面板堆石壩接縫位移的自動(dòng)監(jiān)測及分析

尚劍寶

(1.山西水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院,太原 030024;2.山西唐河水電有限責(zé)任公司,太原 030002)

面板堆石壩接縫位移的自動(dòng)監(jiān)測及分析

尚劍寶1,2

(1.山西水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院,太原 030024;2.山西唐河水電有限責(zé)任公司,太原 030002)

闡述了對振弦式測縫計(jì)及其三向位移計(jì)算原理,以山西某水電站接縫處的監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)分析,發(fā)現(xiàn)蓄水前和蓄水期由于主要影響因素不同,接縫處的變化情況也不同;通過線性回歸模型,預(yù)測測點(diǎn)三個(gè)方向位移變化趨勢,在x、y方向主要受溫度的影響,z方向主要受水壓的影響,且隨著水位的上升而變,相比安裝后z方向的位移變化減小,反映大壩運(yùn)行穩(wěn)定。研究結(jié)論在一定程度上對面板壩接縫位移實(shí)際趨勢變化做參照分析。

振弦式測縫計(jì);三向位移計(jì)算;面板縫隙;實(shí)時(shí)監(jiān)測;回歸模型

水利水電工程施工中由于工程需要,有時(shí)會(huì)進(jìn)行分塊澆注[1],或?qū)⒉煌牧蠅味芜B接,面板壩上不可避免存在接縫,接縫的灌漿層能否膠合大壩傳遞荷載,大壩運(yùn)行后壩段間能否永久密合,面板接縫處隨地域、氣候、水文等環(huán)境變化發(fā)生位移變化的情況,都是在施工和運(yùn)行期間需要特別關(guān)注的問題。

當(dāng)前解決此類問題的主要手段就是在接縫處布設(shè)測縫計(jì),實(shí)時(shí)觀測接縫開合度、位移變化和壩體溫度等[2]?，F(xiàn)有的測縫計(jì)產(chǎn)品主要分為滑動(dòng)電阻式測縫計(jì)、振弦式測縫計(jì)、差動(dòng)電阻式測縫計(jì)三大類[3]。

水利水電工程建筑通常處于多變、惡劣的自然環(huán)境中,建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜,安全監(jiān)測儀器在埋設(shè)后通常無法或難以進(jìn)行維修和更換,所以水利工程對埋入式安全監(jiān)測儀器的性能要求很高,要求其具有較高穩(wěn)定性、可靠性及精確度、很好的耐候性和牢固的結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)。

振弦式測縫計(jì)[3]采用非電量測量方式,基本不受接引線長度影響,信號(hào)傳輸距離可達(dá)數(shù)千米,長電纜傳輸可靠,電纜絕緣要求低,而且其結(jié)構(gòu)簡單,長期穩(wěn)定性好。輸出頻率易自動(dòng)化測量,易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。所以,近年來振弦式測縫計(jì)得以在水利水電工程中的變形縫監(jiān)測廣泛應(yīng)用。

基于此問題背景和技術(shù)現(xiàn)狀,筆者首先對GK4420振弦式表面測縫計(jì)的計(jì)算原理進(jìn)行介紹和分析,然后以山西某水電站擋水樞紐大壩為應(yīng)用實(shí)例,對測縫計(jì)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算,研究結(jié)論在一定程度上對面板壩接縫位移實(shí)際趨勢變化做參照分析。

1 測縫計(jì)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 測縫計(jì)結(jié)構(gòu)

美國基康公司(GeoKon.Inc)生產(chǎn)的GK4420型振弦式測縫計(jì)近年來被廣泛應(yīng)用于測量接縫的開合度、面板與面板間和面板與周邊橫向、縱向和沉降變化。該測縫計(jì)構(gòu)造主要包括振弦式位移傳感器、套筒式防護(hù)罩、埋入式套筒等幾部分。結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 測縫計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 GK4420型三向位移計(jì)算工作原理

GK4420型測縫計(jì)采用三向位移計(jì)算的工作原理進(jìn)行接縫變化的計(jì)算。A、B、C分別為三角支架上安裝傳感器的固定點(diǎn),D為固定支座用來連接三只傳感器的另一端。a，b，c分別為三只傳感器的安裝長度,O點(diǎn)為BC的中點(diǎn),支架中BC=l=900 mm,OA=h=605 mm。

設(shè)三支傳感器安裝后組成的弦長分別為a0、b0、c0,即安裝時(shí)量取的初始長度。在測點(diǎn)產(chǎn)生變化后,各傳感器的位移增量如下:

Dn=G×(R1-R0)+K×(T1-T0) .

