真空激光準(zhǔn)直拱壩變形監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)研究

田國(guó)民，田宇東

(中國(guó)水電顧問集團(tuán)桃源水電廠，湖南 桃源 415700)

某水電站攔河大壩為混凝土重力拱壩，壩頂水平位移采用視準(zhǔn)線觀測(cè)法，垂直于河流布置，視準(zhǔn)線工作基點(diǎn)布置在兩岸壩肩，利用經(jīng)緯儀和活動(dòng)覘牌進(jìn)行觀測(cè)。壩頂視準(zhǔn)線除布置在拱冠梁處的測(cè)點(diǎn)以外，其它各測(cè)點(diǎn)均不能準(zhǔn)確進(jìn)行徑向變形監(jiān)測(cè)，視準(zhǔn)線工作基點(diǎn)穩(wěn)定性相對(duì)較差，無對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行校核的技術(shù)手段，觀測(cè)精度難以滿足規(guī)范要求，擬進(jìn)行技術(shù)改造。

1 工程概況

某水電站大壩壩頂高程765.0m，最大壩高165.0m，壩頂弧長(zhǎng)394.6m，大壩最大底寬119.5m，自右向左共分17個(gè)壩塊，最大壩寬23m。

2 技術(shù)方案設(shè)計(jì)

2.1 方案設(shè)計(jì)

鑒于壩頂變形監(jiān)測(cè)的現(xiàn)狀，擬對(duì)壩頂變形監(jiān)測(cè)進(jìn)行技術(shù)改造，經(jīng)過方案的研究比較，取消壩頂視準(zhǔn)線，在壩頂或高程726m廊道內(nèi)安裝真空激光準(zhǔn)直拱壩變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其水平位移工作基點(diǎn)設(shè)在左、右岸灌漿廊道內(nèi)，并利用④、⑧和壩段的垂線組進(jìn)行校驗(yàn)，構(gòu)成串接式激光準(zhǔn)直+垂線的水平位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化觀測(cè)。

激光準(zhǔn)直拱壩變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由一個(gè)“激光發(fā)射器”和一個(gè)“激光接收器”組成，將其首、尾相連安裝在真空(或密封有惰性氣體)的管道內(nèi)，構(gòu)成真空激光準(zhǔn)直(或激光準(zhǔn)直微壓差)拱壩變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)具有分段折線(平折或豎折)布置的優(yōu)點(diǎn)，可以安裝在彎曲廊道和高低連續(xù)廊道內(nèi)，特別適合于本工程大壩的具體情況，可完成拱壩徑向和豎向的變形監(jiān)測(cè)。

2.2 系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)

根據(jù)本工程大壩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，壩頂水平位移監(jiān)測(cè)項(xiàng)目宜設(shè)置在壩頂或壩頂部位的廊道內(nèi)，因此可選擇將該真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)安裝布設(shè)在壩頂或高程726m廊道內(nèi)，但若在壩頂布置需將激光準(zhǔn)直裝置和密封管道安裝在地面，影響壩頂美觀和交通，因此，宜將該系統(tǒng)安裝在高程726m廊道內(nèi)。

2.3 監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)設(shè)計(jì)

真空激光準(zhǔn)直變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在進(jìn)行水平位移監(jiān)測(cè)時(shí)，需要為該系統(tǒng)建立平面工作基準(zhǔn)。根據(jù)本工程垂線系統(tǒng)的布置情況，可以④壩段和壩段的垂線系統(tǒng)為工作基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)雙基準(zhǔn)閉合監(jiān)測(cè)和誤差修正。為了進(jìn)一步提高可靠性和觀測(cè)精度，將左、右岸端點(diǎn)分別向兩岸灌漿洞延伸的辦法建立平面工作基準(zhǔn)，也可實(shí)現(xiàn)雙基準(zhǔn)閉合監(jiān)測(cè)和誤差修正。

3 技術(shù)方案可靠性分析

3.1 系統(tǒng)可靠性分析

真空激光準(zhǔn)直拱壩變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是以激光準(zhǔn)直裝置為一個(gè)測(cè)量單元，首尾相互串接形成，可方便的實(shí)現(xiàn)平面折線、豎向折線和高差銜接的測(cè)量傳遞布置。真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)的發(fā)射裝置和接收裝置均布設(shè)在真空管道內(nèi)，封閉運(yùn)行，具有不受大氣湍流、溫度梯度等氣候因素影響的優(yōu)點(diǎn)，其精度能夠達(dá)到1×10-7～2×10-7的高精度標(biāo)準(zhǔn)，最大限度地克服了自然條件和人為環(huán)境的影響。因此，高精度、高穩(wěn)定性的真空激光準(zhǔn)直拱壩變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，加上可靠的工作基準(zhǔn)，確保了壩體水平位移變形監(jiān)測(cè)的可靠性。

