近海軟基水閘水平位移監(jiān)控指標研究

付傳雄，張君祿，廖文來，陳曉文，陳克振，林少川

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院， 廣東 廣州 510610； 2.廣東省山洪災(zāi)害突發(fā)事件應(yīng)急技術(shù)研究中心， 廣東 廣州 510610；3.廣東省巖土工程技術(shù)研究中心， 廣東 廣州 510610； 4.廣東省潮州供水樞紐管理處， 廣東 潮州 521011)

近海軟基水閘水平位移監(jiān)控指標研究

付傳雄1,2,3，張君祿1,2,3，廖文來1,2,3，陳曉文1,2,3，陳克振4，林少川4

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院， 廣東 廣州 510610； 2.廣東省山洪災(zāi)害突發(fā)事件應(yīng)急技術(shù)研究中心， 廣東 廣州 510610；3.廣東省巖土工程技術(shù)研究中心， 廣東 廣州 510610； 4.廣東省潮州供水樞紐管理處， 廣東 潮州 521011)

針對當(dāng)前大壩安全監(jiān)控指標擬定方法未同時考慮運行期的監(jiān)測成果、結(jié)構(gòu)材料特性以及結(jié)構(gòu)荷載情況的問題，建立基于變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的近海軟基水閘水平位移監(jiān)控指標擬定方法。以某近海軟基攔河閘變形監(jiān)測資料為基礎(chǔ)，通過對長序列的水平位移監(jiān)測成果進行分析，結(jié)合庫水位變化情況，研究閘壩變形特征及與庫水位的相關(guān)性，獲得該樞紐的位移變化規(guī)律，同時建立水閘三維有限元模型，分析不同工況下的水平位移值，可為該類水閘監(jiān)測與安全運行提供指導(dǎo)。

大壩安全監(jiān)測；水平位移；監(jiān)測數(shù)據(jù)分析；安全監(jiān)控指標

大壩安全監(jiān)測不僅可以作為保證大壩安全正常運行，充分發(fā)揮工程效益的有效手段，同時還可以檢驗設(shè)計的合理性，提高設(shè)計技術(shù)水平，以及為了解結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量、改進施工技術(shù)、加快施工進度提供可靠的信息，已被越來越多的工程科研、管理、設(shè)計及施工人員所重視。

水平位移監(jiān)控指標作為能夠快速判定結(jié)構(gòu)的工作性狀，指導(dǎo)運行管理，是保障水工建筑物安全運行的重要依據(jù)[1]，其擬定方法主要有基于實測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計模型分析[2-7]和考慮結(jié)構(gòu)性態(tài)的確定性分析[8-11]等方法。前者雖有考慮實測變形值，但未考慮水工建筑物的結(jié)構(gòu)材料特性，無法真實反映水工結(jié)構(gòu)實際情況；后者雖充分考慮水工建筑物的結(jié)構(gòu)材料特性和受力情況，但未考慮時效變形影響。本文擬結(jié)合某近海軟基水閘結(jié)構(gòu)的多年監(jiān)測成果，建立該水閘結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，分析其在不同荷載工況下的變形特征，通過多年監(jiān)測成果確定該結(jié)構(gòu)的水平位移時效分量，確定該水閘的水平位移變形監(jiān)控指標，為工程運行提供指導(dǎo)。

1 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

1.1 工程概況

本工程地處華南沿海，是一座以供水為主攔河閘樞紐。攔河閘的正常蓄水位、設(shè)計洪水位和校核洪水位分別為10.50 m、12.93 m和14.63 m。

攔河閘為閘門控制的平底開敞式水閘，東、西溪各布置了16孔共32孔泄洪閘，兩孔整體一聯(lián)一縫，每閘孔凈寬14.0 m。閘室采用平底寬頂堰，底流消能。閘墩結(jié)構(gòu)尺寸見表1[12]。

