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京杭运河淮阴二线船闸大修变形观测

一、前言
建设中的船闸或建成后的船闸工程建筑物，由于各种因素的影响，在工程建筑物及其设备的运营和建造过程中，都会产生变形。这种变形在一定限度之内，应认为是正常的现象，但如果超过了规定的限度（设计中给出的预警值、经验算得出的预警值、专业安全性能评估与评价报告的结论），就会影响建筑物的正常使用，严重时还会危及建筑物的安全。因此，在工程建筑物的施工、主体建筑物技术改造、船闸大修和运营期间，必须对它们进行变形观测。
在变形观测的过程中，了解其产生的原因是非常重要的。一般来讲，建筑物变形主要是由两个方面的原因引起的，一是自然条件及其变化，即建筑物地基的工程地质、水文地质、土壤的物理性质、大气温度等。另一种是与建筑物的结构、型式及动荷载（如风力、震动等）的作用。此外，由于勘测、设计、施工以及运营管理工作做得不合理，还会引起建筑物产生额外的变形。这些变形的原因是互相联系的。随着工程建筑物的兴建，改变了地面原有的状态，对于建筑物的地基施加了一定的外力，这就必然会引起地基及其周围地层的变形。而建筑物本身及其基础，也由于地基的变形及其外部荷载与内部应力的作用而产生变形。例如：在京杭运河淮安、淮阴、宿迁、皂河等三线船闸建设过程中，由于三线船闸的中心线距原一线或二线船闸中心线的距离都很近，为了防止三线船闸施工期间影响一、二线船闸的结构及安全运行，所以，在施工期间必须严密监视一、二线闸的动态，及时、准确地对一、二线船闸定期进行沉降（垂直位移）、水平位移等变形观测，并进行安全评估以确保一、二线闸安全运行。同时，对施工中的三线船闸各结构物也应进行观测。又如：在船闸大修或主体建筑物的技术改造过程中，由于闸室必须是在无水的条件下才能进行各工序的施工，这样船闸主体建筑物如闸室原力学平衡就被改变了，因此为保证主体建筑物的安全、保证大修的顺利完成必须对其变形观测。下面以淮阴二线船闸2004年10月大修工程变形观测为例来探讨船闸大修变形观测的内容、观测方法、精度要求及成果分析。

二、淮阴二线船闸大修工程存在特殊问题概况

1、由于淮阴二线船闸在第一次大修期间，闸室底板多次出现泉涌，并冒浑水。且距离下闸首第三道伸缩缝位置中间处，底板下反滤层突发整体破坏，出现一个深陷坑。后采用抛填碎石拌砂（约700吨）及块石护面进行处理。本次大修为防止出现上次现象，在闸室抽水时，采用了同时进行墙后降水的方案，以保证闸室墙等结构物的安全。因此，为了保证施工过程中闸室墙的稳定，同时验证设计计算的准确性必需对其进行变形观测并采集基础观测数据，通过对成果的分析并结合其它相关的检测数据来综合判断船闸的安全性能。
2、由于在大修过程中，闸室墙后采用了连续进行地下降水的方案，可能影响船闸周围附近建筑物的安全，所以在大修过程中须时时监视各建筑物的变形、变化情况。
3、此次大修从10月1日开始闸室向外抽水，10月3日完成闸室抽水。到10月22日闸室底板再次出现第一次大修时的情况，出现泉涌并冒浑水且来势汹涌，尤其是泉涌2和泉涌3。泉涌的具体位置见观测点示意图。

三、变形观测点的布设及相关要求
观测点的布设方法及位置严格遵循设计及行业规范要求。具体点位见布设图。
1、各种观测设备埋放前均经检查和率定；
2、观测设备均按规定及时埋放；
3、水位观测设施应设在水流平稳地段（船闸大修期间的上、下游水位）；
4、沉降标点埋放稳定后，我们即时观测了初始值（我们按规定取三次观测结果的平均值作为初始值），大修施工期间，原则上进行定期观测，特殊情况下进行了一天一次或两次的观测，竣工放水前观测一次，放水后又周期性的观测三次。
5、闸室墙墙身的倾斜观测（可以采用电子测斜管仪或上下距离互差法），可在大修过程中及放水前后进行；
6、各观测项目及设备，均由专人负责观测和保护；
7、施工期间所有观测项目，均按时进行了观测，并及时整理分析；
8、变形监测网采用了独立坐标和基本接近的假定高程。

