南水北调中线工程梁式渡槽挠度监测方法

易绪恒

（河南省南水北调中线工程建设管理局，河南 郑州 450000）

南水北调中线工程梁式渡槽挠度监测方法

易绪恒

（河南省南水北调中线工程建设管理局，河南 郑州 450000）

文中结合南水北调中线工程梁式渡槽二次充水试验监测过程，介绍了水准法和钢尺收敛法在渡槽挠度监测中的原理、观测精度及成果分析。同时，提出了钢尺收敛法三角形测线分布的方法，以提高其监测精度和适用性；通过工程实践分析得知，两种监测方法对渡槽挠度的监测都是可行的，建议南水北调中线工程运行期挠度监测采用水准法。

挠度监测；渡槽；水准法；钢尺收敛法

1 概 况

对于挠度的监测，国内外已做了大量的研究和工程实例，但大都是应用于在桥梁的挠度监测中，大型渡槽的挠度监测研究和工程实例较少。结合南水北调中线工程大型梁式渡槽充水试验安全监测工程实例，对梁式渡槽的挠度监测方法进行探讨和研究。所监测的梁式渡槽为双幅2跨布置，每跨长30 m，简支梁型式、三向预应力矩形槽，单槽断面内净尺寸为13 m（宽）×7.39 m（高）。槽身段设计水深6.35 m，加大水深7.05 m。渡槽充水试验工况为：用时11 d，充水至加大水位并停止充水进行观察。观察1个月后开始放水，用时10 d放水结束。

渡槽充水试验是保证正常通水前的试通水，要求对结构的安全性、稳定性及充水效果等进行全面的检查，同时对设计的理念也是一个初步的验证，目的是确保渡槽运行安全。在充水试验过程中，对梁式渡槽最主要检验的指标之一就是渡槽挠度监测，其监测结果可以直接和设计值相比较，以验证设计。

2 挠度监测方法概述

挠度是指建(构)筑物或其构件在竖直方向上的弯曲值，它直接反映了其竖向的整体刚度。渡槽的挠度变化与渡槽通水安全息息相关，根据挠度监测所得测值，即可绘出挠度变形曲线，从而可以判断出渡槽各点变形量是否超出设计容许值。挠度，因其特有的直观性成为了渡槽安全状况评价的重要参数之一，对渡槽进行挠度监测有着重要的现实意义。

传统挠度监测方法可分为自动化和非自动化监测方法两类。非自动化监测方法主要指的是水准高程法，自动化监测方法主要有机器人监测法、倾角仪法、激光投射法、GPS法和连通管法等。

考虑到时间、成本、精度、后期维护等因素，对槽体单跨纵向挠度的监测，此次渡槽充水试验选用了水准法；结合渡槽本身结构特征，槽体底部横向的挠度采用了多应用于隧洞或矿山开采侧墙之间或拱顶与底板之间距离微小变化的钢尺收敛法进行监测；将两种方法监测成果进行对比分析，以确保挠度监测数据的准确可靠。

3 挠度监测原理及测点布置

3.1 水准法原理及测点布置

1）水准法原理

水准法是使用DS05级电子水准仪和铟钢尺等仪器，采用一等水准观测方法对渡槽槽体顶部布设的监测点进行水准高程测量，由高程变化情况反映挠度变形。水准法主要有精度高，结构简单的优点。

2）误差来源

水准法测量误差来源主要有仪器误差、观测误差和外界条件的影响等。仪器误差包括视准轴误差、水准尺误差，视准轴误差在观测时通过前后视距相等来减弱，水准尺误差通过偶数站上点消除；观测误差主要包括水准仪气泡居中误差和水准尺的倾斜误差，这些误差测量人员认真仔细可以消除；外界条件误差主要是大气折光和温度影响，为了减弱垂直折光对观测高差的影响，使前后视距尽量相等，并使视线离地面有足够的高度，在坡度较大的水准路线上进行作业时适当缩短视距。此外，应选择有利的时间，一日之中，上午10时至下午4时这段时间大气比较稳定，便于消除大气折光的影响，但在中午前后观测时，尺像会有跳动，影响读数，应尽量避开这段时间，阴天、有微风的天气可全天观测，在阳光强烈水准测量时，注意撑伞遮阳。

3）测点布置

在双幅2跨的各槽体左侧墙顶部两端，以及1/4，2/4，3/4槽体处安装布设5个水准点，共计20个测点，共同监测渡槽充水试验各槽体的挠度变化。

3.2 钢尺收敛法原理及测点布置

1）钢尺收敛法原理

收敛计是常用来测定隧道巷道硐室及其他工程围岩壁面上任意两点间的距离变化 (即收敛值)的量测仪器。它是通过量测两固定点间距离并比较在不同时间的变化来实现，其工作原理均是给钢尺施加一个恒张力，大尺寸直接从钢卷尺上测读，微小变化量则从位移百分表上读出。

渡槽挠度监测为监测槽体在竖直方向上的弯曲值，本次充水试验在槽体底部测点下方河滩地面上浇筑1 m深混凝土墩并安装相应收敛测点，假定地面上测点竖向方向固定不变，监测两侧点的收敛值即为槽体底部测点的竖向变化值来计算槽体的挠度。测量过程中利用水准仪校核地面上测点的沉降变化，当发生沉降时，槽体收敛值应扣除地面测点的沉降值。

