浩口水電站發(fā)電廠房邊坡錨索加固監(jiān)測與分析

謝紅蘭，張忠舉，謝長江

（1. 江蘇南水科技有限公司，江蘇 南京 210012；2. 水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210012；3. 中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410004）

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浩口水電站發(fā)電廠房邊坡錨索加固監(jiān)測與分析

謝紅蘭1，2，張忠舉1，2，謝長江3

（1. 江蘇南水科技有限公司，江蘇 南京 210012；2. 水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210012；3. 中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410004）

摘 要：錨索測力計用于加固錨索張拉力的監(jiān)測。以浩口水電站發(fā)電廠房邊坡錨索加固監(jiān)測工程為實例，介紹錨索測力計的工作原理、計算方法、安裝步驟及監(jiān)測過程，通過被測錨索在張拉及鎖定后錨索受力的變化情況，分析錨固力損失產(chǎn)生的原因及錨索鎖緊時應(yīng)注意的事項，由此說明錨索測力計對指導(dǎo)錨索施工、檢驗施工質(zhì)量及工程長期安全監(jiān)測等方面發(fā)揮重要作用，對類似工程具有一定的參考價值和實際意義。

關(guān)鍵詞：邊坡監(jiān)測；錨索加固；監(jiān)測資料；數(shù)據(jù)分析

0　引言

浩口水電站為芙蓉江干流（小河口～江口）11 級開發(fā)中的第 10 級，是一座以發(fā)電為主的中型水電樞紐工程，開發(fā)主要任務(wù)為發(fā)電，樞紐由碾壓混凝土重力壩、取水口、引水隧洞、廠房和開關(guān)站等建筑物組成。樞紐布置格局為碾壓混凝土重力壩壩身泄水，左岸引水發(fā)電，廠房布置 3 臺混流式水輪發(fā)電機(jī)組廠房。根據(jù) DL 5180—2003《水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計安全標(biāo)準(zhǔn)》和 GB 50201—94《防洪標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，浩口水電站工程等別為 3 等，永久性水工主要建筑物（大壩、引水系統(tǒng)、廠房）級別為3 級，次要建筑物為 4 級，臨時建筑物為 5 級。

由于廠房修建于堆積體前緣，廠房、尾水渠及進(jìn)廠公路的開挖對堆積體造成擾動形成了新的臨空面。根據(jù)廠房邊坡穩(wěn)定分析，廠房邊坡整體穩(wěn)定性較好，但存在局部不穩(wěn)定情況，所以工程采取在Z5-Z5 剖面上下游各 50 m 范圍內(nèi)沿進(jìn)廠公路布設(shè)25 個預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行加固［1］。為了解發(fā)電廠房邊坡的變化情況，及時掌握加固錨索在邊坡巖石中的工作性狀，在 25 個錨索中安裝了4 臺錨索測力計，進(jìn)行施工期和運(yùn)行期的錨索受力監(jiān)測及加固分析。

1　錨索測力計監(jiān)測設(shè)計與實施

1.1錨索測力計工作原理

浩口水電站發(fā)電廠房邊坡監(jiān)測儀器采用SXMS-1000 型振弦式錨索測力計，測力計主要由承重筒、保護(hù)桶、敏感部件、激振線圈及熱敏電阻等組成。敏感部件為振弦式應(yīng)變計芯體，根據(jù)載荷大小在承重筒周圍均勻布置 3～6 支振弦式應(yīng)變計芯體，使應(yīng)變計芯體與承重筒產(chǎn)生同步變形，當(dāng)荷載使承重筒產(chǎn)生軸向變形時，引起應(yīng)變計芯體振弦的張弛，使振弦長度發(fā)生變化從而改變振弦的振動頻率。激振線圈對振弦激振并感應(yīng)其固有振動頻率，感應(yīng)的頻率信號經(jīng)電纜傳輸至測量儀表，通過芯體的固有振動頻率可計算出引起承重筒變形的應(yīng)變量，代入標(biāo)定系數(shù)即可求出錨索測力計所承受力的變化量。錨索測力計既可測出錨索作用在錨索測力計上的總荷載，同時通過測讀每支應(yīng)變計，也可測出作用在承重筒上不均勻或偏心荷載，并可同步測量埋設(shè)點的溫度。

振弦式錨索測力計中的每支應(yīng)變計芯體為 1 個測量單元，單支應(yīng)變計芯體可測出測力計單邊受力狀況，由數(shù)支應(yīng)變計芯體的平均測值可計算出測力計整體受力狀況，計算出測力計受力的偏心方向及大小，減少或消除不均勻或偏心荷載的影響。

