输水隧洞测试仪器的布置研究

胡彦高

(华北水利水电大学 土木与交通学院，河南 郑州 450046)

0 前 言

我国国土面积辽阔，地形结构复杂，水资源时空分布不均，为调节水资源的使用，国家陆续修建了多项跨流域调水工程，这些调水工程中输水隧洞是重要组成部分。在输水隧洞建设过程中，工程人员常常会在其结构中埋设大量测试仪器设备，为了对输水隧洞结构的测试仪器布置做深入研究，本文对其布置的意义、现状作总结分析，并提出相应的建议。

1 测试仪器布置的意义

输水隧洞在设计、施工阶段均有相关规范，但设计时考虑的工作条件与实际情况难以完全相同，施工质量可能不尽完美，同时结构在运行中可能会遇到一些不利情况。基于此，总结输水隧洞布设测试仪器的主要意义如下。

1)从输水隧洞结构安全角度考虑，其所处环境复杂，建设周期相对较长，投资造价较高，通过测试仪器可以实时采集结构信息，及时发现结构的安全隐患，保证输水隧洞的正常运行，避免国家财产的损失和安全事故的发生[1]。

2)从输水隧洞结构本身出发，通过测试仪器可以读取不同时期、不同工况下结构的相关参数，对采集的数据处理分析，可以随时掌握隧洞结构的受力变化规律，指导日常的运行管理，提升输水隧洞的综合效益。

3)从输水隧洞结构理论设计及优化方面考虑，通过测试仪器反馈的结构参数信息，可以验证输水隧洞结构的理论设计，检验施工质量，完善理论方法，进一步优化输水隧洞的结构形式、施工工艺等[2]。

2 测试仪器布置的现状

2.1 测试仪器分类

随着科学技术的发展，针对输水隧洞工程而言，常把机械式、电阻式或振弦式传感器称为传统类测试仪器，新式测试仪器则以光纤式传感器为代表。前者一般在离散的点上布置，成本相对较低，但是也存在精度不高、安装繁琐、易失效等缺点。后者的优势在于可以获取沿线连续点的响应参数，抗干扰性强，但成本相对高，若大批量使用时，不仅工程造价较大，而且在施工阶段必须严格保证不被破坏。

2.2 监测项目

输水隧洞衬砌的主要监测项目有混凝土应变、钢筋应力、温度、缝隙、渗流压力、接缝等，为了更加全面地监测输水隧洞的结构信息，监测项目也可扩展到水位、水温、流量和气压等。若输水隧洞结构形式为预应力混凝土衬砌，尚需对预应力筋的有效应力进行监测。上述提及的监测项目，所对应的传统类测试仪器主要有应变计、钢筋计、无应力计、测缝计、渗压计和锚索测力计等[3]。

关于隧洞结构监测项目的选取及测试仪器的布设可以查阅的相关规范有《水利水电工程安全监测设计规范》(SL 725—2016)[4]、《水工隧洞安全监测技术规范》(SL 764—2018)[5]。但是这些条文只是针对监测项目、仪器安装等方面作了一些指导性的规定，并未给出具体而详细的测试仪器布置方法，再加上实际工程的地质条件和结构特点各异，工程人员对规范的理解深度及执行力度不一，很容易造成隧洞的测试仪器布置的多样性，增加人为不确定因素。

2.3 实际工程应用

以南水北调中线穿黄输水隧洞为例，简要介绍其测试仪器的布设方案。该隧洞位于河南省郑州市，是南水北调中线标志性工程，为双洞布置，上、下游段的测试项目基本相同，测试仪器总数2 000余个，以上游隧洞为重点监测对象。隧洞共设置200余个渗压监测断面，在每个断面的内衬底部安装1支渗压计；共设置环向断面14个，每个断面分别安装钢筋计7支、应变计8支；预应力内衬中共安装10根锚索布设测力器；同时安装的还有测缝计、流量计等其他测试仪器[6]。上述仪器的安装位置的原则大多是按照仪器数量在相应截面内均匀布设的。

此外，在杭州千岛湖配水工程等项目中采用了光纤类测试仪器，实现半自动化数据采集工作，提高了测试成果的准确度和可靠度[7]。目前传统类和光纤类测试仪器均已在实际工程项目中使用，并起到重要作用，但总体来看采用传统类测试仪器的已建工程较多。

参考穿黄隧洞，结合其他输水隧洞工程可以看出，一般输水隧洞工程量大，需要布设大量的测试仪器，其数量越多采集的结构信息就越多，结果也越准确。然而测试仪器数量的增多，会消耗大量的人力、物力和财力，也会形成海量数据，增加工作量。因此，对于输水隧洞而言，综合考虑各方因素，为充分发挥每一个测试仪器的作用，需要对输水隧洞结构的测试仪器布置方法作研究分析[8]。

3 测试仪器布置的建议

测试仪器布置在输水隧洞中的具体位置和数量是需要着重考虑的两个方面。基于隧洞工程测试仪器布置的现状，结合当前测试仪器的种类和优缺点，提出以下建议。

3.1 测试仪器布置应紧密结合有限元分析结果

对传统类测试仪器而言，其安装的位置、数量是需要与输水隧洞本身的规模、受力特点相匹配的，在编制测试仪器布设方案时，需要关注的是如何科学地把仪器安装在恰当的位置处。因此，建议在确定测试仪器布设的位置时需要紧密结合有限元的计算结果，通过对有限元模拟结果的总结分析，运用恰当的数据处理方法，合理选取具有特征性的测点位置。一般可根据有限元模拟结果，基于结构安全监测或内力变化规律研究的目的，针对不同的监测项目，首先在纵向上确定监测断面的位置和数量，然后确定截面环向的仪器布设位置和数量。由此可以避免测试仪器安装的盲目性，使一个测点承担多重监测项目的效果，以达到测试仪器优化布置的目的。

3.2 “光纤类+传统类”组合式布设方案

光纤类测试仪器经济成本高，大体量工程全部采用光纤类测试仪器并不常见。因此，建议充分发挥光纤类和传统类测试仪器的优势，在输水隧洞测试仪器的布置中可以采用“光纤类+传统类”组合式方案，即在复杂监测断面或重点部位运用光纤类测试仪器，其他辅助断面运用传统类测试仪器，或者灵活搭配二者配套使用。采用此类组合式方案，与全部使用传统类测试仪器的方案相比较，一方面可以适当减少工作量；另一方面，二者数据可以相互补充、对比分析，是一个可行的测试仪器布置方法。

4 结 语

输水隧洞在调水工程中发挥着重要作用，在其结构中安装测试仪器是极其必要的。基于当前输水隧洞测试仪器布设的现状，本文提出了两条优化布置建议，通过对其优化研究分析，可以进一步提升隧洞结构测试仪器布设的科学性，对相关工程测试仪器的布设有一定的参考价值。

当然，输水隧洞测试仪器布置的优化研究应该综合考虑其涉及到仪器安装、数据采集、数据处理等多个方面，特别是后期海量数据的处理方案在测试仪器布设之初就重点考虑。本文提出的建议在具体执行时还要做更详细、更深入的规划，因此，还应继续研究分析，以得到更优的布设方案，对输水隧洞结构产生更大的工程价值。

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