(1)

式中：R1表示當(dāng)前讀數(shù);R0表示基準(zhǔn)值;G,K表示儀器參數(shù)；n表示各傳感器的序號(hào)(a,b或c)。則各個(gè)弦長分別為

a=a0+Da,b=b0+Db,c=c0+Dc.

(2)

為了計(jì)量觀測點(diǎn)D的位移情況,需要測度D點(diǎn)的初始坐標(biāo)值和當(dāng)前坐標(biāo)值。關(guān)于D的初始坐標(biāo)值的設(shè)定,理想情況下是在傳感器安裝完畢后,O點(diǎn)為理想的坐標(biāo)原點(diǎn),則觀測點(diǎn)D相對于O點(diǎn)的初始坐標(biāo)為:D(x,y,z)=(0,0,m)，其中m為初始拉伸值。D點(diǎn)當(dāng)前坐標(biāo)值為(x,y,z):

(3)

最后,計(jì)算D點(diǎn)的當(dāng)前坐標(biāo)與初始坐標(biāo)的變化量,即可獲取動(dòng)點(diǎn)D的位移變化量。坐標(biāo)變化均是相對于支架ABC所在的平面而變化。

2 某水電站變形縫分析

2.1 環(huán)境簡介

某水電站位于韓淤地村上游,軸線近南北向,呈直線布置,壩頂長395.00 m,寬6.00 m,壩頂高程1 067.40 m,最大壩高30.40 m。其擋水樞紐大壩由混凝土重力壩段和混凝土面板堆石壩段兩種不同壩型組合而成,為了實(shí)時(shí)監(jiān)測不同壩面間接縫位移變化情況,在混凝土面板堆石壩段面板接縫處安裝測縫計(jì),以獲得實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù),以保障大壩安全運(yùn)行。

2.2 觀測點(diǎn)部署

此工程的接縫位移觀測主要包括周邊縫接縫位移觀測和面板垂直縫接縫位移觀測兩部分。根據(jù)工程實(shí)際情況,我們在周邊縫接縫位移共布置了8個(gè)測點(diǎn),其中河床段0+174.5，0+294.5斷面周邊縫處各布設(shè)一個(gè)測點(diǎn)；右岸1/3，1/2，2/3壩高的周邊縫處各布設(shè)一個(gè)測點(diǎn)；泄洪閘翼墻與面板連接處1/3，1/2，2/3壩高處各布設(shè)一個(gè)測點(diǎn)。每個(gè)測點(diǎn)布置3支測縫計(jì)(三向)，面板垂直縫接縫位移布置3個(gè)觀測斷面,每個(gè)斷面布3個(gè)測點(diǎn),每個(gè)測點(diǎn)布置1支測縫計(jì)(單向)。共設(shè)測縫計(jì)33支。

2.3 測縫計(jì)安裝

由于該水電站面板堆石壩段施工是采用逐塊逐層的澆注方法,因此測縫計(jì)的埋設(shè)也要與施工過程緊密配合。測縫計(jì)安裝主要分3大步驟：

1)當(dāng)兩塊面板都澆筑完備,待養(yǎng)護(hù)結(jié)束后,按設(shè)計(jì)要求的高程和位置,選擇面板較平整光滑處安裝固定測縫計(jì)支架。

2)測縫計(jì)預(yù)拉10 mm,安裝在測縫計(jì)支架上。

3)用BGK408讀數(shù)儀讀取初始數(shù)據(jù)。

2.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

原河床地質(zhì)段——砼閘門翼墻與堆石壩面板壩段連接處對于維護(hù)壩體安全穩(wěn)定運(yùn)行非常重要,選擇樁號(hào)0+115.0斷面處所安裝的3支測縫計(jì)所監(jiān)測的數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析。其安裝記錄如表1所示。