表1 閘墩結(jié)構(gòu)尺寸

1.2 地質(zhì)條件

攔河閘下分布深厚第四系沖積層，總厚度大于80 m。高程在-20.00 m以上主要為新近沉積的中細砂、淤泥、淤泥質(zhì)黏土夾淤質(zhì)粉細砂，由于其具有高壓縮性和承載力小的特點，不宜作天然地基，因此采用深層攪拌樁復(fù)合地基，復(fù)合地基的基本材料參數(shù)見表2[13]。

表2 復(fù)合地基物理力學(xué)參數(shù)

1.3 監(jiān)測布置

樞紐布設(shè)有上下游水位觀測、閘壩變形、揚壓力和地基反力觀測等觀測項目[14]。以樞紐東溪閘壩8#閘墩介紹閘壩水平位移監(jiān)測設(shè)施布置情況。在閘墩上游側(cè)頂部，布設(shè)了測量機器人法[14]用于監(jiān)測閘壩壩頂水平位移；在閘墩上游側(cè)布設(shè)測斜孔監(jiān)測閘墩水平位移，測斜孔深入砂卵石層，孔深35.5 m；閘墩上下游分別布設(shè)表面垂直位移測點，監(jiān)測閘墩上下游傾斜位移。測點布置圖如圖1所示。

圖1變形監(jiān)測測點布置圖

1.4 變形分析

閘墩水平位移初始值于2005年9月測得，閘壩壩頂水平位移初始值于2008年7月測得，蓄水后定期監(jiān)測。至2016年12月31日，8#閘壩壩頂水平位移過程線如圖2所示。閘壩壩頂各測點水平位移多年均值在-10 mm～10 mm之間[15]。

圖2兩種方法的水平位移過程線圖

由于測量機器人法的初始值于2008年7月才測得，當(dāng)時樞紐已建成蓄水，因此測量機器人法的水平位移變形增量小于測斜儀法的增量值，且該值在0附近呈規(guī)律性的上下波動，說明此時樞紐水平位移變形趨于穩(wěn)定。

圖3為8#閘墩測斜管測得的閘墩位移，圖4為8#閘墩測斜管管頂位移和建基面位移過程線，圖5為8#閘墩上下游沉降情況和上下游沉降差。由圖4和圖5可知，建基面的位移比閘頂位移量大，上游沉降量比下游大，反映出閘壩向上游測傾斜。

圖3 8#閘墩水平位移變化圖(-18 m位置為建基面)

圖4 8#閘墩管頂和建基面位移情況

2 水平位移監(jiān)控指標研究

根據(jù)閘壩結(jié)構(gòu)設(shè)計特點，考慮閘壩的地基特性，建立8#閘墩三維有限元模型，如圖6、圖7所示。

圖5 8#閘墩上下游沉降情況

圖6 8#所在壩閘結(jié)構(gòu)整體有限元模型

圖7 8#閘墩所在閘室結(jié)構(gòu)整體有限元模型

有限元模型分三個部分，上部混凝土水閘結(jié)構(gòu)，下部分別為復(fù)合地基層、中細砂巖層和砂礫巖層，下部結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)見表2，上部混凝土水閘結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)為彈性模量29.00 GPa、泊松比0.167、抗壓強度40.00 MPa及抗拉強度3.00 MPa。

分別考慮自重作用、正常蓄水位、設(shè)計洪水位和校核洪水位4種工況，對結(jié)構(gòu)開展靜力分析。分析結(jié)果見圖8～圖11。

通過有限元分析了上述4種工況下8#閘墩的位移情況，由圖8～圖11可知，閘壩的最大順河向水平位移發(fā)生在閘墩下部，向下游側(cè)，規(guī)律與實測值十分相似，4種工況下的水平位移分別為0.24 mm、7.06 mm、10.57 mm和16.32 mm，通過有限元計算出的變形值為閘墩穩(wěn)定后的值，計算得到的結(jié)果與測量機器人法的實測值相近。

