鄂北地区水资源配置工程外观监测设计与变形分析

何婵军 付宁波

（1.湖北省水利水电规划勘测设计院 湖北武汉 430064；2.江西省测绘成果质量监督检验测试中心 江西南昌 330209）

1 引言

鄂北地区水资源配置工程（以下简称鄂北工程）采用3根DN3800mm的PCCP管并排同槽埋设，管内直径3.8m，三根管道中心距为6.1m，管间净距1.6m，两侧管外宽度均大于0.8m，开槽底宽18.4m。管道铺设在未经扰动的原状土地基上，管道顶部以上埋深约3.0~5.0m，基坑深6.0~9.0m，建基面高程随地形起伏变化而变化。渠道基坑开挖临时边坡以坡高小于10m的中等边坡为主，局部为高边坡。为及时获得施工过程中建筑物的性状，保证施工安全，提高施工质量，需对重要建筑物较全面系统的监测，通过分析监测资料，及时准确地掌握重要建筑物各阶段的工况，作出正确评价，对未来运行状态进行预报，确保工程安全运行，充分发挥工程效益。

本文以位于襄阳市黄集镇桩号55+181~60+181段的生产性试验项目为研究主体，从外观监测内容、实施方案、数据分析等方面进行探讨，积累了一些具有参考价值的经验方法。

2 外观监测方案设计

2.1 监测内容及方法

外观监测内容主要包括：管道施工期沉降变形监测；镇墩、进排气阀井、放空阀井沉降变形监测；典型镇墩沉降、水平位移监测。

结合鄂北工程监测要求精度高、安全可靠的技术要求，实验段的管道及管线建筑物沉降的变形采用二等精密水准网要求施测，每公里水准测量的偶然中误差不应大于1.0mm，全中误差不大于2.0mm；典型镇墩的水平位移监测采用视准线法中的小角法，水平位移观测墩的对中盘中心不得偏离视准线20mm及偏角不大于30″，测角精度需优于1″。本方案设计采用Leica DNA03电子水准仪和Leica TCA2003全站仪分别进行水准测量和小角法测量，完全能满足设计需要。

2.2 监测网点布设

2.2.1 沉降变形监测网

沉降变形监测网分三层布设：

（1）水准基准点的布设。本工程采用国家统一高程进行沉降监测，选择线路附近2个或2个以上的一等水准点作为整个沉降变形监测网的高程基准。

（2）沉降位移工作基点的布设。根据监测点的设计桩号及地形特征，在监测点附近或观测有利地形位置布设1~2个工作基点，以附合线路的形式将沉降位移工作基点联测到水准基准点上。

（3）沉降点的布设。每隔700m布置1个沉降监测断面，每个监测断面在左、中、右管道各布置1个沉降测点。一般以附合线路或闭合线路联测至附近沉降位移工作基点上；在联测困难情况下，在监测点附近布设临时沉降位移工作基点，以附合线路形式将临时沉降位移工作基点联测至沉降位移工作基点，以水准支线将沉降观测点联测至临时沉降位移工作基点，沉降变形监测示例网见图1所示。

图1 沉降变形监测示例网

2.2.2 水平位移监测点

典型镇墩的水平位移监测点采用观测墩形式布设，墩面设置强制归心对中盘，为保证水平位移观测墩的对中盘中心偏离视准线≤20mm及偏角≤30″，水平位移观测墩的埋设分以下四步进行：

（1）确定视准线。在埋设水平位移观测墩前，需在监测断面两端布置工作基点观测墩，工作基点观测墩的对中盘中心所确定的视线即为视准线。

（2）确定水平位移观测墩基座位置。按设计要求，在镇墩顶部三根PCCP管位置布设水平位移观测墩。根据已确定的视准线，利用全站仪或经纬仪配合圆棱镜的方式使观测墩的中心位置尽可能地处于视准线上，并做好标记。以标记位置为中心，按照设计尺寸浇筑观测墩基座。

（3）浇筑墩柱。再次利用全站仪或经纬仪配合圆棱镜的方式确定墩柱中心位置，并做好标记。以标记位置为中心，按照设计尺寸浇筑墩柱，浇筑高度至设计高度约20cm。

（4）安设强制归心对中盘。墩柱基本凝固稳定后再安设对中盘，在两工作基点上分别架设全站仪和觇牌，确定视准线方向后固定全站仪水平罗盘，同时水平位移观测墩对中盘中心安设简易觇牌，边浇筑混凝土边调整对中盘中心位置直至偏距满足设计要求。在对中盘凝固过程中，利用视准线多次检查对中盘偏距及偏角，以便在凝固前能及时进行调整纠正。

2.3 外观监测实施

2.3.1 沉降变形监测

沉降变形监测采用国家二等水准测量进行观测，各项精度指标和技术要求参考《国家一、二等水准测量规范》（GB/T 12897-2006）、《土石坝安全监测技术规范》（SL 551-2012）、《混凝土坝安全监测技术规范》（SL 601-2013）执行[1][2][3]。 针对观测实施过程中遇到的多个难点问题，通过多种方案的尝试比较，获得了一些具有参考价值的实践经验。

