大壩應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)的多因素時(shí)變分析模擬

王立強(qiáng)

(河北禹誠(chéng)水利工程有限公司，河北 滄州 061000)

0 引 言

攔河土石壩是小規(guī)模梯級(jí)水利發(fā)電項(xiàng)目兼具灌溉功能的重要水利設(shè)施，因?yàn)橥潦瘔蔚墓こ塘W(xué)特征，對(duì)運(yùn)行中土石壩進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，是確保其運(yùn)行安全性和可靠性的重要保障措施。當(dāng)前技術(shù)條件下，使用激光點(diǎn)云法對(duì)土石壩壩頂曲線進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，從而獲得壩體應(yīng)變，進(jìn)一步推測(cè)壩體應(yīng)力，是一種低成本壩體監(jiān)測(cè)方法。而通過(guò)預(yù)埋式應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試壩體應(yīng)力，也是一種常見(jiàn)的應(yīng)力監(jiān)測(cè)方法。

本文研究中，擬使用上述兩種監(jiān)測(cè)方法并行，通過(guò)分析數(shù)據(jù)相關(guān)性，在時(shí)域數(shù)據(jù)變化特征的分析模型下，對(duì)壩體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行更細(xì)致、更可靠的監(jiān)測(cè)。

1 監(jiān)測(cè)方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 壩體應(yīng)變監(jiān)測(cè)方案

最初應(yīng)用無(wú)人機(jī)機(jī)載平臺(tái)的激光點(diǎn)云設(shè)備，利用多角度的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在Smart3D大數(shù)據(jù)引擎的支持下，實(shí)時(shí)構(gòu)建監(jiān)測(cè)對(duì)象的DEM模型。在壩體監(jiān)測(cè)過(guò)程中，利用固定在壩體兩側(cè)山體的高位激光點(diǎn)云探頭，對(duì)個(gè)案壩體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，也可以達(dá)到無(wú)人機(jī)激光點(diǎn)云監(jiān)測(cè)的效果。而且因?yàn)楣潭す恻c(diǎn)云設(shè)備可以持續(xù)對(duì)壩體進(jìn)行照射監(jiān)測(cè)，有效避免以往無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)過(guò)程中需要等無(wú)人機(jī)落地后再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性不足的問(wèn)題。固定探頭因?yàn)榕臄z角度有限，拍攝距離偏遠(yuǎn)，所以也需要使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行補(bǔ)充測(cè)量，以提升壩體DEM模型的精度。詳見(jiàn)圖1。

圖1 基于激光點(diǎn)云DEM模型的應(yīng)變-應(yīng)力分析數(shù)據(jù)流圖

圖1中，使用上述方法獲得DEM模型后，一定周期的DEM模型會(huì)被存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，新生成的DEM模型會(huì)與數(shù)據(jù)庫(kù)中的以往各周期DEM模型進(jìn)行比較分析，最終獲得壩體的應(yīng)變特征，進(jìn)一步通過(guò)應(yīng)變-應(yīng)力傳導(dǎo)函數(shù)，推測(cè)壩體應(yīng)力。該傳導(dǎo)函數(shù)見(jiàn)式(1)：

(1)

式中：F為壩體的總受力；L為壩體長(zhǎng)度；H為壩體高度；Si為壩體位置i處的形變；ηi為壩體位置i處的應(yīng)變-應(yīng)力傳導(dǎo)系數(shù)；y(x)為壩體高度與壩體位置之間的逼近函數(shù)；ρ為水體密度；γx為壩體位置x處的水壓傳導(dǎo)系數(shù)。

1.2 壩體應(yīng)力監(jiān)測(cè)方案

通過(guò)在壩體內(nèi)直接埋入應(yīng)力探頭的方式，獲得壩體應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果。式(1)獲得的壩體受力情況除以壩體淹水面面積獲得的壩體應(yīng)力(MPa)與壩體應(yīng)力探頭獲得的壩體應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果(MPa)之間會(huì)形成曲線對(duì)應(yīng)關(guān)系。

個(gè)案中，壩體長(zhǎng)度為935 m，壩體最大高度42 m，最大庫(kù)容量12.7×104m3，最大設(shè)計(jì)蓄水深度39.5 m，此時(shí)可以獲得壩體的最大根部應(yīng)力約為0.405 MPa。但因?yàn)樗鳝h(huán)境、動(dòng)壓環(huán)境、滲流環(huán)境等影響，該應(yīng)力會(huì)發(fā)生較顯著變化。而且因?yàn)閴误w蠕性形變和彈性形變的對(duì)應(yīng)關(guān)系，該應(yīng)力-應(yīng)變分布曲線也有變化。所以，通過(guò)式(1)雙向推導(dǎo)壩體的應(yīng)力應(yīng)變特征，會(huì)獲得壩體的時(shí)域數(shù)據(jù)特征，對(duì)壩體穩(wěn)定性作出評(píng)價(jià)。

2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)域空間分析

在935 m的壩體總長(zhǎng)度中，應(yīng)力探頭的埋設(shè)距離設(shè)定為60 m，則整個(gè)壩體埋設(shè)探頭數(shù)量為15個(gè)?？疾旖孛鏀?shù)據(jù)，其應(yīng)力及應(yīng)變分布情況見(jiàn)表1。