圖8 自重工況中墩水平位移

圖9 正常水位工況中墩水平位移

圖10 設(shè)計水位工況中墩水平位移

圖11校核水位工況中墩水平位移

根據(jù)三維有限元計算結(jié)果，在最不利工況時，閘墩結(jié)構(gòu)各處應(yīng)力強度均在彈性范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)破壞。因此，取最不利工況下的最大位移為16.32 mm作為水平位移監(jiān)控指標計算值，同時結(jié)合變形實測數(shù)據(jù)，取8#閘墩的測斜管管頂最大位移作為監(jiān)控指標的時效位移分量為35.47 mm，綜合得出8#閘墩彈性階段的水平位移監(jiān)控指標51.79 mm。

3 結(jié) 語

本文通過對軟基上的閘壩水平位移監(jiān)測成果分析和監(jiān)控指標研究，得出如下結(jié)論：

(1) 軟基上閘壩樞紐水平位移變形主要發(fā)生在樞紐建成后的蓄水期，運行3 a左右后閘壩的水平位移趨于穩(wěn)定。

(2) 對于近海軟基上閘壩樞紐，在水壓作用下，閘壩上下游發(fā)生不均勻沉降，且表現(xiàn)為向上游傾斜，從閘壩的測斜數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，建基面的水平位移比閘頂?shù)乃轿灰拼?，閘墩整體表現(xiàn)為向上游傾斜。

(3) 通過有限元分析了4種工況下閘墩的位移情況，閘壩的最大順河向水平位移發(fā)生在閘墩下部，向下游側(cè)，規(guī)律與實測值非常相似，4種工況下的水平位移分別為0.24 mm、7.06 mm、10.57 mm和16.32 mm，通過有限元計算出的變形值為閘墩穩(wěn)定后的值，計算得到的結(jié)果與測量機器人法的實測值相近。

(4) 根據(jù)變形實測數(shù)據(jù)，定出閘墩的時效位移分量為35.47，同時結(jié)合三維有限元工況下的計算位移值16.32 mm，綜合得出8#閘墩彈性階段的水平位移監(jiān)控指標51.79 mm。

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MonitoringIndexofHorizontalDisplacementofSluiceofSoftFoundationinOffshoreArea

FU Chuanxiong1,2,3, ZHANG Junlu1,2,3, LIAO Wenlai1,2,3, CHEN Xiaowen1,2,3, CHEN Kezhen4, LIN Shaochuan4

(1.GuangdongResearchInstituteofWaterResourcesandHydropower,Guangzhou,Guangdong510610,China;2.GuangdongTechnicalResearchCentreofFloodDisasterEmergency,Guangzhou,Guangdong510610,China;3.GuangdongResearchCenterofGeotechnicalEngineeringTechnology,Guangzhou,Guangdong510610,China;4.ChaozhouWaterSupplyComplexAdministrationDepartment,Chaozhou,Guangdong521011,China)

A combined method to determine safety monitoring index for concrete dams based on analysis of horizontal displacement monitoring data of offshore soft foundation was proposed in this paper. A case study of deformation monitoring data of a coastal soft foundation was carried out, based on the analysis of the results of horizontal displacement monitoring of long sequence, the deformation characteristics of the dam and the correlation between the deformation characteristics and the water level are analyzed, and the displacement rule of the horizontal displacement is obtained. At the same time, the three-dimensional finite element model of the sluice is established to calculate the horizontal displacement value of the sluice, which can provide guidance for the monitoring and safe operation of the sluice.

damsafetymonitoring;horizontaldisplacement;monitoringdataanalysis;safetymonitoringindex

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.06.034

2017-08-20

2017-09-12

廣東省水利創(chuàng)新基金項目(2016-06)；廣東省水利水電科學(xué)研究院青年科研基金項目(201405001)

付傳雄(1985—)，男，湖北孝感人，碩士，工程師，主要從事水利工程的安全鑒定、監(jiān)測及檢測工作。 E-mail: hbfcxiong@163.com

TV698.1

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1672—1144(2017)06—0173—04