新疆KMS平原水庫(kù)測(cè)斜管數(shù)據(jù)修正與分析

云磊

摘要：新疆KMS平原水庫(kù)測(cè)斜管安裝過(guò)程中，因地下水豐富、水壓較大，導(dǎo)致部分測(cè)斜管導(dǎo)槽測(cè)量方向發(fā)生扭轉(zhuǎn)，存在測(cè)量誤差的問(wèn)題。需對(duì)該水庫(kù)測(cè)斜管安裝角度進(jìn)行重新修正。進(jìn)行了測(cè)斜管方位角測(cè)量、測(cè)斜管扭角測(cè)量與測(cè)斜管扭角修正數(shù)據(jù)初處理，對(duì)以往的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)逐期進(jìn)行角度修正。結(jié)果表明：得到的數(shù)據(jù)能真實(shí)反映實(shí)際的測(cè)斜孔變形情況，可為了解大壩壩體及基礎(chǔ)水平位移的真實(shí)狀況，提高測(cè)斜成果質(zhì)量提供一定參考。

關(guān)鍵詞：測(cè)斜管； 修正分析； KMS平原水庫(kù)； 測(cè)扭測(cè)斜

中圖法分類(lèi)號(hào)：TU753

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.S2.019

文章編號(hào)：1006-0081（2023）S2-0071-05

0 引 言

測(cè)斜管現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于監(jiān)測(cè)地基、邊坡、大壩等工程撓度變形測(cè)量［1-4］。測(cè)斜管安裝質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系到測(cè)斜儀的測(cè)試精度與測(cè)試成果的可靠性。測(cè)斜管導(dǎo)槽扭轉(zhuǎn)的大小是衡量測(cè)斜管質(zhì)量的重要內(nèi)容。國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)巖石力學(xué)建議方法和中國(guó)巖石力學(xué)試驗(yàn)規(guī)程都規(guī)定，在裝配好的測(cè)斜管內(nèi)，每3 m長(zhǎng)度的扭轉(zhuǎn)角不得超過(guò)1°，在全長(zhǎng)范圍內(nèi)建議不超過(guò)5°［5］。

新疆KMS平原水庫(kù)測(cè)斜管安裝過(guò)程中，因地下水較豐富，水壓力較大，部分測(cè)斜管導(dǎo)槽測(cè)量方向發(fā)生扭轉(zhuǎn)，存在測(cè)量誤差。由于當(dāng)前水利工程安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目測(cè)斜管安裝更側(cè)重初期安裝埋設(shè)，易忽略對(duì)測(cè)斜管安裝埋設(shè)后是否仍處于安裝時(shí)位置的查驗(yàn)校正，因此需對(duì)測(cè)斜數(shù)據(jù)是否能真實(shí)反映大壩撓度問(wèn)題進(jìn)行進(jìn)一步探究。本文具體介紹了測(cè)斜管扭角誤差修正的步驟、數(shù)據(jù)處理、成果分析計(jì)算方法，進(jìn)一步規(guī)范測(cè)斜管安裝埋設(shè)及扭腳修正處理程序，為在建及運(yùn)行中的水利工程測(cè)斜管數(shù)據(jù)修正與分析提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 工程概況

新疆KMS平原水庫(kù)為注入式平原水庫(kù)，位于莫?dú)J烏拉山北坡山前洪積扇中部、三塘湖規(guī)劃礦區(qū)外緣西側(cè)的KMS盆地西側(cè)，地勢(shì)西高東低，庫(kù)盤(pán)及壩基覆蓋層厚，巖性主要為第四系全新統(tǒng)至上更新統(tǒng)洪積含土角礫和低液限黏土，夾中-粉細(xì)砂和粉土層。水庫(kù)由上游分水閘、進(jìn)水建筑物、擋水大壩、供水兼退水建筑物和庫(kù)區(qū)防洪堤等組成，采用四面筑壩而成，擋水壩壩型為土工膜斜墻壩，全庫(kù)盤(pán)鋪設(shè)土工膜進(jìn)行防滲，最大壩高18 m，壩體總長(zhǎng)6 081.6 m，水庫(kù)正常蓄水位685 m，壩頂高程689 m，總庫(kù)容2 860萬(wàn)m3。