四、变形观测的方法

变形观测的方法要根据建筑物的性质、使用情况、观测精度、周围的环境以及对观测的要求来选定。一般来说：垂直位移多采用精密水准测量、微水准测量的方法进行观测。而水平位移的观测情况就比较复杂。对于船闸而言，采用基准线法或导线测量、前方交会、小角法的方法进行。对倾斜观测则采用液体静力水准测量或精密水准测量的方法进行。裂缝（或伸缩缝）观测使用测缝计或根据其它的观测结果进行计算。对地表形变观测可采用地面摄影测量方法测定其变形值。此次淮阴二线船闸大修变形观测，沉降观测我们采用环形闭合的几何水准观测方法进行，位移采用了基准线法和小角法进行观测。

五、严格遵循规范要求
每次变形观测时均做到“四固定”即：相同的观测路线和方法。使用同一仪器和设备、固定观测人员，在基本相同的环境和条件下工作。可参考执行的规范有：
1、《地基与基础工程施工及验收规范》（GBJ202）规定：需要进行沉降观测的建筑物和构筑物，应按该规范要求进行沉降观测，并整理沉降观测资料。
2、《工业与民用建筑工程地质勘探规范》（TJ21）规定：对下列建筑物宜进行沉降观测：
①在不均匀或软弱地基上的较为重要的建筑物；
②因地基变形或局部失稳而使结构产生裂缝或破损，需研究处理的建筑物；
③没有建筑经验的重点建设的特殊建筑物；
④因建筑物周围，有新的建设项目或本身技改，可能影响或损坏原有建筑物，必须对原建筑物进行沉降和变形观测。
3、《建筑地基基础设计规范》（GBJ7）规定：对一级建筑物应在施工期间、使用期间和修理期间进行沉降观测，并应以实测资料作为建筑物地基基础工程质量检查的依据之一。
4、执行JTJ203—2001 《水运工程测量规范》。
5、GB 50026—93 《工程测量规范》。
6、JTJ218—2005 《水运工程水工建筑物原型观测技术规范》。

六、变形观测的精度要求
1、变形测量可分为四个等级，变形测量点可分为基准点、监测点和变形观测点。
2、变形观测点相对于最近基准点的观测精度和使用范围见下表：

等级
点位中误差（mm）
高程中误差（mm）
适用范围
一等
±1.5
±0.5
对变形特别敏感的水工建筑物
二等
±3.0
±1.0
对变形比较敏感的水工建筑物
三等
±6.0
±2.0
一般性水工建筑物和岸坡
四等
±12.0
±4.0
对观测精度要求比较低的水工建筑物和岸坡
l 京杭运河船闸等水工建筑物大修期间（属于对变形比较敏感的水工建筑物范畴）的沉降、位移观测，宜采用二等观测精度。
l 沉降观测的仪器必须使用带有测微器的精密水准仪（1mm/km以上）及配套观测的变形观测尺。满足此要求，观测精度定能达到二等精度。
l 对于位移观测的精度，则有很多因素的影响，主要有：m对中（仪器对中误差）、mf（大气折光的影响误差）、ms(测距误差)、mβ（测角误差）。现在，我们来证明一下采用什么样的仪器才能满足二等观测精度。现已测角精度2“，测距精度为2mm+2ppm.D的全站仪为例。对于有经验的测量工程人员，仪器的对中误差可控制在1.0mm范围内，大气折光的影响误差只要使棱镜的高度大于1m，一般可消除此误差。则观测点的点位中误差：
M2P= m2对中+ m2f+ m2s+ m2β其中：m2s=（2mm+2ppm.D）2取D=150m=150000mm，m2β=（2“/ρ 150000）2，Mp=±2.8mm＜±3.0mm
由此可以看出，我们只要使用能够满足测角精度为2“，测距为2mm+2ppm.D以上精度的全站仪进行观测就可以达到二等观测精度。（实际上，我们观测基点距离闸室前沿线附近的观测点的距离是小于150m）工作基点的布设一般为4点，距离闸室前沿线30m以外左右，因此精度上完全能够满足要求）。
此次，我们在本工程中采用二等变形观测等级标准，沉降观测点的高程中误差为±1mm，位移观测点的点位中误差为±3.0mm（均相对基标点而言）。
使用仪器：水准仪采用TOPCON ATG2型，精度为0.4mm/km；全站仪为Leica Tc-905L型，其精度为2mm+2PPm·D，均满足二等变形测量等级要求。

