混凝土面板應(yīng)力分析可視化程序研發(fā)與應(yīng)用

袁秋霜,菅 強(qiáng),韓 慶

(1.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065；2 西安航天基地配套工程服務(wù)有限公司，西安 710065)

0 前 言

對(duì)于混凝土面板堆石壩，趾板、面板與防浪墻是重要組成部分，布置于大壩最上游，為鋼筋混凝土建筑物，自下而上聯(lián)合組成防滲體，起主要防滲作用。混凝土面板為大壩的主要防滲結(jié)構(gòu)，但厚度較??；其下游的堆石體墊層雖為低透水性，但其滲透系數(shù)仍比面板混凝土大若干數(shù)量級(jí)，因而滲漏水的水頭損失主要發(fā)生在面板的厚度范圍內(nèi)，使面板承受很大的水力梯度[1]。面板在運(yùn)行期中，長(zhǎng)時(shí)間擋水，隨著庫(kù)水位的升降，混凝土面板在墊層坡面上隨堆石體的變形而產(chǎn)生位移與撓曲變形，一般總體呈凹鏡形，使各條面板自兩側(cè)向中央部位滑移[2-3]。如果壩體沉降變形較大，以及面板與堆石體變形不協(xié)調(diào)，面板內(nèi)部會(huì)形成極為復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，從而引發(fā)面板局部擠壓破壞和面板的結(jié)構(gòu)性裂縫[4-5]。面板的結(jié)構(gòu)性裂縫主要表現(xiàn)為壩肩附近平行于趾板線的斜向裂縫和面板水平向的張拉裂縫；壩肩的斜向裂縫主要緣于壩肩處堆石的不均勻變形，而面板水平向張拉裂縫則主要由堆石整體變形所導(dǎo)致的面板拉應(yīng)力過(guò)大所造成的。表1列舉出部分目前已建的面板堆石壩的面板破壞情況統(tǒng)計(jì)，局部擠壓破壞與結(jié)構(gòu)性裂縫為面板破壞的2種主要形式。因此，進(jìn)一步研究中高面板堆石壩的面板應(yīng)力問(wèn)題，加強(qiáng)面板應(yīng)力監(jiān)測(cè)與分析，對(duì)改進(jìn)設(shè)計(jì)方法、面板滲漏查找修復(fù)具有重要的工程意義[6-8]。

表1 已建面板堆石壩面板破壞情況統(tǒng)計(jì)表

1 面板應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

首先，面板應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置。對(duì)于大壩面板應(yīng)力監(jiān)測(cè)，測(cè)點(diǎn)應(yīng)按面板條塊布置，通常選取河谷最長(zhǎng)面板條塊及其左右岸坡各一面板條塊。對(duì)于高度超過(guò)100 m的1級(jí)壩，宜在可能產(chǎn)生擠壓破壞的面板條塊增設(shè)1個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。測(cè)點(diǎn)布置于面板條塊的中心線上，面板鋼筋計(jì)布置順坡和水平兩向[9-10]。對(duì)于高壩以及形態(tài)特殊的大壩面板，要專門研究面板應(yīng)力監(jiān)測(cè)方案，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)量[11]。因此，一般而言，大壩面板的監(jiān)測(cè)儀器數(shù)量眾多，各支儀器從埋設(shè)后開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，在持續(xù)數(shù)年的施工期，會(huì)積累較為龐大的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析工作任務(wù)較重。

其次，面板應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析的主要困難在于監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量眾多，且各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的空間分布不同，在施工期隨著時(shí)間的推移，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)都處于不斷的變化之中，對(duì)某一個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻的面板整體應(yīng)力分布規(guī)律可通過(guò)逐一查看此時(shí)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值，能夠獲得一個(gè)宏觀的認(rèn)識(shí)。但是想獲得面板整體應(yīng)力分布隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化的發(fā)展趨勢(shì)便使得工作量驟增。常規(guī)的面板應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析首先繪制各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力變化過(guò)程曲線，通過(guò)分別查看各測(cè)點(diǎn)的過(guò)程曲線來(lái)了解大壩面板的整體情況[12]。缺點(diǎn)在于，獲得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)獨(dú)立，無(wú)法將所有測(cè)點(diǎn)的歷史數(shù)據(jù)形成一個(gè)隨時(shí)間同步推進(jìn)、同步展示的整體進(jìn)行分析。從而對(duì)不同時(shí)刻的整個(gè)面板全部測(cè)點(diǎn)綜合應(yīng)力分布規(guī)律掌握不足。

因此，迫切需要一種強(qiáng)有力的手段對(duì)面板應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析工作進(jìn)行輔助，強(qiáng)化整體分析與動(dòng)態(tài)分析的能力，準(zhǔn)確掌握不同大壩面板獨(dú)特的受力特點(diǎn)。針對(duì)以上需求，結(jié)合目前已有的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整編分析手段，采用可視化程序語(yǔ)言編制了一款對(duì)全局?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行同步推移、同步展示的輔助程序，實(shí)現(xiàn)了對(duì)已有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的整合分析與提煉。

