低水头船闸安全监测设置方案研究

周杰源, 雷路平, 熊浩奇

(湖南省交通规划勘察设计院有限公司, 湖南 长沙 410200)

0 前言

船闸的安全监测是一门集船闸、结构、测量、地质、水文、气象、电气等多学科交叉的边缘学科。目前，低水头船闸安全监测在水运行业尚无专门的规范，监测方案需参考《船闸水工建筑物设计规范》[1]、《水运工程水工建筑物原型监测技术规范》[2]和水利、电力行业的其它相关规范，而以上规范的主要适用对象分别为船闸结构设计、海港码头结构原型监测、水利工程中的大型坝工建筑物和参与挡水的船闸部分结构监测，对低水头船闸考虑存在较多的不足之处。开展对低水头船闸安全监测设计方案的研究，提出适合于湖南省低水头船闸安全监测的实施方案，总结归纳船闸安全监测成功经验，对指导后续的低水头船闸建设具有重要意义。

1 低水头船闸安全风险及现有相关规范分析

本研究中低水头船闸主要指水位差在15 m以下的船闸，其主要工程特点为：含组成坝轴线的结构部分和非坝轴线组成的结构部分。本研究中成坝结构，即组成坝轴线的结构部分，具有水利水电工程拦河坝特征，涉及溃坝风险，结构安全等级高，发生风险后果严重，该部分通常为闸首结构等。非坝结构即非坝轴线组成的结构部分，也具有挡水作用，挡水为过闸需要，挡水落差控制在设计运行范围内，其安全等级与前者存在较大的差异。此外，船闸在上下游水头和岸坡岩体变形的反复作用下，可能产生顺水流向的水平位移或闸门门槽的变形，以致闸门的振动和漏水，也是低水头船闸所特有的现象。

目前，与低水头船闸相关的安全监测类技术规范、规程有二十余项[3]，但均存在不足之处。如《水利水电工程安全监测设计规范》[4]要求船闸上游挡水部分(上闸首)监测断面宜与其他挡水坝段监测断面统一考虑和布置，其他挡水坝段可以理解为大坝挡水线上结构，而随着低水头船闸布置方案的不断优化，部分船闸的上闸首和上游结构并非大坝挡水线所在。如某二线船闸布置中由于下游改扩建场地有限，挡水线布置在下闸首，重点监测断面不能直接套用规范进行布置。另外，规范要求船闸应进行垂直位移监测，垂直位移测点布置在闸首和闸墙顶部，每一闸首边墩和闸墙块宜布置至少1个垂直位移测点。该要求是针对船闸全面变形监测所提出，但高等级船闸闸首闸室形体较大，结构内变形不能直接忽略，则该布置要求偏弱，布置测点数量偏少。而枢纽等级和船闸等级均较低时产生危害小，观测要求的降低未有提及。

综上，现有相关船闸安全监测规范对于低水头船闸安全监测的实际布置和要求并不细致，局部存在不适宜。低水头船闸安全监测关键在于针对船闸的实际结构布置和受力特点，按照不同监测目标等级的需求，细化监测要求和布置，形成具有安全可靠、运行高效、经济实用的低水头安全监测技术要求体系。

2 低水头船闸工程安全监测布置原则

低水头船闸工程安全监测除需满足一般安全监测布置要求外，还应该：①监测标准尽量分层细化，应结合结构等级、结构功能特点，将其分为重要部位监测和正常监测等。②监测项目应结合一般性和专门性监测的需要进行布置，一般性检测应设置最低要求，其他专门性监测则根据工程实际布置，总体上应满足：关键部位把握到位，重点区域监测全面，整体情况掌控有力。

3 低水头船闸安全监测项目设置

结合前文分析，充分吸收低水头船闸实践经验、结合相关已有研究成果[5]，优化船闸安全监测项目分类(见表1)，其中未考虑强震监测。

表1 船闸安全监测项目设置分类序号监测项目建筑物级别及项目设置123451垂直位移★★★☆☆2水平位移★★☆ 一般性监测3水位★★☆☆☆4渗流★★☆☆☆5温度监测★☆☆ 1基岩变位★☆☆ 2应力应变★☆☆ 专门性监测3土压力★★☆ 4接缝监测★☆☆5裂缝监测★☆☆ 注: ★为必设项目,☆为可选项目。

表1与现有规范的主要不同之处如下：

1)增加了4级和5级船闸的安全监测项目。有别于水电规范，本文依据《渠化工程枢纽总体设计规范》划分为5级，有利于项目设置时综合考虑水电挡水线的强制要求以及航道建设需求，对各结构部位进行科学精准细分，避免了水电规范对船闸的笼统处理。

2)按照一般性监测和专门性监测进行分类。其中一般性监测是针对施工质量和工程安全运行需要的基本监测内容，专门性监测是指针对实施或运行中可能的关键风险进行监控。船闸的一般性监测应作为最低要求，建议规范予以细化明确；其他应结合可能发生的不利情况进行具有针对性的专门监测，该部分建议不做硬性约束。

3)增加了水位和土压力等监测项目。水位是船闸运行的重要参数，因其对于结构安全预警和电子控制闸门开启等运行调度均是不可或缺的参数。在低等级的船闸运行中，闸门多为人工现场控制，增加该项效果有限，因此列为可选项目。土压力监测主要侧重于得到船闸结构的受力情况，包括墙后压力和基地反力的监测。

