船闸工程安全监测及自动化研究

陈庆璋

摘 要：安全监测是船闸安全运行的重要保证，监测设计是船闸设计的重要组成部分。船闸是广泛使用的可航行建筑。目前，船闸安全监控主要是基于手动监测，没有自动监测。研究如何结合船闸工程特点实现船闸安全监测的自动化。

关键词：船闸;安全监测;自动化

船闸是一种箱式航行结构，利用船闸两端控制的水流来内灌、泄水，以提高水位，使船舶能够克服河道集中水位下降的问题。船闸通常布置在渠化工程平台上，并与泄水建筑物和河岸建筑物相结合。由于船闸通常是用相对低的水头设计的，而且水工建筑相对较低，许多水坝船闸工程的安全控制往往被忽视或根本不存在。但是，安全监测是确保船闸正常运作的重要保证。研究船闸工程安全监测的技术和设计十分重要。

1 安全监测目的

1.1 验证设计并指导构建

对船闸安全监测数据的分析有助于了解船闸的运行状况，并根据设计和实施计划提供有关正在运行的船闸的反馈信息，以验证和优化设计并指导实施。

1.2 长期监测船闸全运行情况

对工程进行实时安全监控，实时掌握各工作状态下的船闸运行状况，为船闸安全运行提供可靠的技术支持。

2 船闸特点及安全监测设计原则

2.1 船闸特点

船闸通常由头部、室、供水系统、闸门、阀门、引航道等组成，以及相应的设备。船闸的主要特点如下：（1）上下闸必须直接堵水。在上下游水头和墙后填土作用下，可能出现水平位移，两侧的墩可能变形;侧水头和墙后填土作用下，容易倾斜和变形。闸首侧墩的底部和闸室前趾可能由于变形而受到拉伸约束。如果闸首、闸室底板厚，则由于较大混凝土的热液作用，也可能会出现温度应力。（2）船闸易受过度和不规则沉积的影响。（3）在上游水头作用下，门闸首、闸室底部可能有渗漏。

2.2 安全监测设计原则

结合上述船闸特点，船闸安全监测的总体设计是：完善监测项目，重点监测关键部分，优化监测点数量，控制投资。船闸安全监控设计原则如下：制定必要的监控项目，监控船闸安全，掌握操作规则，指导实施操作和反馈设计。具体要求如下：（1）监测仪器设施的设计必须有明确的监测目标，与实际工作密切相关，强调、考虑到一体化和协调有关工作的设计。（2）仪器和设备必须耐用、可靠、实用和有效，设计先进，便于进行自动监测。

3 监测项目设置

3.1 监测变形

（1）监测水平移动。使用引张线自动监测船闸水平位移：引张线端点在上、下闸首边墩上建立工作基点，在两个工作基点之间建立钢丝作为基准线，位移标点为可以通过测量位移指示器相对于钢丝的位移来了解船闸的水平移动。（2）监测垂直位移。可以使用自动静力水准（其布局与引张线相对应，参照点为钢管标）监测船闸垂直位移。每个装置通过连接管连接，每个点的沉降通过改变每个装置的液位高度来测量。

3.2 监测渗漏和渗透压

（1）闸底板扬压力。扬压力对于船闸结构的抗浮稳定性至关重要，因此将渗压计放置在船闸底板下，以监测底板扬压力。（2）绕渗横向。在不同水位的情况下，钻孔埋设测压管在两侧翼墙后，监测护堤船闸侧向绕渗情况。在管内安装渗压计，对管内水位进行自动监测。（3）闸体扬压力。水进入闸体也会产生扬压力，影响闸道主体的应力分布。因此，有必要在制动装置中安装压力计，以监测扬压力。

3.3 应力监测

（1）混凝土应力。选择闸墩、底板及闸以监测混凝土应力。（2）钢筋应力。船闸底板承载量大，底板复杂，钢筋直径的钢筋计的选择应尽可能接近钢筋直径。如果不符合规格，则钢筋直径不应小于或大于2 mm。（3）土压力。在闸首边墩和闸室选择1～3个横断面，沿墙布置地面压力计和渗透压力计，每个断面不得小于3个测量点。（4）基底反力。在水闸底板下的地基土和压差计旁，埋设土压力计，监测底板的基础反应。（5）沉降联合监测。一般来说，大体积混凝土不是一次浇筑，而是分段分次浇筑，尤其是船闸底板、边墙、边墩等的浇筑由于厚度大、高度大，一般采用分段分层浇筑至顶部。因此，浇筑部位暴露时间长，温度低，由于混凝土的水化热，浇筑部位温度高，形成两块之间的温差，从而引起不同的变形。这就需要我们在接头处安排一个接头测量仪来观察。

3.4 观测水位

为实现水位自动观测，水位计设置在上、下游引航道翼墙和闸室壁上，监测上下水位变化。

4 安全监测技术

4.1 监测外部变形

对船闸外部变形的监测包括水平位移监测和垂直位移监测。水平位移监测可以通过引张线法、视准线法、激光准直法、交会法进行。垂直位移监测可使用精密水准法、静力水准法进行测量。水平移动工作点和工作点的稳定性无法保证。因此，建议不要使用边角网做为参考点，并使用倒垂线。垂直位移的参考点可在水坝下游1至5公里处标记双金属。然而，在方案执行过程中，验证基准的工作非常繁重。因此，建议将标高基点与垂直线合并，以设置双重翻转标记。上下阀起点一侧的边墩上可安装倒垂线，另一侧的墩上可安装工作基点。将距离方法与相对的垂直线进行比较，以形成两条引张线。

4.2 监测内部变形

内部变形监测包括结构基底岩石变形和结构间的相对变形。基岩变形通常由多点位移计数器监测。根据工程地质条件，检查点应位于有断层、裂缝和夹层的构造区域，监测位置应根据结构顶部的荷载分布和地质发育不良情况确定。

4.3 监测渗流

应根据建筑物类型、工程范围和地质条件安排渗漏监测。建议采用基岩沉陷计划。船闸地基渗漏监测横断面以横断面为主。设置1个监测断面在上、下闸首断面。

5 自动化监测系统

5.1 仪器监测

根据船闸的特点，自动监测仪应有灵敏度高、稳定性好、测量范围小、对环境无影响等特点。

5.2 数据采集设备

数据采集装置是自动安全监控系统的关键设备，是数据采集网络的节点设备。它由密封机箱、智能数据采集模块、蓄电池、手动比较模块和防雷防护模块组成。数据采集装置应具有测量控制、显示打印、查询测试和系统性能监控等功能。

5.3 通信网络

采用光纤通信方式，具有远距离传输、防雷、性能稳定性等特点。

5.4 监测主机、数据采集软件和数据管理软件

在项目规划中心控制室安装监控主机（工作站），接收所有数据采集设备的监控数据，分别安装数据采集软件和数据管理软件，对计划采集、数据存储等任务进行自动报警。

6 结束语

与大坝安全监测相比，大坝建设规模较小，监测项目较少。因此，目前的船闸设计标准没有规定对船闸安全进行自动监测。然而，随着船闸结构变得越来越复杂，投资越来越多，计算机、硬件、软件和通信技术也在不断发展，越来越多的人开始在船闸建立自动化安全监测系统。同时，如果在设计阶段将其纳入项目自动监测系统，将更有利于项目的实施和安全监测技术的发展方向。船闸工程安全监控自动化可以提高工程观测的及时性、准确性和科学性，更好地为国民经济服务。

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