面板堆石坝接缝位移的自动监测及分析

尚剑宝

(1.山西水利水电勘测设计研究院,太原 030024;2.山西唐河水电有限责任公司,太原 030002)

面板堆石坝接缝位移的自动监测及分析

尚剑宝1,2

(1.山西水利水电勘测设计研究院,太原 030024;2.山西唐河水电有限责任公司,太原 030002)

阐述了对振弦式测缝计及其三向位移计算原理,以山西某水电站接缝处的监测数据为基础分析,发现蓄水前和蓄水期由于主要影响因素不同,接缝处的变化情况也不同;通过线性回归模型,预测测点三个方向位移变化趋势,在x、y方向主要受温度的影响,z方向主要受水压的影响,且随着水位的上升而变,相比安装后z方向的位移变化减小,反映大坝运行稳定。研究结论在一定程度上对面板坝接缝位移实际趋势变化做参照分析。

振弦式测缝计;三向位移计算;面板缝隙;实时监测;回归模型

水利水电工程施工中由于工程需要,有时会进行分块浇注[1],或将不同材料坝段连接,面板坝上不可避免存在接缝,接缝的灌浆层能否胶合大坝传递荷载,大坝运行后坝段间能否永久密合,面板接缝处随地域、气候、水文等环境变化发生位移变化的情况,都是在施工和运行期间需要特别关注的问题。

当前解决此类问题的主要手段就是在接缝处布设测缝计,实时观测接缝开合度、位移变化和坝体温度等[2]。现有的测缝计产品主要分为滑动电阻式测缝计、振弦式测缝计、差动电阻式测缝计三大类[3]。

水利水电工程建筑通常处于多变、恶劣的自然环境中,建筑结构复杂,安全监测仪器在埋设后通常无法或难以进行维修和更换,所以水利工程对埋入式安全监测仪器的性能要求很高,要求其具有较高稳定性、可靠性及精确度、很好的耐候性和牢固的结构等特点。

振弦式测缝计[3]采用非电量测量方式,基本不受接引线长度影响,信号传输距离可达数千米,长电缆传输可靠,电缆绝缘要求低,而且其结构简单,长期稳定性好。输出频率易自动化测量,易于实现自动化。所以,近年来振弦式测缝计得以在水利水电工程中的变形缝监测广泛应用。

基于此问题背景和技术现状,笔者首先对GK4420振弦式表面测缝计的计算原理进行介绍和分析,然后以山西某水电站挡水枢纽大坝为应用实例,对测缝计监测到的数据进行分析计算,研究结论在一定程度上对面板坝接缝位移实际趋势变化做参照分析。

1 测缝计结构及工作原理

1.1 测缝计结构

美国基康公司(GeoKon.Inc)生产的GK4420型振弦式测缝计近年来被广泛应用于测量接缝的开合度、面板与面板间和面板与周边横向、纵向和沉降变化。该测缝计构造主要包括振弦式位移传感器、套筒式防护罩、埋入式套筒等几部分。结构示意图如图1所示。

图1 测缝计结构示意图

1.2 GK4420型三向位移计算工作原理

GK4420型测缝计采用三向位移计算的工作原理进行接缝变化的计算。A、B、C分别为三角支架上安装传感器的固定点,D为固定支座用来连接三只传感器的另一端。a，b，c分别为三只传感器的安装长度,O点为BC的中点,支架中BC=l=900 mm,OA=h=605 mm。

设三支传感器安装后组成的弦长分别为a0、b0、c0,即安装时量取的初始长度。在测点产生变化后,各传感器的位移增量如下:

Dn=G×(R1-R0)+K×(T1-T0) .

(1)

式中：R1表示当前读数;R0表示基准值;G,K表示仪器参数；n表示各传感器的序号(a,b或c)。则各个弦长分别为

a=a0+Da,b=b0+Db,c=c0+Dc.