表1 壩體應(yīng)力及應(yīng)變分布情況表

表1中，經(jīng)過(guò)應(yīng)力探頭反推應(yīng)變與應(yīng)變實(shí)測(cè)結(jié)果，以及應(yīng)變探頭反推應(yīng)力結(jié)果與應(yīng)變實(shí)測(cè)結(jié)果，數(shù)據(jù)兩兩之間的評(píng)價(jià)區(qū)間存在一定的差異性，但其均值關(guān)系基本一致。表明在一般狀態(tài)下，該兩套系統(tǒng)基本可以獨(dú)立完成應(yīng)力及應(yīng)變的監(jiān)測(cè)過(guò)程。

對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化，以實(shí)測(cè)結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)值，分析兩套數(shù)據(jù)的反推誤差，其分布情況見(jiàn)圖2。

圖2 數(shù)據(jù)反推誤差分布情況圖

由圖2中發(fā)現(xiàn)，靠近壩體中央位置的反推數(shù)據(jù)中，二者均出現(xiàn)了正向誤差；靠近壩體兩端位置的反推數(shù)據(jù)中，二者均出現(xiàn)了逆向誤差。且盈利反推應(yīng)變的過(guò)程誤差率高于應(yīng)變反推盈利過(guò)程。

因?yàn)樵撜`差產(chǎn)生機(jī)理較為穩(wěn)定，可以認(rèn)定該誤差為系統(tǒng)誤差。所以，在進(jìn)行壩體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的過(guò)程中，應(yīng)利用基于激光點(diǎn)云監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果和基于預(yù)埋式應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果給出壩體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)系數(shù)，該系數(shù)為100倍應(yīng)力(MPa)與應(yīng)變(mm)的熵值，單位MPa/mm。

考察該穩(wěn)定性在全年數(shù)據(jù)中的時(shí)域表現(xiàn)，其分布曲線見(jiàn)圖3。

圖3 壩體穩(wěn)定性時(shí)域變化規(guī)律

由圖3中可知，每年3月份開始，穩(wěn)定性系數(shù)出現(xiàn)較陡的上升沿；至6-7月份，該值上升到峰值；而至10月份之后，該值在低位拉平且低位保持至次年的2-3月份。該趨勢(shì)與當(dāng)?shù)氐慕邓植记闆r基本保持一致，即可認(rèn)為當(dāng)穩(wěn)定性系數(shù)增大時(shí)，壩體穩(wěn)定性受到挑戰(zhàn)；反之，壩體穩(wěn)定性增加。鑒于該穩(wěn)定性系數(shù)分布規(guī)律，考察水庫(kù)水位與穩(wěn)定性系數(shù)之間的關(guān)系，詳見(jiàn)圖4。

圖4 水庫(kù)水位與壩體穩(wěn)定性系數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

由圖4中可知，隨著水庫(kù)最大蓄水位升高，穩(wěn)定性系數(shù)幾乎呈線性關(guān)系升高，且曲線略有下彎。即壩體穩(wěn)定性系數(shù)隨著水庫(kù)水位升高而線性升高的同時(shí)，其升速也隨之加快。但當(dāng)庫(kù)容量為40 m，其穩(wěn)定性系數(shù)升高速率沒(méi)有出現(xiàn)收斂和失穩(wěn)狀態(tài)，可以認(rèn)為該土石壩當(dāng)前狀態(tài)，支持水庫(kù)的最大蓄水條件下的壩體穩(wěn)定性，即該土石壩在水庫(kù)達(dá)到最大蓄水量時(shí)，其穩(wěn)定性仍具備工程學(xué)意義。該土石壩面臨的覆壩風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)大于潰壩風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)壩體應(yīng)力應(yīng)變特征進(jìn)行基于物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的時(shí)域分析，可以得出以下結(jié)論：

1) 壩體中部署的基于固定激光點(diǎn)云探頭結(jié)合無(wú)人機(jī)激光點(diǎn)云探頭的壩體應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、壩體中部署的預(yù)埋式壩體應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，均可提供高可靠、高可用的應(yīng)力、應(yīng)變時(shí)域數(shù)據(jù)，二者進(jìn)行應(yīng)力-應(yīng)變雙向反推的監(jiān)測(cè)結(jié)果，最大誤差率小于±1.0%，符合工程大數(shù)據(jù)需求。

2) 基于應(yīng)力應(yīng)變整合數(shù)據(jù)進(jìn)行的壩體穩(wěn)定性系數(shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，證實(shí)在時(shí)域空間上壩體的低穩(wěn)定性狀態(tài)集中在每年夏秋季，該峰值分布情況與當(dāng)?shù)亟邓糠逯捣植记闆r基本一致。

3) 通過(guò)將壩體穩(wěn)定性系數(shù)與庫(kù)容量之間進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，壩體穩(wěn)定性在時(shí)域空間上表現(xiàn)出的分布特征，其本質(zhì)是壩體庫(kù)容量與壩體穩(wěn)定性系數(shù)之間的統(tǒng)計(jì)學(xué)關(guān)系。該關(guān)系符合工程力學(xué)特征。