2 水庫(kù)測(cè)斜管布置

在壩體上選定了5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，即北壩直線段中部斷面壩1+110.398、東北圓弧段中部斷面壩1+828.097、東壩直線段中部偏北100 m斷面壩2+530.796（最大壩高斷面）、東南圓弧段中部斷面壩3+433.496、南壩直線段中間斷面壩4+151.196，作為水庫(kù)壩體主監(jiān)測(cè)斷面。在各主監(jiān)測(cè)斷面上沿壩寬方向均勻布設(shè)4套測(cè)斜管，共計(jì)20根測(cè)斜管；供水兼退水閘軸線上（水流向）樁號(hào)為壩2+840.796，在軸線南側(cè)10 m處壩2+850.796 設(shè)置一主監(jiān)測(cè)斷面，布設(shè)4套測(cè)斜管。建基面以下采用鉆孔布設(shè)，鉆孔深度為建基面以下50 m，建基面以上隨壩體填筑采用非坑式埋設(shè)。典型監(jiān)測(cè)斷面（以預(yù)壓體為例）測(cè)斜管埋設(shè)布置見(jiàn)圖1。

3 測(cè)斜管扭角誤差修正

測(cè)斜管扭角誤差修正程序如下：① 使用地質(zhì)羅盤(pán)測(cè)量每個(gè)測(cè)斜管孔口部位垂直于壩軸線的方位角，并計(jì)算與設(shè)計(jì)方位角的偏差角度；② 獲得孔口方位角偏轉(zhuǎn)角度后，使用測(cè)扭儀量測(cè)斜管孔口以下各設(shè)計(jì)測(cè)點(diǎn)的偏轉(zhuǎn)角度；③ 使用內(nèi)插法，通過(guò)對(duì)測(cè)斜儀極值和角度進(jìn)行修正計(jì)算，消除由于扭轉(zhuǎn)角度所造成的量測(cè)誤差。

3.1 測(cè)斜管孔口方位角測(cè)量

采用地質(zhì)羅盤(pán)測(cè)量測(cè)斜管孔口方位角。將地質(zhì)羅盤(pán)水平放置于孔口，測(cè)量孔口實(shí)際方位角，地質(zhì)羅盤(pán)測(cè)量的實(shí)際孔口方位角與設(shè)計(jì)孔口方位角的差值即為孔口偏差角。地質(zhì)羅盤(pán)方位角在實(shí)際方位角順時(shí)針?lè)较?，則偏差為正，反之為負(fù)。通過(guò)量測(cè)，KMS水庫(kù)測(cè)斜管孔口方位角典型值（角度偏差≥10°）統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1和圖2。

3.2 測(cè)斜管各測(cè)點(diǎn)扭角測(cè)量

（1） 測(cè)扭儀零漂的測(cè)量。握住傳感器底端，旋轉(zhuǎn)其中一個(gè)滑輪，使滑輪抬起約5 mm，其他3個(gè)滑輪保持在原來(lái)位置上，然后把傳感器放回到原來(lái)的水平位置上檢查讀數(shù)儀讀數(shù)。按照這個(gè)步驟重復(fù)，直到得到的讀數(shù)與上次的讀數(shù)相差在1～2個(gè)單位（系統(tǒng)誤差）內(nèi)為止，記錄第一次測(cè)量讀數(shù)。按照上述步驟依次旋轉(zhuǎn)另外3個(gè)滑輪，分別記錄3次測(cè)量讀數(shù)，取4次讀數(shù)的平均值為測(cè)扭儀零漂值。

（2） 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。① 將測(cè)扭儀導(dǎo)向A0凹槽處，從測(cè)斜底部（預(yù)先確定的開(kāi)始深度）開(kāi)始測(cè)量。記錄開(kāi)始深度的讀數(shù)，并提升測(cè)扭儀到下一深度，記錄第2次讀數(shù)。繼續(xù)提升測(cè)扭儀，并記錄讀數(shù)直到記錄完頂端讀數(shù)。② 把測(cè)扭儀拉出測(cè)斜管，旋轉(zhuǎn)測(cè)扭儀使高輪插入A180凹槽，把測(cè)扭儀放入測(cè)斜管中，然后提升測(cè)扭儀到開(kāi)始高度，記錄每一深度讀數(shù)。重復(fù)A0的測(cè)量步驟，記錄完頂部深度讀數(shù)時(shí)，取出測(cè)扭儀，完成2次過(guò)程的測(cè)量。③ 為了得到更高的準(zhǔn)確度，繼續(xù)第3和第4次測(cè)斜管測(cè)量。在第3次測(cè)量過(guò)程中，傳感器高輪應(yīng)放置在B0凹槽處，第4次過(guò)程中，上端滑輪放置在B180凹槽處。