表1 0+115.0斷面測縫計(jì)安裝記錄表

根據(jù)上表中給出的a0,b0,c0的長度測縫計(jì)自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)Da,Db,Dc的值,代人

(4)

由式計(jì)算得出，該組測縫計(jì)中的m=733.33 mm。

由測縫計(jì)初始模數(shù),及測縫計(jì)安裝固定后經(jīng)過半個(gè)月時(shí)間的觀測,最終選擇出高程1 057.4,樁號(hào)0-014.0處面板縫隙處基礎(chǔ)值,見表2。

表2 測縫計(jì)初始值

在安裝完備約半個(gè)月后x方向開合度變化表如表3所示,相應(yīng)的變化圖如圖2所示。

表3 x方向穩(wěn)定期開合度

圖2 初始值穩(wěn)定曲線圖

圖3 蓄水期z方向開合度曲線圖

由圖2可知,在測縫計(jì)安裝后,由于大壩施工期沒有蓄水,x方向開合度隨著溫度而變。相對于D點(diǎn)微微傾向壩內(nèi)部。取Dx平均值為1.046 mm。蓄水期水位1 052 mm時(shí),所選位置z方向開合度變化圖見圖3,得出其該位置處開合度變化值如表4所示。

表4 開合度變化

從對監(jiān)測結(jié)果的分析可知,面板縫開合度均為張開趨勢,表明縱縫被拉開,造成的原因是受溫度因素的影響；由于水庫蓄水,水體對面板產(chǎn)生一動(dòng)水壓力，Dz的均值為-6.63 mm。蓄水期水位1 052 mm時(shí),所選位置y方向和x方向在蓄水期開合度的變化曲線圖分別見圖4、圖5。

圖4 蓄水期y方向開合度曲線圖

圖5 蓄水期x方向開合度曲線圖

由圖4，5可知,由于大壩蓄水期間,x,y方向開合度隨著溫度而變,該二維受外力即水壓力影響很小。蓄水期與蓄水前相比,雖然接縫也呈張開趨勢被拉開,但由于蓄水前的Dx的均值為1.466 72,與蓄水前相比基本沒有太大變化;Dy的均值為0.433 2, 與蓄水前相比基本沒有變化。面板澆筑比較好,面板縫隙間止水效果較好,因此縫的開合度變化幅度較小。

由于接縫位移變化量Dx,Dy隨著溫度而變,整編蓄水后2013年全年儀器實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù),針對溫度因子和時(shí)效因子的特點(diǎn),在建模時(shí)考慮了溫度因子對大壩的時(shí)延影響,采用三角函數(shù)對溫度因子進(jìn)行表述;對時(shí)效因子采用衰減蠕變因子描述,建立了科學(xué)合理的回歸方程,選擇線性回歸數(shù)據(jù)分析平臺(tái)預(yù)測x、y和z變化趨勢,x方向線性回歸預(yù)測,y方向線性回歸預(yù)測圖分別見圖6，圖7。

圖6 蓄水期y方向開合度預(yù)測曲線圖

圖7 蓄水期x方向開合度預(yù)測曲線圖

由圖可知,針對一年的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),由于x、y方向開合度受外力即水壓力影響很小,把圖中預(yù)測范圍帶入位移公式,可知Dx的變化值范圍為0.5～1.4 mm;Dy的變化值范圍0.4～0.6 mm變化,x、y方向的變化同安裝后Dx為1.466 mm、Dy為0.433 mm的初期變化范圍接近。

x，y方向變化量由于主要隨著溫度而變。針對一天內(nèi)不同時(shí)間段溫度變化引起的變化量,選擇x方向測縫計(jì)不同時(shí)刻實(shí)測數(shù)值,觀測一天不同時(shí)段接縫處變化情況,按照時(shí)刻統(tǒng)計(jì)整理,通過預(yù)測模型預(yù)測一天不同時(shí)刻接縫位移變化值見表5。由表5數(shù)值及x方向位移預(yù)測曲線,一天內(nèi)不同時(shí)刻預(yù)測值落入預(yù)測曲線范圍值內(nèi)。