（1）高陡边坡的上下转站问题。由于管槽深6.0～9.0m，坡度比小于1:1，且坡壁光滑，在进行管道临时沉降点观测时上下沟槽是一大难点。经实地查勘，发现覆土管道的桩号位置坡道较平缓，通过多个位置实践作业，均可成功上下沟槽。

（2）观测阶段的选择问题。PCCP管一般经历：初安装、开始覆土、覆土结束、注水打压试验、通水运营等阶段，选择地基荷载变化的节点进行沉降变形观测，能及时准确地发现管道及地基的沉降情况，作出正确评价。

（3）观测环境的选择问题。施工现场变化复杂，各种机械、车辆的碾压振动会严重影响观测精度及成果可靠度。选择合适的水准线路，避开地面振动较大和车辆往返频繁区，能有效提高观测精度和作业效率。

（4）管道上的转站问题。由于管顶为弧状，若迁尺员和观测员均处于同一根管道上，不仅对观测效率产生一定程度影响，而且人员、仪器安全得不到保障。采用“观测员处于中间管道、两迁尺员前后分别处于两侧管道”的方式既能提高观测效率、又能有效降低安全事故的发生。

（5）不利天气条件的应对问题。高陡边坡区域风力大小不一、阳光直射度时强时弱，观测中视线刻度会产生不同程度的抖动。首先选择风力相对均匀、光线相对柔和的水准线路，其次增加每个记录读数的次数并取均值。

（6）观测规律问题。每次观测应尽量选择同一水准线路、同一观测者、同样观测时间段和天气、固定的立尺和测站点，使每次观测的系统误差一致，能提高变形监测成果的可靠度[4]。

2.3.2 水平位移监测

水平位移监测采用小角法方法实施，小角法测量偏离值见图2所示，图中AB为工作基点确定的视准线，i为观测点，水平距离Si首次观测后作为常数供每周期使用，根据规范中水平位移中误差限差2mm的要求，结合本工程的技术特点，设定偏角αi观测方案见表1。

图2 小角法测量偏离值

表1 偏角αi观测方案

各测回使用同一个度盘分划线。为提高观测精度及可靠度，可分别在两工作基点上设站进行偏角观测，再取加权平均值。偏差计算公式△i及加权平均值计算公式见式（1）、式（2）。

3 数据分析与成果提交

3.1 数据分析

（1）每次监测结束后，以基准点或视准线为已知点（基准）进行平差、计算获取监测点的高程值或偏离值。

（2）每次监测前，首先根据监测点所受荷载、环境变化等因素对变形量大小、速率进行预先判断，再通过观测结果检验预判的正确性。如一致，继续分析变形内在因素；否则检查分析观测数据的正确性，确认无误后再分析变形因素，并对后期准确预判提供指导性意见。

（3）设置安全等级。根据变形允许值d限，将d限/3、2d限/3、d限分别设定为安全、预警、危险三个层次的上限值。根据观测结果给出相应的安全等级。

（4）每个监测点的观测成果构成时间序列，绘制变形过程曲线并作分析，对每个断面上的3个点和相邻断面点可作比较和相关分析。对变形较大或超过允许值的点，分析变形原因，及时汇报上级部门，为设计和施工提供决策依据。

取桩号59+504断面点下沉曲线图说明，见图3所示。断面上的3个监测点编号为GD11、GD12、GD13分别位于左、中、右管顶（规定以顺水北方向为左）。前三次观测累积沉降量小于1mm，第4次观测时沉降量骤然变大，中间管道沉降点GD12达到14mm。根据现场观测发现：此次观测前经历了几场暴雨，雨后又回填了大量土，可能是由荷载突然加大、地基积水造成。目前变形已超过预警值，已及时上报相关部门。

图3 桩号59+504断面点下沉曲线图

3.2 成果提交

监测单位应在每次观测结束后24小时内提交本次观测成果（本次变形量、累积变形量）和简单的分析报告。每半月至少提供一次在此期间的观测成果，包括：变形量、累积变形量、变化曲线图、原始观测成果表和变形分析报告。并在所有观测结束后提交完整的监测报告，包括：变形监测技术报告、基准点网和监测点平面位置示意图、各监测点的高程或偏离值、过程曲线和变形分析等。

4 结束语

本文从外观监测的实施方法、使用仪器、外业施测、成果提交等方面作了全面系统介绍，采用的方法和积累的经验可供其它标段的监测工作参考借鉴。目前鄂北工程已全面建设启动，生产性试验项目的成功实施对后续工作的全面开展具有重要指导意义。

参考文献：

[1]中华人民共和国水利部.SL 601-2013，混凝土坝安全监测技术规范[S].北京:中国水利水电出版社，2013.

[2]中华人民共和国水利部.SL 551-2012，土石坝安全监测技术规范[S].北京:中国水利水电出版社，2012.

[3]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 12897-2006，国家一、二等水准测量规范[S].北京.中国标志出版社，2006.

[4]张正禄，孔宁，沈飞飞等，地铁变形监测方案设计与变形分析[J].测绘信息与工程，2010，35(6):25-27.