1.2錨索測力計安裝

監(jiān)測儀器的安裝質(zhì)量是獲得可靠觀測資料的關(guān)鍵。如果埋設(shè)安裝不當(dāng)，會采集不到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，錨索測力計的安裝伴隨錨索的張拉進(jìn)行，安裝及搬運(yùn)過程中需小心，安裝示意圖如圖 1 所示［2］。

圖1　錨索測力計安裝示意圖

錨索測力計安裝時需注意以下幾點：

1）安裝時錨索測力計上下面與承壓面之間應(yīng)清理干凈，不能有鐵屑和沙粒，否則會影響測值；同時應(yīng)使錨索測力計的軸線與待測錨索軸線同軸。

2）為了保證錨索測力計能有效感應(yīng)錨索的張力，根據(jù)錨索的錨固體結(jié)構(gòu)，錨索測力計應(yīng)置于錨墊板和工作錨之間，錨索或鋼絞線從錨索測力計的中心孔中穿過，使錨索測力計能均勻受力。

3）為防止錨索測力計在張拉過程中與錨墊板產(chǎn)生滑移，引起測值偏小或失真，須保證測力計安裝基面與錨索中心軸線垂直，偏差在 ± 1.5° 以內(nèi)。

4）錨墊板和工作錨應(yīng)可靠地壓在錨索測力計的承重筒上，不得有間隙。加載時應(yīng)從中間錨索開始向周圍錨索逐步加載，以免受力偏心或過載。在荷載穩(wěn)定后應(yīng)測取讀數(shù)，同時注意各傳感器反映的荷載是否一致。如發(fā)現(xiàn)幾何偏心過大，應(yīng)立即予以調(diào)整。

5）錨索測力計定位前應(yīng)測量儀器的初值（無荷載），在錨索的張拉和錨固過程中應(yīng)對錨索測力計進(jìn)行實時監(jiān)測，以測定預(yù)應(yīng)力大小及損失，確定超拉值。預(yù)加應(yīng)力施工完成后，可利用錨索測力計進(jìn)行定期檢查或長期監(jiān)測。

6）作好記錄并存檔，保護(hù)好儀器的引出電纜。

1.3錨索測力計計算

振弦式儀器的量綱采用頻率模數(shù) F 度量，定義為

式中：? 為振弦式儀器中鋼絲的自振頻率；F 為振弦式儀器輸出的頻率模數(shù)。

錨索測力計一般計算公式如下：

1）當(dāng)外界溫度恒定，錨索測力計僅受到軸向載荷時，承受的載荷 P 與輸出的頻率模數(shù)變化量 △F之間具有如下線性關(guān)系：

式中：k 為錨索測力計的系數(shù)；△F 為錨索測力計的實時輸出值相對于基準(zhǔn)值的變化量；F0為錨索測力計的基準(zhǔn)值。

2）當(dāng)錨索測力計不受外力作用，溫度增加 △T時，有一個輸出變化量 △F′，這個輸出變化量僅僅是由環(huán)境溫度變化造成的，因此在計算時應(yīng)扣除。

通過實驗可知 △F′ 與 △T 具有下列線性關(guān)系：

式中：b 為錨索測力計的溫度修正系數(shù)；△T 為溫度實時測量值相對于基準(zhǔn)值的變化量；T 為溫度的實時測量值；T0為溫度的基準(zhǔn)值。

3）錨索測力計在使用時受到的是載荷 P 和溫度的雙重作用，因此錨索測力計一般計算公式為

式中：P 為錨索測力計計算出的荷載量。

計算時需注意振弦式錨索測力計具有溫度自動補(bǔ)償功能，經(jīng)試驗測得的溫度修正系數(shù)一般很小，實際使用中可不考慮溫度修正，用式（2）進(jìn)行計算［3］。

2　錨索測力計監(jiān)測結(jié)果及分析

2.1錨索測力計張拉受力情況

在張拉過程中可根據(jù)觀測數(shù)據(jù)判斷錨索測力計受力大小，通過錨索測力計的數(shù)據(jù)分析和油表壓力顯示值，可判斷錨索張拉的情況，從而對錨索的張拉過程進(jìn)行指導(dǎo)［4-5］。錨索測力計安裝時的觀測數(shù)據(jù)計算成果如表 1 所示，鎖定后的觀測數(shù)據(jù)及計算成果如表 2 所示。

2.2錨索測力計受力損失分析

錨索測力計在觀測過程中，易受外界影響。因測力計安裝在巖石體外部，受溫度和降水影響較大。錨索測力計受力和溫度變化過程線如圖 2～5 所示。

從觀測數(shù)據(jù)和計算成果可見，邊坡監(jiān)測錨索荷載自張拉鎖定后均有不同程度的損失，由歷時曲線圖看出各錨索測力計荷載鎖定及鎖定的初期（1 個月左右）損失較大，后期損失較小，反映出邊坡在初期錨索預(yù)應(yīng)力荷載作用下存在巖石裂隙閉合的蠕變現(xiàn)象，錨索測力計運(yùn)行正常。

