3)觀測工作結(jié)束后應(yīng)立即對原始記錄進(jìn)行檢查。

(4)經(jīng)檢查合格的觀測數(shù)據(jù),應(yīng)及時(shí)進(jìn)行計(jì)算,如有測值異常,應(yīng)及時(shí)分析原因。當(dāng)確認(rèn)為測值異常,應(yīng)及時(shí)上報(bào),必要時(shí)應(yīng)立即進(jìn)行重測,直至確定最終觀測數(shù)據(jù)。

2.4 觀測頻次

監(jiān)測工作基點(diǎn)每年復(fù)測1次；大壩及附屬建筑物觀測頻次按1次/月；其他區(qū)域觀測頻次渠道及輸水建筑物測點(diǎn)按每測點(diǎn)每2個(gè)月觀測1次,其他建筑物測點(diǎn)按3月觀測1次；當(dāng)測值有顯著變化時(shí),觀測頻次可適當(dāng)加密。

3 項(xiàng)目關(guān)鍵問題分析

南水北調(diào)中線工程運(yùn)行期外部安全監(jiān)測,具有線路長、監(jiān)測點(diǎn)多、觀測工作量大等諸多特點(diǎn),外觀安全監(jiān)測工作的全面展開與周期性任務(wù)的順利完成,有賴于科學(xué)高效的項(xiàng)目組織管理、人員設(shè)備的資源保障、工作重點(diǎn)與難點(diǎn)的準(zhǔn)確掌握與有效應(yīng)對,針對外觀監(jiān)測工作內(nèi)容以及特點(diǎn),對所涉及關(guān)鍵問題做如下分析[4-7]。

3.1 監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)復(fù)測與工作基點(diǎn)的復(fù)核

外觀監(jiān)測系統(tǒng)包括:監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)、工作基點(diǎn)網(wǎng)和測點(diǎn)觀測三個(gè)組成部分,建立監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)目的是為工程外觀安全監(jiān)測系統(tǒng)提供統(tǒng)一的、穩(wěn)定可靠的監(jiān)測基準(zhǔn)；通過周期性的監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)復(fù)測與工作基點(diǎn)的復(fù)核,對監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)和工作基點(diǎn)的穩(wěn)定性和可靠性做出相應(yīng)檢驗(yàn)與評價(jià),為日常監(jiān)測工作提供可靠的起算基準(zhǔn)和起算數(shù)據(jù)。通過周期性觀測,獲得測點(diǎn)相對基準(zhǔn)點(diǎn)之間水平和垂直方向的位移變化量,進(jìn)而掌握工程在運(yùn)營過程中所處空間形態(tài)狀況,起到安全監(jiān)視作用。故此為保障安全監(jiān)測過程中應(yīng)用監(jiān)測基準(zhǔn)的可靠性與正確性,監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)復(fù)測與工作基點(diǎn)的復(fù)核至關(guān)重要、不容忽視。

3.2 制定行之有效的監(jiān)測方案

依據(jù)監(jiān)測技術(shù)要求提出的觀測等級、點(diǎn)位精度指標(biāo),結(jié)合現(xiàn)場各類監(jiān)測設(shè)施的分布狀況和地形條件,制定合理、可行的監(jiān)測實(shí)施方案。監(jiān)測方案應(yīng)與現(xiàn)場實(shí)際、技術(shù)要求以及規(guī)范規(guī)定相適應(yīng),并通過監(jiān)測方案的落實(shí)與應(yīng)用,對其應(yīng)用效果、監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行分析評估,進(jìn)而得到優(yōu)化與改進(jìn),以便有效指導(dǎo)周期性外觀監(jiān)測作業(yè)活動。

3.3 確保監(jiān)測數(shù)據(jù)成果真實(shí)性和正確性

監(jiān)測數(shù)據(jù)成果是反映工程設(shè)施現(xiàn)狀形態(tài)的重要信息依據(jù)。為高質(zhì)量地完成外觀監(jiān)測數(shù)據(jù)采集工作,要求監(jiān)測作業(yè)人員應(yīng)具有較高的專業(yè)素養(yǎng),使用的儀器設(shè)備應(yīng)檢定“合格”,且在檢定有效期內(nèi)使用,計(jì)算軟件或程序需通過鑒定或?qū)彶?；外業(yè)數(shù)據(jù)采集應(yīng)嚴(yán)格按監(jiān)測方案執(zhí)行,加強(qiáng)作業(yè)過程中的成果質(zhì)量控制,對原始數(shù)據(jù)、起算數(shù)據(jù)、計(jì)算數(shù)據(jù)、成果數(shù)據(jù)等做出檢查與校核,將責(zé)任落實(shí)到人；做好工作日志,記錄現(xiàn)場觀測中出現(xiàn)的重要問題以及環(huán)境變化情況,若發(fā)現(xiàn)異常觀測數(shù)據(jù)應(yīng)及時(shí)查找原因,并在第一時(shí)間做出返工或復(fù)測處理,使異常觀測數(shù)據(jù)在有效時(shí)間范圍內(nèi)得到確認(rèn)或消除,確保監(jiān)測成果真實(shí)性和正確性。