表5 不同時(shí)刻預(yù)測值

由于接縫位移變化量Dz隨著溫度、動(dòng)水壓力而變,整編了蓄水后2013年全年該方向儀器實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù),考慮大壩水位及溫度因素變化影響,因此選擇線性回歸數(shù)據(jù)分析平臺(tái),預(yù)測z方向接縫位移的變化趨勢如圖8。

由線性回歸預(yù)測曲線圖,可知隨著水位上升變化該方向接縫位移呈增大趨勢。接縫位移隨著水位變化,水壓對壩體的增大,位移從1.8 mm變化到2.2 mm,相比開始安裝后6.63 mm位移數(shù)值,可知雖然水位增大,但是壩體自身的穩(wěn)定增加趨勢更大,致使接縫位移變化相比開始安裝后減小?？芍搲误w運(yùn)行穩(wěn)定。

圖8 z方向線性回歸預(yù)測

3 結(jié)論

2012年1月1日該水電站大壩蓄水到1 052 m,蓄水后砼堆石面板壩面板縫隙間,接縫開合度與蓄水前相比基本沒有變化,因?yàn)榇颂幟姘鍧仓爸顾容^密實(shí),x和y方向受水壓力的影響很小。而z方向接縫開合度與蓄水前相比均有不同程度的閉合,表明這些部位的接縫受水壓力的影響較為明顯。但蓄水后該方向的開合度與蓄水前相比,幾乎沒有太大變化,說明水壓對面板縫隙影響很小。另外,根據(jù)觀測值發(fā)現(xiàn),蓄水后溫度對接縫處位移變化影響也較小。針對一年的監(jiān)測數(shù)據(jù)做線性回歸模型,預(yù)測三個(gè)方向變化趨勢,可以看出x、y方向的變化基本上由于溫度的影響變化不是很大,z方向變化主要由于水壓,隨著水位的上升呈現(xiàn)增長的趨勢,但壩體也逐漸趨于穩(wěn)定,相比安裝后該方向的位移變化減小,反映出大壩運(yùn)行的穩(wěn)定。本文的預(yù)測分析方法為同類工程位移觀測可提供一定的提導(dǎo)。

[1] 李 楠.測縫計(jì)在三峽大壩安全監(jiān)測中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2004,21(4):23-27,35.

[2] 陳 楠，陳秀軍，張海柱.安全監(jiān)測儀器檢驗(yàn)方法的探討[J].水利水電技術(shù)，2013，44(10)：113-116.

[3] 劉 杰,張美玲,吳 喻.水利工程監(jiān)測儀器的選擇.內(nèi)蒙古水利,2010(1):148-149.

[4] 朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制[M].北京：中國電力出版社,1999.

[5] 劉 波.基于多元線性回歸模型的大壩變形預(yù)報(bào)研究.人民長江,2010(20):53-55.The Automatic Monitoring and Analysis on the Joint Concrete Displacement in the Face Rockfill Dam

(編輯：賈麗紅)

SHANG Jianbao1,2

(1.ShanxiHydroelectricInvestigation&DesignInstitute,Taiyuan030024,China;2.ShanxiTangheHydropowerco.,Ltd.,Taiyuan030002，China)

With on the vibrating string type joint meter,three direction displacement calculation principle,and the monitoring data of Shanxi hydropower station joint as a basis for analysis, it was found that before water storage and storage period the main influence factors are different, changes of joints are also different.The linear regression model was adopted to predict the changing trend of measuring points in three directions.Thexdirection andydirection changed are mainly a affected by temperature,and the changes are predicted for different time in a day.zdirection change is mainly affected by water pressure,and changing with the rise of water level.The reduction of the displacement inzdirection reflects the dam stability.The prediction results and conclusions provide some guide on the displaceuent prediction of the actual joint of the dam.

vibrating string type joint meter;three direction displacement calculation;panel gap;real time monitoring;the regression model

1007-9432(2015)04-0470-04

2014-11-20

山西省國際合作項(xiàng)目(2013081034);山西省水利廳水利技術(shù)項(xiàng)目研究與推廣項(xiàng)目(201433,03011427)

尚劍寶(1968-),男,山西太原人，高級(jí)工程師，主要從事水利水電研究工作，(Tel)13803415798

TV522

B

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.04.022