3.3 測(cè)斜管扭角修正數(shù)據(jù)初處理

測(cè)扭數(shù)據(jù)處理。① 計(jì)算出各深度扭角的平均值。② 計(jì)算出修正后各深度扭角值，即各深度扭角平均值減測(cè)扭儀零漂值。③ 因測(cè)扭儀每次測(cè)量深度為1.5 m，使用內(nèi)插法轉(zhuǎn)換為每一次測(cè)點(diǎn)為0.5 m的扭角。④ 計(jì)算出調(diào)整后的測(cè)扭深度的扭轉(zhuǎn)角度和。⑤ 用各深度扭轉(zhuǎn)角度減去孔口偏角。

用測(cè)扭數(shù)據(jù)校正測(cè)斜數(shù)據(jù)，將直角坐標(biāo)A軸和B軸上的變化值轉(zhuǎn)換為極坐標(biāo)值。測(cè)斜儀在不同深度的極值和角度計(jì)算公式如下：

Mag=（a2+b2）0.5（1）

θ＝tan-1 （b/a）（2）

式中：Mag、 a、b為AT系統(tǒng)讀數(shù)，系統(tǒng)測(cè)量讀數(shù)經(jīng)過(guò)相關(guān)計(jì)算可轉(zhuǎn)化為位移量。 θ角是指從A0槽開(kāi)始，沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)0～360°。如將180°～360°用負(fù)值表示，需記錄的數(shù)據(jù)位數(shù)可以減少。

將修正后角的極坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)中的A、B軸的值，并記錄在測(cè)斜儀扭轉(zhuǎn)修正表的相應(yīng)欄中。

修正的A軸值＝極值×cos（修正后的角）（3）

修正的B軸值＝極值×sin（修正后的角）（4）

式中：修正后的變化值可以被轉(zhuǎn)換為修正后的偏差或位移。

4 測(cè)斜數(shù)據(jù)修正與成果分析

4.1 測(cè)斜數(shù)據(jù)修正

根據(jù)SL 551-2012《土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》要求，當(dāng)測(cè)斜管導(dǎo)槽扭角大于10°時(shí)，應(yīng)對(duì)其每次的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行扭角修正［6］。對(duì)水庫(kù)6個(gè)監(jiān)測(cè)斷面24個(gè)測(cè)斜管進(jìn)行了孔口方位角及各測(cè)點(diǎn)深度扭角的測(cè)量，并對(duì)2019年11月至2021年5月的歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)逐期進(jìn)行角度修正并分析，測(cè)斜管數(shù)據(jù)修正后位移偏差成果典型值統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

對(duì)24個(gè)測(cè)斜管歷史數(shù)據(jù)逐期做角度修正，本次主要針對(duì)2021年5月后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，由測(cè)斜管數(shù)據(jù)修正前后成果統(tǒng)計(jì)表可得出如下結(jié)論。

（1） 24個(gè)測(cè)斜管中，A向相對(duì)位移偏差 0.5～32.2 mm，CX4-3孔深11.5 m處測(cè)點(diǎn)相對(duì)位移偏差最大；A向孔口累計(jì)位移偏差0～132.5 mm，最大累計(jì)位移偏差發(fā)生在CX4-3孔。

（2） 24個(gè)測(cè)斜管中，B向相對(duì)位移偏差 0.2～23.3 mm，CX3-3孔深62.5 m相對(duì)位移偏差最大；B向孔口累計(jì)位移偏差0.6～68.3 mm，最大累計(jì)位移偏差發(fā)生在CX4-3孔。

（3） 24個(gè)測(cè)斜管中，少數(shù)孔受回填碾壓影響，修正后的偏差較大；但測(cè)點(diǎn)深度相對(duì)位移修正后的偏差大部分在15 mm以?xún)?nèi)，孔口累計(jì)位移偏差大部分在20 mm以?xún)?nèi)。

4.2 測(cè)斜成果分析

壩基開(kāi)挖線高程為674 m，測(cè)斜孔數(shù)據(jù)修正后成果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

