大型水闸新型侧向绕渗测压管装置设计与工程应用实践.pdf

DOI:1016617/jcnki11-5543/TK20230905工程设计大型水闸新型侧向绕渗测压管装置设计与工程应用实践万 泉 樊亚杰 马文韬(江苏省江都水利工程管理处,江苏 扬州 225200)【摘 要】万福闸作为江苏省省属水利工程精密监测试点项目,建设单位在其上、下游翼墙内设计安装了一套新型侧向绕渗测压管装置,连接自动化监测系统数据采集及管理平台,用以观测翼墙后填土抗渗稳定性。实践证明,该装置设计合理,在原有基础上有所创新,采用三层套管结构型式,可抽出孔洞外维护,具有易清洗、可更换,系统自动化程度高,监测更精密等优点,可为类似工程提供借鉴。【关键词】大型水闸;侧向绕渗;测压管;观测中图分类号:TV66 文献标识码:B 文章编号:1673-8241(2023)09-022-07Design and Engineering Application Practice of New Type Lateral SeepageMonitoring Pressure Pipe Device for Large-scale Sluice GateWAN Quan,FAN Yajie,MA Wentao(Jiangsu Jiangdu Water Conservancy Project Management Office,Yangzhou 225200,China)收稿日期:2023-06-26作者简介:万泉(1980),男,本科,高级工程师,主要从事大型水闸工程建设管理工作。Abstract:As a precision monitoring test site project of Jiangsu Provinces state-owned water conservancy engineering,Wanfu Sluice Gate has been equipped with a new type of lateral seepage monitoring pressure pipe device within its upstreamand downstream wing walls.This device is connected to an automated monitoring system data acquisition and managementplatform,which is used to observe the anti-seepage stability of the backfill soil behind the wing walls.Practical experiencehas demonstrated that the design of this device is reasonable and innovative,incorporating a three-layer casing structure thatallows for easy maintenance of the outer holes.It is characterized by easy cleaning,replaceability,high degree ofautomation,and more precise monitoring.These advantages make it a valuable reference for similar engineering projects.Key words:large-scale sluice gate;lateral seepage;lateral pressure pipe;observation221 概 述水闸建成挡水后,除闸基渗流外,渗水还从上游高水位经闸的两侧填土层流向下游,这就是侧向绕渗。侧向绕渗对岸、翼墙施加侧向水平压力,影响其稳定性,在渗流出口处,以及填土与岸翼墙接触面上可能产生渗透变形1。水闸侧向绕渗观测是分析和预警岸、翼墙地基变形,判断岸、翼墙后填土抗渗稳定性,监视水闸安全运行的重要保障,也是水闸工程管理中必测项目之一。本文以江苏省省属水利工程精密监测试点 万福闸工程为例,较为系统地探讨了水闸侧向绕渗测压管装置的创新设计和施工实践。2 工程概况万福闸位于江苏省扬州市以东10km 的廖家沟上。该闸是淮河入江水道主要控制建筑物之一,也是淮河入江水道归江控制工程中最大的口门,承担着淮河中上游约 70%洪水入江的任务。工程兴建于 1959 年,闸室共 65 孔,为开敞式钢筋混凝土结构,每孔净宽6m,总净宽 390m,设计流量 8270m3/s,属大(1)型水闸、水工 2 级建筑物2。2012 年 3 月至 2018 年 12 月,万福闸进行了建成后最全面的加固改造。期间,在该闸 16 号、26 号、47 号、63 号孔闸墩的上中下游位置,新设了 4 组 12根测压管,用以监测闸底板扬压力。