3.2 系統(tǒng)準(zhǔn)確性分析

將真空激光準(zhǔn)直拱壩變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的兩端不動(dòng)點(diǎn)上，為真空激光準(zhǔn)直拱壩變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供了可靠的平面工作基準(zhǔn)。同時(shí)布置于④、⑧和壩段的垂線系統(tǒng)通過技術(shù)改造也能為激光準(zhǔn)直拱壩變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供平面工作基準(zhǔn)。

從整體來看，實(shí)際上該真空激光準(zhǔn)直拱壩變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有5個(gè)平面工作基準(zhǔn)，可進(jìn)行多重閉合監(jiān)測(cè)，可相互檢驗(yàn)、校核和誤差修正，大大提高了系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)精度以及各個(gè)工作基準(zhǔn)的準(zhǔn)確性。

3.3 系統(tǒng)精度分析

根據(jù)相關(guān)資料可知，當(dāng)真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)的準(zhǔn)直線長(zhǎng)為1000m時(shí)，其折光差限制為±0.1mm。真空激光準(zhǔn)直拱壩變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由多套激光準(zhǔn)直裝置首尾串接組成，每套激光準(zhǔn)直裝置的折光差限制為±0.1mm，因此，位于拱冠⑧壩段折光差為前面各個(gè)壩段激光準(zhǔn)直裝置的折光差累計(jì)值，即⑧壩段水平位移最大折光差為±0.8mm。

由DL/T 5178—2016《混凝土壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》可知，重力壩壩體水平位移中誤差限值為±1.0mm，拱壩壩體徑向水平位移中誤差限值為±2.0mm。由于⑧壩段水平位移折光差均大于其它壩段(越靠近拱冠折光差越大)，且滿足規(guī)范要求，因此，本系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)精度滿足規(guī)范要求。

4 技術(shù)方案敏感性分析

根據(jù)某水電站大壩三維有限元壩體應(yīng)力分析報(bào)告，壩體應(yīng)力平面有限元計(jì)算成果出壩體水平位移沿壩高程向變化呈線性變化或者略高于線性變化，位移曲線光滑、連續(xù)。壩體水平位移的徑向位移是最主要的位移，壩體水平位移最大值發(fā)生在⑧壩段上游面頂部高程765m，最大位移為24.4mm。

根據(jù)⑧壩段壩體水平位移分布圖，采用插值法計(jì)算出高程726m廊道水平位移，其敏感系數(shù)為0.811。根據(jù)計(jì)算結(jié)果采用插值法計(jì)算出各個(gè)壩段高程726m水平位移，最后計(jì)算得到各個(gè)壩段高程726m水平位移敏感系數(shù)為0.8左右。

改造方案的監(jiān)測(cè)敏感系數(shù)是監(jiān)測(cè)部位的計(jì)算值與壩頂計(jì)算值的比值，小于1.0。反映了監(jiān)測(cè)部位的水平位移量測(cè)值與壩頂水平位移量的關(guān)系，敏感系數(shù)越大，說明監(jiān)測(cè)部位的水平位移量測(cè)值越接近壩頂水平位移量，因素的敏感性越高。因此，通過對(duì)各個(gè)壩段的敏感系數(shù)計(jì)算可知，布置在高程726m廊道內(nèi)的激光準(zhǔn)直監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠監(jiān)測(cè)到整個(gè)大壩壩頂水平位移量的80%，基本能夠敏感地反映出大壩壩頂?shù)乃轿灰谱兓闆r。

5 技術(shù)方案計(jì)算方法

5.1 技術(shù)方案基準(zhǔn)選取

5.2 壩頂水平位移推算

真空激光準(zhǔn)直+垂線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅能夠測(cè)得壩頂3個(gè)典型部位的水平位移，而且還能根據(jù)監(jiān)測(cè)成果推算出各壩段壩頂水平位移，其不同方法間可以相互檢驗(yàn)、校核和誤差修正，以得到每個(gè)壩段更為準(zhǔn)確的壩頂水平位移。具體計(jì)算方法如下：