2 程序簡(jiǎn)介

(1) 編程工具

采用可視化程序語(yǔ)言Visual Basic(簡(jiǎn)稱VB)，該編程工具是Microsoft公司開(kāi)發(fā)的一種通用的基于對(duì)象的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，為結(jié)構(gòu)化和模塊化，以面向?qū)ο?、包含協(xié)助開(kāi)發(fā)環(huán)境的事件驅(qū)動(dòng)為機(jī)制的可視化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。功能強(qiáng)大，便于維護(hù)。

(2) 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)共2部分，分別為所有測(cè)點(diǎn)應(yīng)力數(shù)據(jù)表1份(xls格式)和大壩面板應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖(jpeg格式)1張。

(3) 程序界面

程序包含2個(gè)窗口。首先是數(shù)據(jù)輸入窗口(見(jiàn)圖1)。通過(guò)按鈕“輸入應(yīng)力值”選取測(cè)點(diǎn)應(yīng)力數(shù)據(jù)表(xls格式)，輸入的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)顯示在本窗口內(nèi)，以方便查看。

圖1 數(shù)據(jù)輸入界面圖

數(shù)據(jù)輸入后，會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)“應(yīng)力動(dòng)態(tài)分布圖”窗口(見(jiàn)圖2)。窗口中展示的面板體型為事先導(dǎo)入的“大壩面板應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖”。窗口底部為滑動(dòng)條控件，用于控制窗口中顯示的數(shù)據(jù)值的時(shí)刻。窗口左下角為圖例及大壩面板的相關(guān)參數(shù)。

(4) 功能簡(jiǎn)介

1) 用戶可以手動(dòng)拖動(dòng)滑動(dòng)條的滑塊，使其指向任意想要查看的時(shí)刻。

圖2 應(yīng)力動(dòng)態(tài)分布圖界面圖

2) 應(yīng)力動(dòng)態(tài)分布圖窗口中顯示出滑塊所指示日期的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值分布總圖。壓應(yīng)力用“-”，拉應(yīng)力用“+”。橫向鋼筋計(jì)應(yīng)力用水平短線表示，縱向鋼筋計(jì)應(yīng)力用豎直短線表示。

3) 如果滑塊所指示時(shí)刻水庫(kù)已蓄水，應(yīng)力動(dòng)態(tài)分布圖窗口中會(huì)顯示指示時(shí)刻的庫(kù)水在大壩面板上的淹沒(méi)線，并標(biāo)注當(dāng)前庫(kù)水位高程。

4) 本程序設(shè)置了動(dòng)態(tài)預(yù)警分析功能，用戶可以手動(dòng)輸入面板應(yīng)力警戒限值，當(dāng)某監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力超限時(shí)，會(huì)在應(yīng)力動(dòng)態(tài)分布圖窗口中突出顯示。

3 應(yīng)用演示

在云南某高面板堆石壩面板應(yīng)力監(jiān)測(cè)資料分析工作中，采用本分析輔助程序，對(duì)面板整體應(yīng)力的演變過(guò)程進(jìn)行分析與研究，時(shí)間跨度從監(jiān)測(cè)儀器安裝埋設(shè)至水庫(kù)蓄水運(yùn)行。程序應(yīng)用結(jié)果見(jiàn)圖3～6。

圖3 2014年4月6日面板鋼筋計(jì)應(yīng)力分布圖 (未蓄水)

從圖3～6看出，云南某高面板堆石壩河谷最長(zhǎng)面板條塊上鋼筋應(yīng)力在不同時(shí)段的變化情況及對(duì)應(yīng)的測(cè)值，鋼筋應(yīng)力在儀器安裝初期部分受拉部分受壓狀態(tài)，到蓄水至正常蓄水位時(shí)鋼筋應(yīng)力均為受壓狀態(tài)。通過(guò)對(duì)面板應(yīng)力分析可視化程序的應(yīng)用，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析人員能夠快速且直觀掌握不同時(shí)段面板應(yīng)力的變化過(guò)程與變化趨勢(shì)，為后續(xù)面板應(yīng)力問(wèn)題的研究打下一定的基礎(chǔ)。

圖4 2014年11月5日面板鋼筋計(jì)應(yīng)力分布圖 (蓄水前)

圖5 2014年11月14日面板鋼筋計(jì)應(yīng)力分布圖 (蓄水至1 569.30 m)

圖6 2015年3月13日面板鋼筋計(jì)應(yīng)力分布圖 (蓄水至正常蓄水位)

4 結(jié) 語(yǔ)

本程序的開(kāi)發(fā)旨在將原本獨(dú)立的單支面板應(yīng)力監(jiān)測(cè)儀器的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行同步推移與同步展示，便于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析人員形成大壩面板應(yīng)力的全局認(rèn)識(shí)，掌握大壩面板全時(shí)段的變化趨勢(shì)，從而提升觀測(cè)數(shù)據(jù)分析的質(zhì)量與效率，為進(jìn)一步研究中高面板堆石壩的面板應(yīng)力問(wèn)題，改進(jìn)設(shè)計(jì)方法、面板滲漏查找修復(fù)打下一定的基礎(chǔ)。