近年来,为进一步加强工程精密监测力度,保障水闸运行安全,建设单位以省属水利工程精密监测试点工程为契机,对该闸侧向绕渗进行建闸后首次观测。为此,协同管理、设计、施工单位在该闸上、下游左岸翼墙内设计安装一套新型侧向绕渗测压管(两根)装置(见图 1)。图 1 万福闸侧向绕渗测压管装置平面及测压计布设示意图3 测压管设计方案比选3 1 传统测压管的结构及特点传统测压管是一种经典而常见的侧向绕渗监测仪器。它的原理是将一段透水管放置在土的渗流区域,地下水在扬压力的作用下,沿管道上升到一定高度,通过管中水柱的高度来表示扬压力的水头大小3。针对万福闸地质、水文等实际情况,施工单位在上、下游左岸翼墙内钻取孔径为 110mm 的孔洞,测压管采用 48 镀锌钢管,管内设置测压计,钢管与孔洞之间32工程设计Engineering Design的缝隙自上而下使用水泥砂浆、不紊散混凝土和膨胀止水条封填。每根测压管由闷头与三段管子组成,其中上段为不透水管,中段为透水管,透水管外侧填充中细砂作为滤料,透水管下部为沉淀管,管底部铁板密封(见图 2)。图 2 传统测压管结构示意图 传统测压管优点为结构简单,材料费用较少,施工操作方便。缺点也很明显,随着测压管运用时间的增加,管内不可避免地会沉积淤泥、砂石、锈迹等颗粒物,此外透水管外侧的滤料也会逐渐流失、反滤材料失效,渣滓逐渐堵塞透水孔,进而导致测压管灵敏度下降,直至完全淤堵失去作用。为此,则需对测压管进行维护清洗。目前,测压管淤积清理的方法主要有高压水冲洗法、冲气沉积法、电动涡流清淤法和组合钎掏泥法4。由于传统的测压管管体均与水泥砂浆内壁紧密结合,这四种方法无一例外都是在测压管不取出孔洞的前提下进行维护清洗,清洗时高压水流易破坏测压管反滤层与底部封堵材料,抓石器易卡阻,很难清理出较大淤积物和缠绕物,清洗质量难以控制。3 2 新型测压管设计思路及亮点针对传统测压管维护清理效果不佳,施工质量难以控制的缺点,建设单位充分调研,设计出一套新型侧向绕渗测压管装置。该装置采用外层不锈钢护管、42工程设计Engineering Design中层不锈钢滤水管、内层不锈钢测压管三层套管的型式,将内部测压管、中间过滤层、反滤料设计成为一整体可拔出的结构,当测压管发生灵敏度下降或堵塞时,可将测压管主体结构拔出埋设孔洞进行清洗或更换,彻底改进传统测压管维护清洗易破坏原结构、清洗效果不佳的弊端。3 3 新型测压管结构型式该装置测压管管内布设振弦式测压计,测量翼墙后渗透压力,渗压计经信号采集器传输至终端服务器,对工程侧向绕渗进行实时监测。在上、下游左岸翼墙内钻取孔径为 147mm 的孔洞,外侧护管透水管以上段采用 108 不锈钢钢管,长度为 12 83m(上游侧)、13 08m(下游侧),内层为 50 不锈钢测压管,上、下游侧长度同外侧护管,透水管与孔洞之间投放中粗砂滤层,滤层顶部投入膨胀黏土球封闭,透水管以上外侧护管与孔洞之间填充水泥砂浆封孔,中层滤水管与内层滤水管之间投放石英砂;透水管采用三层滤水管结构,外层为 108、中层为 76、内层为 48不锈钢滤水管,滤管的透水孔排列均呈梅花形布置,直径10mm,六行交错,纵距50mm,孔眼内壁光滑无毛刺,透水率为 18%,三层滤水管均外裹两层 80 目不锈钢丝网,透水管上、下游长度均为 1 97m;透水管下部为 0 50m(上游侧)、0 34m(下游侧)不透水沉淀管,管底部铁板密封(见图 3、图 4)。图 3 新型测压管结构示意图52工程设计Engineering Design图 4 新型测压管装置剖面细部示意图4 新型测压管装置施工方案4 1 地质勘察经查淮河入江水道整治万福闸加固工程的地质勘察报告,万福闸上、下游左岸翼墙内准备埋设绕渗测压管区域高程分别为 7 50m、8 50m,其种植土地面顶高程分别为 7 82m、9 06m。其中上、下游侧翼墙底板底面高程分别为-3 70m、-4 90m。上游底板底面以下为层灰黄色中重粉质壤土,下游底板底面以下为层灰黄色粉质黏土、近重粉质壤土,、层土壤为可塑状态,中压缩性,力学强度中等5。本次埋设的测压管需贯穿、层,上、下游测压管埋设深度均为 15 60m。4 2 施工步骤4 2 1 测点放样测压管定位根据平面布置图抓取点位坐标,采用千寻 CORS 定位服务进行钻孔放样,并与现有地形地物校对核准,测压管位置误差控制在 10cm 以内。4 2 2 钻进成孔a 钻机就位、调平。用 8t 吊车将钻孔机具吊放至施工区域,由人工采用撬棒、钢管等工具精确就位,钻机就位后再进行调平、固定;根据调平需要,用薄板将钻机底盘垫实,以保证钻孔的垂直度满足设计及规范要求。b 钻孔。测压管埋设需钻穿最大厚度为 1 60m的翼墙底板钢筋混凝土,施工难度较大。施工单位采用 GXY-1 型岩芯钻机,配备 147 金刚石钻头进行钻孔,平面位置误差不大于 10cm。当钻穿混凝土后,改用合金钻头钻进;钻进过程中配备长度适中的岩芯管,以保证钻孔的垂直度和钻孔深度,减少孔内沉淀。