(1)根據(jù)壩體應(yīng)力平面有限元計(jì)算成果，重力拱壩在空間變形大體以⑧壩段為對(duì)稱面，呈數(shù)值差別不大的幾何對(duì)稱分布。由于布置于④、⑧和壩段3套垂線系統(tǒng)能夠測(cè)出壩頂765m 3個(gè)典型部位的絕對(duì)水平位移，因此，壩頂高程765m各個(gè)壩段的水平位移可以利用這3個(gè)典型部位的絕對(duì)水平位移進(jìn)行插值求得。

(2)根據(jù)壩體應(yīng)力平面有限元計(jì)算結(jié)果求出各個(gè)壩段高程726m廊道水平位移敏感系數(shù)，然后根據(jù)激光準(zhǔn)直監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各個(gè)壩段水平位移測(cè)值，除以相應(yīng)敏感系數(shù)求得各個(gè)壩段壩頂?shù)乃轿灰啤?/p>

5.3 壩頂水平位移誤差分析

盡管可以利用多種方法推算出對(duì)應(yīng)壩段壩頂?shù)乃轿灰疲铱梢詫⒍喾N方法的計(jì)算值進(jìn)行檢驗(yàn)、校核和誤差修正，但是計(jì)算值與真值之間還是存在偏差。當(dāng)計(jì)算值與真值的差值在誤差允許的范圍內(nèi)，則認(rèn)為計(jì)算值有效，反之則無效，因此通過計(jì)算分析計(jì)算值與真值的差值來判斷計(jì)算值是否有效、可靠的工作至關(guān)重要。

根據(jù)某水電站大壩三維有限元壩體應(yīng)力分析報(bào)告計(jì)算成果圖進(jìn)行壩頂水平位移的誤差分析，具體方法如下：

(1)規(guī)定有限元計(jì)算成果為真值，即假設(shè)有限元計(jì)算值為實(shí)測(cè)值；

(2)根據(jù)某水電站壩體應(yīng)力平面有限元計(jì)算成果圖可直接得到各個(gè)壩段壩頂?shù)膹较蛩轿灰浦担凑嬷祔；

以下選擇壩頂水平位移變化相對(duì)較大的⑦、⑧和⑨壩段進(jìn)行壩頂水平位移誤差分析計(jì)算，成果詳見表1。

表1 誤差計(jì)算分析成果表

根據(jù)壩體應(yīng)力平面有限元計(jì)算成果圖查得⑦、⑧和⑨壩段壩頂水平位移真值分別為21.5、24.4和18.4mm；根據(jù)壩體應(yīng)力平面有限元計(jì)算成果圖和插值計(jì)算求出高程726m廊道水平位移值，然后利用敏感系數(shù)計(jì)算出相應(yīng)壩段壩頂?shù)乃轿灰浦捣謩e為21.40、24.55和18.37mm，即得壩頂水平位移計(jì)算值。⑦、⑧和⑨壩段壩頂水平位移計(jì)算值和真值的差值分別為0.10、0.15和0.03mm。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，⑦、⑧和⑨壩段壩頂水平位移計(jì)算值和真值的差值較小，說明采用壩頂水平位移監(jiān)測(cè)改造方案計(jì)算壩頂徑向水平位移產(chǎn)生的誤差很小，最大約為0.61%。以最大變位的⑧壩段為例，其壩頂徑向水平位移計(jì)算誤差+系統(tǒng)精度限差仍小于1mm，未超過要求，即差值在誤差允許的范圍內(nèi)，其計(jì)算值是有效的。

6 結(jié)論

(1)真空激光準(zhǔn)直變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)單套激光準(zhǔn)直裝置的折光差限制為±0.1mm，位于拱冠⑧壩段折光差為前面各個(gè)壩段激光準(zhǔn)直裝置的折光差累計(jì)最大折光差為±0.8mm，滿足DL/T 5178 重力壩壩體水平位移中誤差限值為±1.0mm，拱壩徑向水平位移中誤差限值為±2.0mm的要求。

(2)高程726m廊道水平位移監(jiān)測(cè)值相對(duì)于壩頂水平位移監(jiān)測(cè)值的敏感系數(shù)約為0.8，說明布置在高程726m廊道內(nèi)的激光準(zhǔn)直監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠敏感地反映出大壩壩頂?shù)乃轿灰谱兓闆r。輔以垂線系統(tǒng)可以準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)到該壩段的徑向水平位移和切向水平位移，能夠從整體上把握整個(gè)大壩的水平位移變形趨勢(shì)。