(2)

为了计量观测点D的位移情况,需要测度D点的初始坐标值和当前坐标值。关于D的初始坐标值的设定,理想情况下是在传感器安装完毕后,O点为理想的坐标原点,则观测点D相对于O点的初始坐标为:D(x,y,z)=(0,0,m)，其中m为初始拉伸值。D点当前坐标值为(x,y,z):

(3)

最后,计算D点的当前坐标与初始坐标的变化量,即可获取动点D的位移变化量。坐标变化均是相对于支架ABC所在的平面而变化。

2 某水电站变形缝分析

2.1 环境简介

某水电站位于韩淤地村上游,轴线近南北向,呈直线布置,坝顶长395.00 m,宽6.00 m,坝顶高程1 067.40 m,最大坝高30.40 m。其挡水枢纽大坝由混凝土重力坝段和混凝土面板堆石坝段两种不同坝型组合而成,为了实时监测不同坝面间接缝位移变化情况,在混凝土面板堆石坝段面板接缝处安装测缝计,以获得实时监测数据,以保障大坝安全运行。

2.2 观测点部署

此工程的接缝位移观测主要包括周边缝接缝位移观测和面板垂直缝接缝位移观测两部分。根据工程实际情况,我们在周边缝接缝位移共布置了8个测点,其中河床段0+174.5，0+294.5断面周边缝处各布设一个测点；右岸1/3，1/2，2/3坝高的周边缝处各布设一个测点；泄洪闸翼墙与面板连接处1/3，1/2，2/3坝高处各布设一个测点。每个测点布置3支测缝计(三向)，面板垂直缝接缝位移布置3个观测断面,每个断面布3个测点,每个测点布置1支测缝计(单向)。共设测缝计33支。

2.3 测缝计安装

由于该水电站面板堆石坝段施工是采用逐块逐层的浇注方法,因此测缝计的埋设也要与施工过程紧密配合。测缝计安装主要分3大步骤：

1)当两块面板都浇筑完备,待养护结束后,按设计要求的高程和位置,选择面板较平整光滑处安装固定测缝计支架。

2)测缝计预拉10 mm,安装在测缝计支架上。

3)用BGK408读数仪读取初始数据。

2.4 监测数据分析

原河床地质段——砼闸门翼墙与堆石坝面板坝段连接处对于维护坝体安全稳定运行非常重要,选择桩号0+115.0断面处所安装的3支测缝计所监测的数据为例进行分析。其安装记录如表1所示。

表1 0+115.0断面测缝计安装记录表

根据上表中给出的a0,b0,c0的长度测缝计自动监测数据Da,Db,Dc的值,代人

(4)

由式计算得出，该组测缝计中的m=733.33 mm。

由测缝计初始模数,及测缝计安装固定后经过半个月时间的观测,最终选择出高程1 057.4,桩号0-014.0处面板缝隙处基础值,见表2。

表2 测缝计初始值

在安装完备约半个月后x方向开合度变化表如表3所示,相应的变化图如图2所示。

表3 x方向稳定期开合度

图2 初始值稳定曲线图

图3 蓄水期z方向开合度曲线图

由图2可知,在测缝计安装后,由于大坝施工期没有蓄水,x方向开合度随着温度而变。相对于D点微微倾向坝内部。取Dx平均值为1.046 mm。蓄水期水位1 052 mm时,所选位置z方向开合度变化图见图3,得出其该位置处开合度变化值如表4所示。

表4 开合度变化

从对监测结果的分析可知,面板缝开合度均为张开趋势,表明纵缝被拉开,造成的原因是受温度因素的影响；由于水库蓄水,水体对面板产生一动水压力，Dz的均值为-6.63 mm。蓄水期水位1 052 mm时,所选位置y方向和x方向在蓄水期开合度的变化曲线图分别见图4、图5。

图4 蓄水期y方向开合度曲线图

图5 蓄水期x方向开合度曲线图

由图4，5可知,由于大坝蓄水期间,x,y方向开合度随着温度而变,该二维受外力即水压力影响很小。蓄水期与蓄水前相比,虽然接缝也呈张开趋势被拉开,但由于蓄水前的Dx的均值为1.466 72,与蓄水前相比基本没有太大变化;Dy的均值为0.433 2, 与蓄水前相比基本没有变化。面板浇筑比较好,面板缝隙间止水效果较好,因此缝的开合度变化幅度较小。

由于接缝位移变化量Dx,Dy随着温度而变,整编蓄水后2013年全年仪器实时监测数据,针对温度因子和时效因子的特点,在建模时考虑了温度因子对大坝的时延影响,采用三角函数对温度因子进行表述;对时效因子采用衰减蠕变因子描述,建立了科学合理的回归方程,选择线性回归数据分析平台预测x、y和z变化趋势,x方向线性回归预测,y方向线性回归预测图分别见图6，图7。