整个钻孔过程采用清水钻进,以减少泥浆钻进给测压管孔壁渗透性带来的不利影响。62工程设计Engineering Designc 钻孔清洗。钻孔至计划深度后,起钻,取出岩芯管中芯样。然后,再将钻杆下至距孔底0 2m 处,加大供水泵流量,经钻杆向孔内注水,直至孔口流出的水全部清澈为止。必要时,用特制的钻孔清洗塞进行洗孔,保证底板以下钻孔孔壁渗透性处于良好状态。4 2 3 测压管埋设安装孔洞成形后,先在孔底埋设约 10cm 厚的反滤砂料,再进行安装埋设,放入制作好的测压管。下管时要始终确保测压管居中,防止测压管管壁,特别是进水管段所包裹的土工布接触孔壁;测压管安装完成后,从测压管内送入清水洗孔及测压管,待水清后投放砂滤料至预定位置,同时压水清洗滤料至水清,并确保滤料投至设计位置,投放隔离材料至设计位置,一般投放到滤管顶部以上 20cm 左右,投放高度为50cm 的膨胀黏土泥球对封填材料与滤料之间进行隔离,再从管内抽水清洗滤料,多次抽水后,确保管内水清为止。测压管清洗结束后进行灵敏度试验,试验合格后,再对测压管管壁进行封填。4 2 4 管口保护装置设置a 在测压管外层放置 147 的保护管,使用盖头封闭并略高于地面。测压管管口安装三通,三通的上通管口用闷头封闭,侧向通的管口引至翼墙外侧,侧向通内安装电缆线。b 外层保护管管口约高于翼墙顶面 10cm,保护管上方安装灵活地翻盖,侧面留有口门,口门与测压管三通的大小、方向一致,保障管内电缆线的畅通。用水泥砂浆将外层保护管外侧封填并留有排水通道,使得雨水无法进入测压管内。c 测压管孔洞顶部砌筑下沉式保护井,保护井顶部与翼墙内种植土顶部地面(上游为 7 82m 高程,下游为 9 06m 高程)齐平,上设不锈钢保护盖,防止杂物及雨水进入保护井,且具有一定透气性。4 2 5 测压管灵敏度试验在做测压管灵敏度试验之前,先测定出管内稳定水位。试验时,先将测压管中注满水,然后进行水位观测,起初水位间隔 5min 观测 5 次,然后间隔 10min观测 3 次,间隔 30min 观测 2 次,最后根据水头下降的速度逐渐扩大观测间隔时间,直至恢复到或接近注水前的水位结束。由于进水段周围为黏壤土,按照土石坝安全监测技术规范(SL 6094)规定:注水水位在五昼夜内降至原水位为灵敏度合格。4 2 6 测压管水位联测测压管经灵敏度测试合格后进行管口高程测量、管内水位联合观测,直至水位稳定且与上、下游水位相对应,并与地下水运动规律相符。管内水位稳定后,根据万福闸下游潮汐周期,再对测压管和上、下游河水位同步观测 2 3 天。4 2 7 观测设备信号线埋设在上、下游翼墙测压管信号线侧挖土,埋入100 镀锌钢管作为信号线线缆导管,导管连接到电缆井,电缆连接至万福闸桥头堡电缆沟,最后将渗压计信号传输至控制室 MCU 终端服务器,终端采用自动化监测系统数据采集及管理平台将采集到的信号转化成数据并整理,并上传至省属水利工程精密监测平台。4 2 8 自动化监测系统数据采集及管理平台应用4 2 8 1 数据采集与整理该装置选用 DSIMS4 0 型工程安全监测信息管理软件作为自动化监测系统数据采集及管理平台。平台按设计要求的模式采集测量数据,并将测量数据存储在数据库内。该数据库具有监测数据入库和导出、监测数据检验、数据计算及转换监测数据管理四大功能。4 2 8 2 监测系统数据集成侧向绕渗自动化监测完成后,可将监测数据成果与省属水利工程精密监测平台进行信息集成。根据设计要求,通过采集功能的集成联试,确保与现有监测自动化系统间实现互连互通,从而实现系统间的有机融合,便于数据的统一管理(见图 5)。72工程设计Engineering Design图 5 万福闸侧向绕渗监测数据及成果显示4 3 主要施工步骤流程主要施工步骤流程见图 6。图 6 主要施工步骤流程5 结 语万福闸上、下游新型侧向绕渗测压管装置安装调试完毕后,管理单位技术人员对万福闸上下游翼墙侧向绕渗进行了建闸后首次观测,结果表明达到了预期设计和实施效果。实践证明,该装置设计合理,在传统结构上有所创新,采用三层套管的型式,将内部测压管、中间过滤层、反滤料设计成为一整体可拔出的结构,可抽出孔洞外维护,具有易清洗、可更换、系统自动化程度高、监测更精密等特点和优点。该装置的成功运用不仅有效地填补了江苏省大型水闸渗流观测的技术空白,而且为类似水闸、大坝、泵站工程侧向绕渗观测装置的设计、施工和精密监测积累了宝贵的经验。参考文献1陈宝华,张世儒.水闸 M.中国水利水电出版社,2009:154-155.2 淮河入江水道整治工程万福闸加固工程施工图设计总说明R.苏州:江苏省太湖水利规划设计研究院有限公司,2011:1,3-4.3 孙飞.浅谈测压管的淤积清理J.人民长江,2011(10):91.4 淮河入江水道整治工程万福闸加固工程地质勘察报告(初步设计阶段)R.扬州:江苏省工程勘测研究院有限责任公司,2009:34.82工程设计Engineering Design