3.4 資料分析及成果的信息反饋

監(jiān)測資料分析工作既不是上一周期監(jiān)測工作簡單的延續(xù)說明,也非本周期監(jiān)測成果反映現(xiàn)象的匯總與小結(jié),而是通過測點(diǎn)的周期性監(jiān)測以及過程數(shù)據(jù)的積累,進(jìn)行各類相關(guān)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性技術(shù)分析,從中探索與發(fā)現(xiàn)工程建筑物變形趨勢和變化規(guī)律,在正確做出安全評價(jià)的同時(shí),有效指導(dǎo)后期安全監(jiān)測的工作方向和關(guān)注重點(diǎn),故此監(jiān)測資料分析必須具有正確性和預(yù)見性,確實(shí)起到保證工程安全運(yùn)營的重要作用。

4 監(jiān)測作業(yè)與數(shù)據(jù)處理

南水北調(diào)中線干線工程依不同工程部位分別設(shè)置外觀監(jiān)測項(xiàng)目,主要工作內(nèi)容為垂直位移觀測和水平位移觀測,且前者觀測工程量遠(yuǎn)大于后者。

4.1 作業(yè)方法

南水北調(diào)中線干線工程由于監(jiān)測工作量大,測點(diǎn)多且相對集中,為便于測點(diǎn)區(qū)分,點(diǎn)名采用字母和數(shù)字混合的長字符編碼,若以常規(guī)作業(yè)模式進(jìn)行水準(zhǔn)線路測量,對線路名稱、測點(diǎn)點(diǎn)名等測量信息,無論是采用數(shù)字水準(zhǔn)儀觀測時(shí)直接錄入,還是現(xiàn)場記簿后期補(bǔ)錄均易出現(xiàn)差錯(cuò),且會降低外業(yè)作業(yè)效率。依監(jiān)測工作“三固定原則”,充分利用項(xiàng)目垂直位移觀測具有固定水準(zhǔn)線路、固定測站數(shù)的特點(diǎn),對觀測作業(yè)模式進(jìn)行必要改進(jìn)。在水準(zhǔn)線路首次觀測時(shí)建立測段信息文件,內(nèi)容包含測段名、觀測日期及各點(diǎn)的點(diǎn)名、唯一編碼、往返測測站序號等,內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時(shí)根據(jù)其測站序號截取相應(yīng)觀測數(shù)據(jù)參與計(jì)算,這樣既可簡化水準(zhǔn)測量外業(yè)操作,提高作業(yè)效率,降低因信息錄入而產(chǎn)生的錯(cuò)誤,又可使觀測數(shù)據(jù)及測段信息完整保留溯源。對應(yīng)開發(fā)的監(jiān)測數(shù)據(jù)處理軟件應(yīng)用于日常的監(jiān)測工作,取得了良好的應(yīng)用效果[8-9]。

4.2 數(shù)據(jù)的預(yù)處理

根據(jù)《國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范》外業(yè)高差改正數(shù)計(jì)算要求,測點(diǎn)高程計(jì)算時(shí),水準(zhǔn)觀測高差應(yīng)加入的改正項(xiàng)有:水準(zhǔn)標(biāo)尺長度改正、水準(zhǔn)標(biāo)尺溫度改正、正常水準(zhǔn)面不平行改正、重力異常改正、固體潮改正、海潮負(fù)荷改正和水準(zhǔn)線路閉合差改正,考慮到監(jiān)測作業(yè)特點(diǎn),外業(yè)高差改正計(jì)算中僅進(jìn)行水準(zhǔn)標(biāo)尺長度和水準(zhǔn)線路閉合差兩項(xiàng)改正,編制水準(zhǔn)測量外業(yè)高差與概略高程表,進(jìn)行觀測數(shù)據(jù)的預(yù)處理[10-11]。

4.3 平差計(jì)算

在對各項(xiàng)數(shù)據(jù)檢核后,組成平差文件,選用距離定權(quán)方式進(jìn)行水準(zhǔn)平差,計(jì)算線路中各測點(diǎn)的高程值,并對測點(diǎn)高程精度進(jìn)行評定。輸出成果信息完整、美觀,便于審查與檢核。監(jiān)測數(shù)據(jù)平差處理流程如圖1所示。

圖1 監(jiān)測數(shù)據(jù)平差處理流程

4.4 異常值的判定與處理

利用相鄰兩期測定的監(jiān)測點(diǎn)高程,對測點(diǎn)垂直位移變化量進(jìn)行計(jì)算,其結(jié)果既包含測點(diǎn)在不同工況環(huán)境下產(chǎn)生的變形,也存在測量誤差的影響；假定測點(diǎn)第n期測量高程為Hn,高程精度為mn,第n+1期測量高程為Hn+1,高程精度為mn+1,測點(diǎn)垂直位移變化量HΔ及相應(yīng)精度mΔ,可由式(1)、式(2)進(jìn)行計(jì)算。