4)监测选项有所优化。在结构缝和温度监测中，结构缝的安全不一定必选通过接缝开合度进行监测，也可在变形监测中实现；且船闸相对于坝轴线来说，可视为横断面巨大的结构，安全可靠度较高，若有开缝，还可从渗流和墙后水位上进行监测，补救的余地较大。因此，实践中进行普遍的接缝开合度监测价值并不大。结合实际经验，对大型桥梁与船闸联合布置监测可能产生的扰动，开缝监测是较好的选择。总体来看，表1中专门性监测项目相对于水电规范大幅设置成了可选设置，因专门性监测项目本身具有工程特殊性，盲目设置为必选设置不符合规范的科学约束原则。

4 大源渡二线船闸安全监测布置

大源渡二线船闸主要建筑物(闸首、闸室)为3级，次要建筑物(导航、靠船、隔水建筑物、护坡)为4级，临时建筑物为5级。二线船闸工程采用单级船闸，有效尺度：180 m×34 m×4.5 m(长×宽×门槛水深)。新建二线船闸位于一线船闸右侧，新建船闸轴线与原有一线船闸轴线平行布置，距离100 m，下闸首齐平。二线船闸为单向水头，最大水头差为10.5 m。

根据表1安全监测项目，结合大源渡二线船闸各部位等级，以及局部布置和结构上对施工和运营的特殊性，选择安全监测项目如表2。

从表1可知，3级建筑物可只设置垂直位移监测。但结合本工程特点，除布置垂直位移监测外，还包含了其他一般性监测和专门性监测，具体说明如下：

表2 大源渡二线船闸安全监测项目设置分类序号监测项目整体上闸首下闸首和闸室次要建筑物1垂直位移▲▲▲▲2水平位移▲▲▲▲一般性监测3水位▲▲4渗流▲▲▲▲5温度监测▲▲1基岩变位▲▲▲专门性监测2应力应变▲▲▲▲3土压力▲▲4接缝监测▲▲ 注:▲为需设置监测的项目。

1)大源渡二线船闸采用半自动运行系统，闸门开启等需要水位数据支持，上下游和闸室内水位监测有效集成于安全运行系统。

2)由于一、二线船闸紧邻的位置关系，要在保护已有一线船闸安全运行的状况下施工完成二线船闸，对于一、二线船闸的施工监测均具有较大挑战，因此专门加密布置了如垂直位移、水平位移和土压力等监测点。

3)通常水位和渗流在较为简单的低水头船闸渗流(渗径简单)监测上具有可替代性，但是本研究考虑到二线船闸布置在两汊河流中间的中州岛上，渗径较短(最短处不足100 m)，尤其是在破开原有挡水线到新挡水线完全形成的施工期间，砂卵石地层特性的船闸开挖、帷幕和挡水线接口的处理非常关键，处理不到位则可能导致渗流破坏，因此对渗流进行主动积极监测成为现场控制和运营安全的共同需求。

4)该项目大体积混凝土施工工期避不开高温炎热夏季，因此针对大体积的船闸上闸首进行温度和应力应变专项监测，便于施工质量的控制。

5)上下游辅导航墙的超高双排桩挡墙(挡土高度19.8 m)是设计难度高、受力偏大的结构，因此在上下游辅导航墙集中受理处布置了应力应变监测。

6)跨船闸桥横跨闸室过河，桩基在闸室中部穿越，结合布置特点进行了专门性监测，选取周边结构段布置接缝监测。

目前大源渡二线船闸安全监测系统已有效运行，从实践效果来看，按照表2进行监测项目布置，既可层次清晰地了解监测项目布置，也有利于监测数据的集成处理，可以较好地指导低水头船闸安全监测布置。此外，一般性监测侧重于较为普遍的监测项目，而专门性监测虽然为可选项目，但需结合项目实际特征，对影响结构安全、可能带来巨大损失、突破常规的布置和结构等情况进行重点布置。专门性监测和一般性监测应有机结合、系统统一;新建或者改扩建项目的监测应与已有监测系统协调统一，数据联动共享。

5 结语

1) 低水头船闸安全监测设置方案要求既有别于直接将船闸作为大坝挡水线构成的水利水电工程监测规范要求，也有别于较为简单的船闸水工建筑物原型监测要求。本文对相关规范进行了分析，对规范的适应性和约束性进行了梳理。

2) 低水头船闸主要包括成坝和非坝结构两部分。成坝结构具有水利水电工程拦河坝特征，结构安全需引起高度重视；非坝结构主要承担船闸闸室内外水头，挡水落差可控制在设计运行范围内。此外，在上下游水头和岸坡岩体变形的反复作用下，可能产生顺水流向的水平位移或门槽的变形，导致闸门振动和漏水。

3) 监测项目建议按照一般性和专门性监测的需要进行设置。低水头船闸不建议船闸整体按照一个级别进行安全监测布置，应细化各部位的建筑物级别，结合项目特点以及各部位功能和安全需求，按照表1进行安全监测项目的选择。

大源渡二线船闸安全监测项目的成功布置验证了本文提出的低水头船闸安全监测设置方案的科学合理性。低水头船闸安全监测项目设置表和大源渡二线船闸安全监测实践经验可供同类项目借鉴。