2）误差来源

收敛法误差来源主要包括温度误差、恒定张力控制误差以及仪器自重误差等。温度误差主要是由于钢尺的热胀冷缩特性引起，每次测量时须监测环境温度，通过温度修正进行消除；恒定张力控制就仪器本身而言是稳定的，但由于渡槽挠度监测为野外测量，当钢尺面受到风等横向荷载的情况，张力控制就会受到影响，为免除这类误差，需选择在无风的情况下进行测量；在测量水平或倾斜收敛值时，仪器自重会引起一定的误差，渡槽挠度测值为竖向收敛值，没有仪器自重误差。

此次充水试验渡槽挠度监测选用的钢尺收敛计为GK～1610，测量精度为0.01 mm,恒定张力为10 kg。

3）测点布置

在上游槽体左跨跨中底部横向均匀布设5个测点，在上游槽体右跨、2号槽体左、右跨中底部横向均匀布设3个测点，以及在测点下部河滩地上对应设置收敛测点，共布设14对。槽体底部收敛测点采用膨胀螺栓固定安装，河滩地上收敛测点采用现浇混凝土墩，墩上打膨胀螺栓固定安装。收敛测点的布设位置利用GPS施工放样。

3.3 槽挠度计算方法

渡槽槽体结构跨中挠度为f，其几何意义见图1。充水试验期间，水荷载施加后渡槽监测断面A、B、C各点位移增量，通过水准测量槽体顶部垂直位移测点和钢尺收敛计量测收敛点获取。水荷载引起的挠度按下式计算：

式中：δf与荷载增量对应的挠度增量，mm；δ▽A与荷载增量对应A点沉降增量，mm；δ▽B与荷载增量对应B点沉降增量，mm；δ▽C与荷载增量对应C点沉降增量，mm。

图1 梁式渡槽槽体跨中挠度计算示意图

4 观测成果分析

4.1 槽体顶部水准测点挠度监测成果

充水到达加大水位时槽体顶部水准测点观测值见表1。

由挠度计算公式（1）计算得槽体顶部4组挠度测点监测结果，见表2。

表1 渡槽槽体顶部加大水位时挠度测点观测值

表2 渡槽槽体顶部加大水位时挠度变化情况表

4.2 槽体底部收敛测点挠度监测成果

在充水过程中，由于防洪度汛要求，渡槽下方河流过水，所布置的收敛测点受到扰动破坏，没有测到放水后的收敛变形值，最终仅获取上游槽体左幅5对收敛测点充水期间的测值，5对测点充水期间的测值曲线见图2。加大水位时测点观测值：测点1～5.19 mm，测点2～7.38 mm，测点3～8.88 mm，测点4～7.38 mm，测点5～5.89 mm。其中测点1～5均匀分布在上游槽体左幅跨中底板，测点1和5为槽体底板端点，测点3为槽体中心点，由上节挠度计算公式（1），计算得上游槽体底板在最大水位工况下挠度变形值为3.34 mm。

图2 渡槽槽体底部收敛测点测值曲线

由图2看出，随着充水水位的升高，槽体底板的收敛测值逐渐增大，在充水至加大水位后挠度测点测值到达最大，放水后测点测值逐渐减小，放空后挠度变形基本归零，监测结果符合渡槽充水期间变形规律，表明钢尺收敛法监测渡槽底板挠度是可行的。在充水试验监测过程中，收敛法地面埋设测点受环境影响较大，不适宜长期监测，工程运行期监测不建议采用钢尺收敛法。根据硐室内收敛监测布设测点经验，可在渡槽下部墩台上安装收敛测点，形成三角形测线分布，如图3，可以避免收敛测点被损坏干扰的影响，在今后的渡槽挠度监测中可以进行尝试。

图3 槽体底板收敛测线布置示意图

4.3 监测成果分析

充水试验期间，渡槽充水至加大水位时槽身顶部水准测点挠度测值为：上游槽体左幅1.25 mm，上游槽体右幅 1.16 mm，下游槽体左幅1.15 mm，下游槽体右幅0.77 mm。槽身顶部最大挠度变形发生在上游槽体左幅，测值小于设计值8 mm。 槽体顶部左幅挠度略大于右幅，上游略大于下游，各部位挠度测值差别在1 mm内。

充水试验期间，渡槽充水至加大水位时上游槽体左幅底板收敛测点挠度测值为3.34 mm，小于设计值8 mm，挠度测值随充水水位变化同步变化，符合渡槽充水工况下渡槽的变形特性。

渡槽槽体底板挠度测值大于顶部测值，符合渡槽挠度变形的一般规律。

5 结论与建议

通过监测原理及成果分析，水准法和钢尺收敛法在渡槽挠度监测中，能够反应渡槽在充水条件下的实际变形情况，两种方法对南水北调中线工程大型渡槽进行挠度监测是切实可行的。

此次充水试验在槽体顶部水准测点用于监测槽体顶部纵向挠度变形，槽体底部收敛测点用于监测槽体底板横向挠度变形，虽然成功监测到相应部位的变形值但两者变形相关性较小，建议在今后的试验研究中增加槽体底部纵向挠度变形监测，以对比分析槽体顶部与底部挠度变形的相关性规律，为今后的渡槽设计、施工提供经验参考。

挠度监测结果小于设计值，渡槽在充水试验工况下变形在允许范围内，测值变化符合渡槽充水工况的变形特性，挠度监测验证了设计。

水准法稳定可靠，适用于南水北调中线工程在运行期的渡槽挠度监测；钢尺收敛计由于测点埋设及观测方法限制，测点易被破坏和干扰，不适用通水后运行期的挠度监测。但由于其测量方法较水准法挠度监测更简单、便携，根据硐室内收敛监测经验，建议在渡槽下墩台上安装收敛测点，形成三角形测线分布以避免收敛测点被破坏和干扰，在今后的渡槽挠度监测工作中可以进行比对监测。

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2016-05-26