引输水隧洞和管线工程安全监测设计

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（辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁沈阳 110000）

0 引言

随着我国经济社会发展进入新阶段，水资源时空分布不均匀成为社会、经济、环境发展的重要制约因素之一，全国各地陆续建设多项重大引水、供水工程，如云南省滇中引水工程、吉林省中部城市引松供水工程、陕西省引汉济渭工程等。这些工程均由多种构筑物构成，一般主要包括有压隧洞、无压隧洞、隧洞进出口构筑物、管线、溢流构筑物、检修井等，具有工程总体规模巨大、单线工程长、沿程构筑物多样化、穿越地质情况复杂多变等特点。

1 工程安全监测必要性

1）长距离大型引输水隧洞和输水管线工程为典型的线性串联工程，不同构筑物的运行状态直接影响整个工程的运行，工程运行调度复杂，因此有必要对工程各个阶段进行安全监测，以了解和掌握工程沿线构筑物在不同阶段的运行状态，并对构筑物未来一段时间的运行状态，作出一定的预测，为工程运行决策提供参考。

2）长距离大型引输水隧洞和输水管线工程监测均为原型监测，我国目前建成运行的长距离大型引输水隧洞和输水管线工程较少，通过对原型监测数据反演分析等，可以验证设计理论，提高设计水平，优化设计方案，为类似工程设计提供参考。

2 监测断面的布置及监测项目

2.1 引输水隧洞监测

隧洞作为长距离引输水工程的重要组成部分，是安全监测的重点对象。一般选择对隧洞衬砌结构、外水压力、水力学等方面进行监测。结构、外水压力监测断面一般布置在大断层、软弱岩层、浅埋、地下水丰富、穿越铁路等部位，并结合监测数据采集站进行综合考虑，以减少监测仪器和土建工程施工的相互影响。水力学监测断面一般布置在隧洞沿程构筑物、永久支洞主支交叉等部位。

隧洞监测项目一般包括施工期收敛监测、衬砌混凝土的应力应变监测，重要部位的锚杆应力、锚索应力监测，外水压力监测，沿程压力水头或水面线监测、库水位监测等，其中外水压力监测可结合固结灌浆深度分层布置，以更好地了解固结罐浆效果和衬砌周边渗流情况。也可根据工程需要监测衬砌和岩石接触缝、岩石作用在衬砌上的土压力等。

2.2 引输水隧洞构筑物监测

引输水隧洞构筑物监测断面一般布置在结构受力复杂部位、受外水压力或土压力较大部位。

隧洞构筑物监测项目一般包括结构混凝土的应力应变监测、外水压力监测、土压力监测、底板扬压力监测等。

2.3 输水管线监测

对于采用PCCP管道的输水管线，监测断面可结合水平镇墩布置，一般布置在转角较大、水平推力较大、管线坡度较大、地基承载力较低、地下水位较高等部位的水平镇墩处。

监测项目一般包括镇墩位移监测、PCCP管道承插口变形监测，也可根据工程需要对管道接触缝变形进行监测或选择部分监测镇墩进行镇墩混凝土的应力应变监测等。

2.4 输水管线沿程构筑物监测

管线沿程构筑物种类较多，一般选择对隧洞、连接井、溢流井及空气阀井进行安全监测设计。隧洞结构监测断面布置及监测项目同2.1节所述。

连接井、溢流井、隧洞作为管线输水系统的重要水力节点，对输水系统平稳水压、控制水流具有重要作用，因此选择对连接井、溢流井、隧洞进出口水位进行监测，以及时了解管道水压变化。

空气阀井作为输水管线排气进气的通道，对管线的安全运行至关重要，严寒地区应选择位于地面起伏差较大部位空气阀井，进行温度监测，以随时了解空气井内温度，防止发生冻结现象，影响管道排气进气。