图6 蓄水期y方向开合度预测曲线图

图7 蓄水期x方向开合度预测曲线图

由图可知,针对一年的数据实时数据,由于x、y方向开合度受外力即水压力影响很小,把图中预测范围带入位移公式,可知Dx的变化值范围为0.5～1.4 mm;Dy的变化值范围0.4～0.6 mm变化,x、y方向的变化同安装后Dx为1.466 mm、Dy为0.433 mm的初期变化范围接近。

x，y方向变化量由于主要随着温度而变。针对一天内不同时间段温度变化引起的变化量,选择x方向测缝计不同时刻实测数值,观测一天不同时段接缝处变化情况,按照时刻统计整理,通过预测模型预测一天不同时刻接缝位移变化值见表5。由表5数值及x方向位移预测曲线,一天内不同时刻预测值落入预测曲线范围值内。

表5 不同时刻预测值

由于接缝位移变化量Dz随着温度、动水压力而变,整编了蓄水后2013年全年该方向仪器实时监测数据,考虑大坝水位及温度因素变化影响,因此选择线性回归数据分析平台,预测z方向接缝位移的变化趋势如图8。

由线性回归预测曲线图,可知随着水位上升变化该方向接缝位移呈增大趋势。接缝位移随着水位变化,水压对坝体的增大,位移从1.8 mm变化到2.2 mm,相比开始安装后6.63 mm位移数值,可知虽然水位增大,但是坝体自身的稳定增加趋势更大,致使接缝位移变化相比开始安装后减小。可知该坝体运行稳定。

图8 z方向线性回归预测

3 结论

2012年1月1日该水电站大坝蓄水到1 052 m,蓄水后砼堆石面板坝面板缝隙间,接缝开合度与蓄水前相比基本没有变化,因为此处面板浇筑及止水比较密实,x和y方向受水压力的影响很小。而z方向接缝开合度与蓄水前相比均有不同程度的闭合,表明这些部位的接缝受水压力的影响较为明显。但蓄水后该方向的开合度与蓄水前相比,几乎没有太大变化,说明水压对面板缝隙影响很小。另外,根据观测值发现,蓄水后温度对接缝处位移变化影响也较小。针对一年的监测数据做线性回归模型,预测三个方向变化趋势,可以看出x、y方向的变化基本上由于温度的影响变化不是很大,z方向变化主要由于水压,随着水位的上升呈现增长的趋势,但坝体也逐渐趋于稳定,相比安装后该方向的位移变化减小,反映出大坝运行的稳定。本文的预测分析方法为同类工程位移观测可提供一定的提导。

[1] 李 楠.测缝计在三峡大坝安全监测中的应用[J].实验技术与管理,2004,21(4):23-27,35.

[2] 陈 楠，陈秀军，张海柱.安全监测仪器检验方法的探讨[J].水利水电技术，2013，44(10)：113-116.

[3] 刘 杰,张美玲,吴 喻.水利工程监测仪器的选择.内蒙古水利,2010(1):148-149.

[4] 朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].北京：中国电力出版社,1999.

[5] 刘 波.基于多元线性回归模型的大坝变形预报研究.人民长江,2010(20):53-55.The Automatic Monitoring and Analysis on the Joint Concrete Displacement in the Face Rockfill Dam

(编辑：贾丽红)

SHANG Jianbao1,2

(1.ShanxiHydroelectricInvestigation&DesignInstitute,Taiyuan030024,China;2.ShanxiTangheHydropowerco.,Ltd.,Taiyuan030002，China)

With on the vibrating string type joint meter,three direction displacement calculation principle,and the monitoring data of Shanxi hydropower station joint as a basis for analysis, it was found that before water storage and storage period the main influence factors are different, changes of joints are also different.The linear regression model was adopted to predict the changing trend of measuring points in three directions.Thexdirection andydirection changed are mainly a affected by temperature,and the changes are predicted for different time in a day.zdirection change is mainly affected by water pressure,and changing with the rise of water level.The reduction of the displacement inzdirection reflects the dam stability.The prediction results and conclusions provide some guide on the displaceuent prediction of the actual joint of the dam.

vibrating string type joint meter;three direction displacement calculation;panel gap;real time monitoring;the regression model

1007-9432(2015)04-0470-04

2014-11-20

山西省国际合作项目(2013081034);山西省水利厅水利技术项目研究与推广项目(201433,03011427)

尚剑宝(1968-),男,山西太原人，高级工程师，主要从事水利水电研究工作，(Tel)13803415798

TV522

B

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.04.022