張曉波

（北京中水萬源科技公司，北京 100070）

寒區(qū)渠道襯砌監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用研究

張曉波

（北京中水萬源科技公司，北京 100070）

為削減渠道襯砌下的土體由于凍融引起的凍脹破壞問題，需要研究土體凍脹過程中溫度場、凍脹量、應(yīng)力場的變化過程及數(shù)值分布，這就需要一套系統(tǒng)完善的監(jiān)測技術(shù)，對渠道下土體的凍脹過程與結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行定量分析，為寒冷地區(qū)渠道提供安全有效的襯砌結(jié)構(gòu)。

渠道襯砌；凍脹破壞；監(jiān)測系統(tǒng)；傳感器；數(shù)據(jù)采集；遠(yuǎn)程傳輸；設(shè)計(jì)實(shí)例

0 前 言

渠系建筑物的凍脹破壞問題一直普遍存在于寒冷地區(qū)的季節(jié)凍土區(qū)內(nèi)，渠道基土由于含水量較大，在凍脹過程中，水分源源不斷的遷移、聚集，是造成破壞的主要原因，凍害造成的渠道襯砌表面剝蝕、整體滑塌，是對工程資源的極大浪費(fèi)，因此，鋪設(shè)適合寒區(qū)應(yīng)用的，結(jié)構(gòu)合理，使用壽命較長的襯砌結(jié)構(gòu)形式是渠道工程中需要考慮的首要問題［1］。

選擇合理的襯砌結(jié)構(gòu)形式就需要對現(xiàn)有的渠道襯砌進(jìn)行長期觀測與數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)凍脹破壞的發(fā)展與分布規(guī)律，研究各要素之間的聯(lián)系與影響。才能從根本上選擇合理的襯砌結(jié)構(gòu)形式，來有效地預(yù)防和減緩寒冷地區(qū)渠道工程的凍脹破壞問題。

因此渠系工程亟需一套完整有效的監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于野外及現(xiàn)場的試驗(yàn)工程中，才能廣泛深入的進(jìn)行土體的凍脹量、凍脹力、凍脹機(jī)理與防凍措施的研究。

1 監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 測量傳感器

1）溫度場：溫度場的觀測選擇 PT100鉑電阻型溫度傳感器，其高低溫性能穩(wěn)定，便于攜帶與數(shù)據(jù)采集。溫度傳感器見圖1。

2）凍脹量：凍脹量的觀測選擇位移計(jì)來完成，有時在現(xiàn)場監(jiān)測斷面較大，地形復(fù)雜的情況下，可選擇全站儀來完成渠道襯砌表面的沉降變化。位移傳感器見圖2。

圖 1 溫度傳感器

圖2 位移傳感器

3）孔隙水壓力：滲壓計(jì)監(jiān)測渠道土體的孔隙水壓力。

1.2 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)采用智能型可編程數(shù)據(jù)采集儀。數(shù)據(jù)采集儀示意圖見圖3。

圖3 數(shù)據(jù)采集儀

1.3 遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)

支持根據(jù)域名和IP地址訪問中心多種工作模式選擇，支持串口軟件升級和遠(yuǎn)程維護(hù)，使用方便、靈活。

2 現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)計(jì)實(shí)例

2.1 工程地質(zhì)概況

文章選取位于黑龍江省北部引嫩干渠上的一段典型試驗(yàn)斷面進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測。工程區(qū)位于松嫩低平原東北部，地形北高南低，東高西低，南北向地形比降約1／5 000，東西向地面比降約1／3 000，地面高程為130～180 m，平均高出嫩江河床 3～6 m，地勢低平，呈微波狀或緩傾斜狀起伏，地表水系不發(fā)育，沼澤濕地及湖泡分布其間。地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜。

2.2 觀測內(nèi)容

觀測內(nèi)容包括：溫度觀測、變形觀測和地下水位觀測。在觀測斷面上埋設(shè)傳感器采集數(shù)據(jù)，每個觀測斷面采用的觀測形式、測點(diǎn)布置均相同，便于對比與分析。

2.3 溫度觀測方案

斷面溫度傳感器布置見圖5所示。圖5中A和 A’點(diǎn)為堤肩，B和 B’點(diǎn)為2／3坡高，C和 C’點(diǎn)為1／2坡高，D和 D’點(diǎn)為 1／3坡高，E和 E’點(diǎn)為固腳底中點(diǎn)。溫度傳感器埋置深度為 0cm（即位于防護(hù)結(jié)構(gòu)底 面）、5 cm、20 cm、40 cm、80 cm、120 cm、160 cm、200 cm、250 cm。

圖5 監(jiān)測斷面溫度傳感器布置圖

2.4 變形觀測方案

在監(jiān)測斷面設(shè)置 6個觀測點(diǎn)，觀測點(diǎn)的位置如圖6所示，圖中 A和 A’點(diǎn)為堤肩，B和 B’點(diǎn)為4／5坡高，C和 C’點(diǎn)為3／5坡高，D和 D’點(diǎn)為2／5坡高，E和 E’點(diǎn)為1／5坡高，F(xiàn)和 F’點(diǎn)為固腳上頂面。

圖6 變形觀測點(diǎn)布置圖

2.5 地下水位監(jiān)測

地下水位觀測采用水位觀測井方法，觀測斷面布置在渠頂。水位觀測井深約 5～10 m，口徑為110 mm。通過自動化采集系統(tǒng)監(jiān)測、傳輸、儲存地下水位動態(tài)資料。

2.6 監(jiān)測周期

監(jiān)測周期根據(jù)工程需要及采集數(shù)據(jù)的特征來選定。盡量多采集經(jīng)歷幾個凍融循環(huán)周期的數(shù)據(jù)，保證采集結(jié)果的完整準(zhǔn)確性。

3 結(jié) 論

應(yīng)用本套監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)行了多次凍融循環(huán)、多段試驗(yàn)工程的渠道襯砌斷面的監(jiān)測，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后選擇適合不同地區(qū)、不同地質(zhì)條件的襯砌結(jié)構(gòu)形式對渠道起到了很好的防護(hù)作用，有效地消減了凍脹破壞與凍融循環(huán)的影響，對提高渠道工程的抗凍耐久性起到了重要作用，該套渠道工程監(jiān)測技術(shù)有很好的推廣及應(yīng)用價(jià)值。

［1］王德新.肖家灣隧道溶洞暗河涌水段二次襯砌監(jiān)測技術(shù)［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2006（06）：72-74.

App lication Research on Channel Lining M onitoring Technology in Cold Area

ZHANG Xiao-bo

（Beijing China WaterWanyuan Technology Company，Beijing 100070，China）

In order to protect the canal lining from the freezing and thawing damage problems，it is necessary to study the temperature field of frost heaving process，frost heave，change process and numerical stress distribution.This requires a set of perfect system monitoring technology to conduct quantitative analysis of frost heave process for the internal force and the structure on the channel and lower soil，so as to provide safe and effective channel lining structure in cold area.

canal lining；frost damage；monitoring system；sensor；data acquisition；remote transmission；design example

U456.3

B

1007-7596（2015）02-0029-02

2014-04-12

張曉波（1985-），男，黑龍江哈爾濱人，助理工程師。