3 监测仪器的选择

1）监测仪器信号传输距离较短的监测断面。对于到监测数据采集站距离较短（一般为200～500 m）的监测断面，如工程沿程构筑物附近监测断面、永久支洞口附近监测断面、隧洞打孔上引监测断面、水平镇墩监测断面、连接井水位监测断面等，一般采用振弦式仪器、差动电阻式仪器等即可满足仪器信号传输要求和监测断面对仪器的要求。

2）监测仪器信号传输距离较远的监测断面。长距离大型引输水隧洞部分监测断面传输距离可能较远，一般为几公里至十几公里，对于这种信号传输距离较远的监测断面，目前已有少量水利工程采用光纤光栅式仪器进行监测。光纤光栅式仪器具有传输距离远，仪器之间可串联、并联，可高频采集等优点，目前多采用4～5支仪器进行串联或并联，既可有效减少主干光缆芯数，又可防止接头过多导致光损较大，影响信号在监测仪器和数据采集站之间的传输。

光纤光栅式仪器在隧洞监测中既可满足信号远距离传输要求，又可通过仪器的串联、并联减少尾缆芯数，多个监测断面共用一根主干传输光缆，从而减少传输光缆的芯数和采集设备的通道数，并可实现信号传输光缆冗余设计和光纤光栅式监测仪器与采集设备之间的双回路连接，提高现场监测系统的设计保证率。

传输光缆可通过在隧洞衬砌底部设置光缆沟铺设或在衬砌底角处预埋硅芯管，设置手孔来铺设。

4 监测自动化系统建设

长距离大型引输水隧洞和输水管线工程安全监测自动化系统多采用分布式系统，监测信号通过监测数据采集站采集传输到监测总站。

4.1 监测数据采集站位置的选择

隧洞部分监测数据采集站可以根据监测断面布置，设置在沿程构筑物启闭机室内、永久支洞洞口；对于信号传输距离较长的监测断面，若埋深较浅且交通便利，有网络或移动通信信号（GPRS/4G），也可通过打孔上引的方式在隧洞上方设置监测数据采集站。

管线部分构筑物种类较多，监测断面分散，监测数据采集站，一般设置在构筑物监测断面附近。

4.2 信号传输方式的选择

监测数据采集站和监测总站之间的通信传输，对于封闭性和安全性要求较高的工程可以自建光缆进行通信传输，一般情况下通过租用光缆进行通信传输，也可通过卫星信号或者移动信号进行通信传输。监测数据采集站，若设置在闸门启闭机室，可通过光缆进行通信传输；监测数据采集站若设置在永久支洞口、隧洞上方（打孔上引断面）和管线构筑物的数据采集站一般均通过移动信号进行通信传输。

4.3 监测总站

监测总站一般设置在工程信息自动化控制中心，为工程综合自动化系统的组成部分。主要由硬件设备和软件系统组成。硬件设备一般包括管理工控机、数据库服务器、应用服务器、网络设备等，软件包括系统支撑软件和应用软件。

4.4 供电电源

对于有供电条件的监测数据采集站，可以采用220 V电源；对于供电困难的监测数据采集站，可以根据设备功率选择合适的太阳能电池作为电源进行供电。

5 结语

文中较为详细的介绍了长距离大型引输水隧洞和输水管线工程的安全监测系统设计，包括工程沿程构筑物监测断面位置及监测项目选择、监测信号传输距离不同对监测仪器的选择，监测数据采集站的位置选择及其和监测总站之间的通信方式选择、监测总站自动化系统的建设，其中，特别介绍了光纤光栅式仪器在隧洞远距离监测断面上的应用，可为类似的大型引输水工程和输水管线工程安全监测系统设计提供借鉴。

［1］朱化广，何利华.山西省万家寨引黄工程安全监测设计［J］.水电自动化与大坝监测，2005，29（1）：47-48，84.

［2］张颖军.长距离输调水工程安全监测设计问题探讨［J］.水科学与工程技术，2009（6）：64-66.