對(duì)測(cè)斜孔數(shù)據(jù)修正后成果分析如下：

（1） 分監(jiān)測(cè)孔測(cè)點(diǎn)在667～675 m之間（壩基開(kāi)挖線674 m），相對(duì)位移測(cè)值較大，其中：① CX2-2孔（1+828，壩橫0-25.5）A軸朝迎水面最大相對(duì)位移為60.3 mm，出現(xiàn)在高程678 m處；朝背水面方向最大相對(duì)位移為62.9 mm，出現(xiàn)在高程672.0 m處。B軸朝順時(shí)針（小樁號(hào)方向）方向最大相對(duì)位移為150.3 mm，發(fā)生在高程673.5 m處。② CX4-3孔（3+433，壩橫0+1）A軸朝迎水面最大相對(duì)位移為79.8 mm，出現(xiàn)在高程680 m處；朝背水面方向最大相對(duì)位移為30.3 mm，出現(xiàn)在高程670 m處。B軸朝順時(shí)針（小樁號(hào)方向）方向最大相對(duì)位移為180.3 mm，發(fā)生在高程678 m處。③ CX5-4孔（4+151，壩橫0+33）A軸朝迎水面最大相對(duì)位移為26.1 mm，出現(xiàn)在高程675.5 m處；朝庫(kù)盤(pán)背水面方向最大相對(duì)位移為44.5 mm，出現(xiàn)在高程679.0 m處。B軸朝逆時(shí)針（大樁號(hào)方向）方向最大相對(duì)位移為37.3 mm，發(fā)生在高程675.5 m處。

（2） 影響上述測(cè)斜相對(duì)位移變化較大的主要原因是壩體回填碾壓。數(shù)據(jù)證實(shí)，這些孔隨壩體填筑完成及土體不斷碾壓密實(shí)，測(cè)值已經(jīng)無(wú)明顯增大趨勢(shì)。

（3） 大部分孔相對(duì)位移均在20 mm以?xún)?nèi)，無(wú)明顯位移錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象。在壩基開(kāi)挖面以下高程622～666 m之間，各測(cè)孔相對(duì)位移均在12 mm以?xún)?nèi)。

5 討 論

（1） 由于大壩壩基地下水位高，測(cè)斜管在施工安裝過(guò)程中產(chǎn)生較大偏角，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，在大壩24支測(cè)斜管2 802個(gè)測(cè)點(diǎn)中僅有551個(gè)測(cè)點(diǎn)安裝角度與設(shè)計(jì)角度的偏差在10°以?xún)?nèi)，占總測(cè)點(diǎn)數(shù)的19.66%。由上述分析可知，在壩基地下水位較高的情況下安裝埋設(shè)測(cè)斜管，測(cè)斜管的實(shí)際方位角可能不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)方位角要求，從而導(dǎo)致在大壩測(cè)斜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際情況存在較大偏差，進(jìn)而影響大壩安全狀況評(píng)價(jià)。為保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可靠性，有必要及時(shí)對(duì)大壩測(cè)斜管安裝角度偏差進(jìn)行修正。

（2） 新疆KMS水庫(kù)少數(shù)測(cè)斜管受回填碾壓影響，修正后的偏差較大；但測(cè)點(diǎn)深度相對(duì)位移修正后的偏差大部分在15 mm以?xún)?nèi)，孔口累計(jì)位移偏差大部分在20 mm以?xún)?nèi)，實(shí)際安裝方位角與設(shè)計(jì)方位角的角度偏差對(duì)大部分測(cè)斜管位移量值影響較小。

（3） 受安裝埋設(shè)及土建施工影響，大壩測(cè)斜管實(shí)際孔口方位角不能代表或反映測(cè)斜管整體的安裝角度，不同深度測(cè)斜監(jiān)測(cè)點(diǎn)的角度偏差基本隨安裝深度線性增大或減?。ㄖ饕艹跏及惭b，即壩基鉆孔安裝時(shí)的方位角的影響），故在進(jìn)行測(cè)斜管角度修正時(shí)不能通過(guò)孔口方位角對(duì)測(cè)斜管整體進(jìn)行角度修正。

（4） 現(xiàn)行測(cè)斜管安裝規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)及方法均適用無(wú)水基礎(chǔ)，測(cè)斜管安裝埋設(shè)方位角容易控制，而在水位較高的地基中安裝埋設(shè)測(cè)斜管則不能適用。在水

位較高的地基中安裝埋設(shè)測(cè)斜管時(shí)，受水的滲透壓力和浮托力影響，測(cè)斜管的安裝方位角不能得到有效保證，需要對(duì)現(xiàn)有測(cè)斜管安裝規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)及方法進(jìn)行更新，以適應(yīng)在不同工況下的測(cè)斜管安裝埋設(shè)。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文采用的測(cè)扭方法可靠、修正公式適用，能有效消除因管身大角度扭轉(zhuǎn)導(dǎo)致的測(cè)斜管水平位移系統(tǒng)誤差。通過(guò)測(cè)斜管數(shù)據(jù)修正分析，一方面檢驗(yàn)了大壩測(cè)斜管安裝埋設(shè)是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求，另一方面保證了測(cè)斜數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，能真實(shí)反映實(shí)際的測(cè)斜孔變形情況，為大壩水平位移的分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)保障，提高測(cè)斜成果質(zhì)量。

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