式中，HΔ為測點(diǎn)相鄰期垂直位移變化量,單位為mm；Hn、Hn+1為測點(diǎn)第n期、第n+1期的高程值；mΔ為測點(diǎn)垂直位移變化量的精度；mn、mn+1為測點(diǎn)第n期、第n+1期的測量精度。

按測點(diǎn)垂直位移變化量中誤差的兩倍作為極限誤差,對測點(diǎn)是否產(chǎn)生變形做出判定。當(dāng)HΔ≤2mΔ時(shí),即未超出觀測誤差范疇,表明測點(diǎn)相對穩(wěn)定,否則可認(rèn)為該測點(diǎn)存在變形現(xiàn)象。

依據(jù)測點(diǎn)變化現(xiàn)象、變形量之大小以及顯著程度等,對測點(diǎn)異常予以綜合判斷[9]。假使工程監(jiān)測出現(xiàn)異常或險(xiǎn)情,應(yīng)以快報(bào)或簡報(bào)形式予以迅速反饋[12-15]。

5 結(jié)束語

為進(jìn)一步完善工程外觀監(jiān)測工作,提高安全監(jiān)測作業(yè)效率,逐步實(shí)現(xiàn)工程外觀安全監(jiān)測的自動化與智慧化,對后續(xù)監(jiān)測工作提出如下設(shè)想:

(1)建議在原有監(jiān)測網(wǎng)的基礎(chǔ)上,以各管理處負(fù)責(zé)渠段為單元,視各部測點(diǎn)具體變形情況,增補(bǔ)諸如基巖標(biāo)等高規(guī)格水準(zhǔn)基點(diǎn),并形成局部區(qū)域性監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng),在日常監(jiān)測中如遇突發(fā)情況,可在較短時(shí)間內(nèi)完成復(fù)測與檢核工作,確保基點(diǎn)的正確性。

(2)建議組織管理部門、設(shè)計(jì)單位等相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員,將外觀監(jiān)測資料進(jìn)行匯總,通過對監(jiān)測成果的分析與梳理,結(jié)合設(shè)計(jì)允許值和實(shí)測變形數(shù)據(jù),給出工程各部穩(wěn)定形態(tài)的判斷依據(jù)和判定標(biāo)準(zhǔn),適時(shí)做出測點(diǎn)觀測周期頻次的調(diào)整,一方面有利于測點(diǎn)變形及發(fā)展趨勢的全面掌控,另一方面在同等監(jiān)測資源條件下可使其工作效能得到最大限度的發(fā)揮。

(3)工程監(jiān)測類水準(zhǔn)測量,有別于常規(guī)大地水準(zhǔn)測量,盡管它們在施測等級、測量精度、技術(shù)指標(biāo)等方面存在相同之處,但是在具體作業(yè)環(huán)境和成果性質(zhì)上存在明顯不同,故設(shè)想以水準(zhǔn)測量成果能否滿足相應(yīng)等級精度要求作為關(guān)鍵性控制性指標(biāo),通過實(shí)測數(shù)據(jù)的對比分析,驗(yàn)證觀測程序、作業(yè)方法、改正項(xiàng)修正等內(nèi)容考量對監(jiān)測成果的實(shí)質(zhì)影響及程度,進(jìn)而簡化水準(zhǔn)測量的外業(yè)要求,使優(yōu)化后的監(jiān)測作業(yè)更有利于數(shù)據(jù)的快速獲取和精度的提升。

(4)中線工程外觀監(jiān)測工作主要采用人工模式,因工程量大,數(shù)據(jù)采集歷時(shí)長,即便通過投入大量專業(yè)化隊(duì)伍完成全部測點(diǎn)的周期性觀測,也難以實(shí)現(xiàn)工程建筑物突發(fā)形變時(shí)機(jī)的精確捕捉與監(jiān)測信息的迅速反饋。為此急需加快自動化系統(tǒng)建設(shè),實(shí)現(xiàn)自動化、人工監(jiān)測的銜接,以保證數(shù)據(jù)采集的及時(shí)性。

(5)南水北調(diào)中線干線工程設(shè)有多個(gè)外觀監(jiān)測項(xiàng)目,隨著周期性監(jiān)測的不斷持續(xù),將積累了大量的監(jiān)測數(shù)據(jù),如何對海量監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行檢核存儲、查詢調(diào)用、關(guān)聯(lián)處理和統(tǒng)計(jì)分析,實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)異常評判與預(yù)警,對監(jiān)測人員來說是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。為此,有必要建設(shè)外觀智慧安全監(jiān)測管理平臺,提升工程外觀安全監(jiān)測的智慧化管理水平。