七、变形观测成果及分析
主要以分析闸室中间泉涌处（见布置图）左右两侧观测点的成果为例：
1、 闸室泉涌2、3处两侧4个观测点（左4、5、6、7，右4、5、6、7）的最终累计沉降量和位移量见下表：

点号
变形量
左4
左5
左6
左7
右4
右5
右6
右7
累计沉降量（mm）
4
3
5
5
4
5
6
4
累计位移量(mm)
-4
-3
-3
-3
3
2
2
4

2、成果简要说明及分析
（1）表中的累计沉降量为正值时，表示结构物垂直向下位移，累计沉降量为负值时，表示结构物垂直向上位移。
（2）表中的累计位移量为负值时，表示向北方向位移（向左侧），累计位移量为正值时，表示向南方向位移（向右侧）。
（3）闸室墙观测点的初始值在闸室抽水前沉降位移各观测三次，且三次观测值基本没有误差，说明抽水前船闸结构物是稳定的。后取三次的平均值为初始值。
（4）闸室向外抽水过程中，墙后降水井也同步降水，在此过程中（闸室内水位为4.0时）两侧闸墙的位移有微小变化，向内位移趋势。两侧闸墙出现不均匀沉降，上游右侧右16～右22观测点的沉降变化较大，平均下沉约4mm，其余测点下沉量较小，但数据不等。直至20日（10月1日开始抽水的，3日完成闸室抽水），两侧闸墙的位移趋势仍然是向内侧但出现增大趋势，沉降也出现较小变化，部分观测点有升高迹象，此时的墙后降水保持与前期正常速度。10月21日晚在如图的泉涌2处再一次开始出现泉涌，10月22日至11月6日期间，两侧闸墙的位移趋势分别向外侧（此期间，前期泉涌涌水量较大，同样采用了抛填碎石拌砂及20多条棉被的拥堵处理，加之进一步增大墙后的降水来防止闸墙继续前倾，泉涌处的涌水得到基本控制，结果闸墙开始向外侧位移）累计位移量没有超出预警值（设计给的参考值为：沉降量10mm,位移量12mm），当时左侧闸墙向外侧平均累计位移量为 3mm，最大位移量为 4mm，右侧闸墙向外侧平均累计位移量为2mm，最大位移量为4mm；从11月6日前连续6次观测值分析看，两侧的闸墙当时是趋于基本稳定的，没有再出现增大趋势。两侧闸墙的沉降量也无异常变化，左侧平均累计沉降量为4mm，最大累计沉降量为6mm.右侧平均累计沉降量为4mm，最大累计沉降量为6mm。但，我们从中可以看出底板出现泉涌且冒浑水对闸墙的稳定有很大的影响。因为，在出现泉涌之前闸墙是向内侧（闸室中心线方向）水平位移的，当出现泉涌后闸墙很快向外侧位移且内、外侧位移量的绝对值之和（左右摆幅）已接近预警值，可以说明泉涌的出现已经危及建筑物的安全，但对泉涌所采取的工程处理措施也是基本有效的。
（5）两侧闸墙墙后降水期间，对周围建筑物的总体影响还是有的。降水的初始阶段（前3天）周围建筑物均存在不同程度的不均匀沉降，沉降量为2—5mm；待降水一周后，周围建筑物的沉降已经不再发生异常变化，而且逐渐趋于稳定。观测至半月后已经基本没有什么变化了，可以说，周围建筑物是趋于稳定的。
（6）一线闸两侧闸墙的沉降共观测7次（每5天观测1次），观测成果按规范分析后认为变化很小，说明二线船闸大修期间的墙后井点降水对一线船闸影响较小。

八、问题及建议
1、今后的船闸大修工程完成后，在闸室注水过程中及完毕后，仍然要对两侧闸墙进行2-3次的变形观测。正常安全运行过程中应做到至少每季度观测一次，有问题时应加密观测。
2、 建议，对在大修时出现像淮阴二线船闸这样特殊情况的，在进行大修工程的变形观测时，应同时采用电子测斜管对闸墙进行倾斜观测，以便结合表面位移观测成果共同进行分析。从而更加准确的向设计者或决策者提供科学的、严谨的技术参考数据。
3、 不到之处，敬请批评指正！