表1　錨索測力計安裝時的觀測數(shù)據(jù)計算成果表

3　錨索測力計作用

3.1對施工的指導(dǎo)作用

發(fā)電廠房邊坡錨索設(shè)計載荷為 100 t，從監(jiān)測數(shù)據(jù)分析情況看，正常的張拉鎖定后滿足不了設(shè)計要求，利用超張拉措施才能滿足設(shè)計要求，其中 S2安裝損失率較大，其他儀器控制在 10% 以內(nèi)。所以，通過錨索測力計的監(jiān)測數(shù)據(jù)可非常直觀地判斷錨索安裝是否符合設(shè)計要求。

表2　錨索測力計鎖定后觀測成果表

圖2　錨索測力計S1受力-溫度變化過程線

3.2對錨索加固的作用

錨索屬于隱蔽性過程，影響錨固的效果因素多，錨索的工程非常重要。從錨索測力計受力-溫度變化過程線可以看出，4 臺錨索測力計安裝后錨索受力減小；但到 6月，由于強(qiáng)降雨，導(dǎo)致錨固力增大，錨固力呈上升趨勢，并趨于穩(wěn)定。所以，通過對錨索測力計的長期監(jiān)測，可判斷錨索加固的作用。

圖3　錨索測力計S2受力-溫度變化過程線

4　結(jié)語

在邊坡錨索加固中，安裝的 4 臺錨索測力計在張拉和鎖定荷載后荷載滿足設(shè)計要求，現(xiàn)在錨索測力計全部達(dá)到設(shè)計的錨固力 90% 以上，錨索效果較好，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。監(jiān)測過程中引起應(yīng)力變化及損失的因素，有以下情況：

1）張拉過程損失。錨索與千斤頂?shù)哪Σ?，鉆孔的平直等，錨索安裝后與孔壁接觸面小，偏心等，會產(chǎn)生較小的損失。

圖4　錨索測力計S3受力-溫度變化過程線

圖5　錨索測力計S4受力-溫度變化過程線

2）觀測時間的應(yīng)力損失。時間推移，錨索的應(yīng)力損失，鋼絞線的松弛，錨墩的混凝土徐變，被錨固介質(zhì)的流變等都會產(chǎn)生一定的壓力損失。

3）錨索鎖定損失。錨索張拉完成后，千斤頂卸荷是靠工作錨板鎖定錨索的，鎖定時鋼絞線有一定的回縮，回縮與松弛引起鎖定損失。

通過超設(shè)計載荷張拉、鎖定方式，可減少錨索荷載各階段不同程度的損失，使錨索發(fā)揮應(yīng)有的作用。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 中國水電顧問集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計研究院. 芙蓉江浩口水電站安全監(jiān)測設(shè)計專題報告［R］. 貴陽：中國水電顧問集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計研究院，2011: 1-7.

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［3］ 水利部南京水利水文自動化研究所. DG 型大壩安全自動監(jiān)測系統(tǒng)培訓(xùn)教材［R］. 南京：水利部南京水利水文自動化研究所，2010: 161-165.

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［5］ 樊啟祥，劉益勇，王毅. 向家壩水電站大型地下廠房洞室群施工和監(jiān)測［J］. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2011（4）: 666-676.

Analysis on Anchor Reinforcement Monitoring on Powerhouse Slope of Haokou Hydropower Station

XIE Honglan1，2，ZHANG Zhongju1，2，XIE Changjiang3
（1. Jiangsu Naiwch Co.，Ltd，Nanjing 210012，China；2. Research Centre on Hydrology& Water Resources Monitoring，the Ministry of Water Resources，Nanjing 210012，China；3. Sinohydro Bureau 8 Co.，LTD，Changsha 410004，China）

Abstract:The anchor cable dynamometer is used to monitor the anchor reinforce cable. Taking anchor reinforcement monitoring project on powerhouse slope of Haokou hydropower station Haokou as an example，the article introduces the working principle，computational method，installation steps and measuring process of the anchor cable dynamometer. Through the anchor cable force change of monitored anchor cable after tension and locked，it analyzes the causes of the anchoring force loss and matters that should be paid attention to when anchor cable is locked. This shows the role of anchor dynamometer in slope cable construction and engineering safety monitoring. At the same time，it has certain reference significance for other projects.

Key words:slope monitoring；anchor cable reinforcement；monitoring data；data analysis

中圖分類號：TV731

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-9405（2016）03-0048-04

DOI:10.19364/j.1674-9405.2016.03.011

收稿日期：2016-02-02

作者簡介：謝紅蘭（1966-），女，江蘇南京人，工程師，從事工程安全監(jiān)測儀器設(shè)備生產(chǎn)、項目建設(shè)與管理等工作。