三峡升船机塔柱变形监测分析

徐昆振 段国学 彭绍才 耿峻

摘要：为监测三峡升船机在施工期、试通航期和运行期的安全状态，同时兼顾验证设计、指导施工等的需要，在升船机内布置了大量监测仪器。分析了三峡升船机在施工期的塔柱变形监测资料，通过统计模型分析，总结了塔柱变形的变化特点和规律。结果表明：受气温影响，塔柱变形和应力应变呈年际变化，塔柱处于稳定的弹性变形状态，满足升船机各机件的运行要求。研究成果可为同类升船机工程施工、设计和资料分析提供参考。

关键词：三峡升船机; 安全监测; 塔柱变形; 统计模型分析

中图法分类号：U642 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.02.010

文章编号：1006 - 0081（2022）02 - 0057 - 06

0 引 言

三峡升船机为齿轮齿条爬升式垂直升船机[1-2]，其过船规模为3 000 t级，最大提升高度113 m，具有提升高度大、提升重量大、承船厢与混凝土塔柱建筑结合密切及施工精度要求高等特点。三峡升船机船厢室段平面尺寸为121.0 m × 59.8 m，底板顶高程50.0 m，建基面高程47.5 m。高程50.0～196.0 m之间为长119.0 m、侧宽16.0 m的钢筋混凝土承重塔柱，对称布置在升船机中心线两侧。左右侧塔柱之间的距离为25.8 m，通过高程196.0 m的7根横梁和2个平台连接，组成承船厢室墙-筒体-梁空间复合承重支撑结构。

三峡升船机安全监测系统经过专题设计阶段研究，并随同土建施工进度一起埋设安装监测仪器，至2016年9月升船机进入试通航，监测系统运行良好，采集了大量第一手监测数据，为升船机的安全运行提供了数据支撑。升船机船厢室塔柱结构是承船厢及其配套机电设备的承载和固定结构，升船机所有荷载均通过塔柱传递至地基，是升船机的关键组成部分。升船机螺母柱及齿条通过二期混凝土与塔柱结构联结为整体，塔柱施工期及运行期的长期变形情况及塔柱与螺母柱、齿条的变形协调情况直接关系到升船机的运行安全。因此，塔柱变形是升船机监测的最重要的项目[3-4]。通过对三峡升船机全过程的持续监测，采集变形效应量的初始值、基准值和各阶段变化过程的数据并对其进行分析处理，可对升船机的安全度作出评价。这样能够及时发现各效应量异常现象和可能危及升船机安全的不利因素，为有关部门的决策措施提供依据[5-6]。目前国内对升船机主体工程的变形监测成果进行深入研究的较少，本文对升船机塔柱主要变形监测资料成果（截至2017年6月）进行系统分析，总结了塔柱变形的变化特点和规律，可为同类升船机工程施工、设计和资料分析提供参考。

1 监测重点与仪器布置

船厢室段结构由4个对称布置的塔柱（上游左边塔柱1、右边塔柱2，下游左边塔柱4、右边塔柱3）组成，各筒体结构基本相同（图1）。考虑到下游部位的塔柱3和塔柱4的左右侧墙受日照的面积更大，因此，将塔柱3和塔柱4作为关键监测部位（断面），将塔柱2作为重要监测部位（断面）。关键监测部位除需监测变形外，还需要重点监测结构应力应变等。

三峡升船机船厢室段塔柱筒体建基面以上高达148.5 m，属高耸薄壁结构，升船机船厢及设备连同厢内水总重达15 500 t，塔柱筒体结构和受力均非常复杂。为验证设计、监测升船机安全，根据升船机船厢室段结构特点，布置了变形、应力应变等监测项目。其中，塔柱变形是升船机监测最重要的项目。

1.1 变形监测

（1） 塔柱1～4（高程50.0～196.0m）采用正、倒垂线结合的方法进行水平移动监测。每个塔柱在高程50.0～84.5 m布设1条倒垂线，在高程84.5～196.0 m则布设2条正垂线，并在高程112.0 m，175.0 m设中间测点。共布设4条垂线（图1）。

（2） 在塔柱2，4的筒体中部（高程50.2～194.0 m）各布设一条竖直向伸缩仪测线，进行塔柱顶部和底部之间的铅直向的相对变形监测，每条测线分3段布设（图1）。

（3） 在船厢室底板高程50.0 m和塔柱顶部高程196.0 m处分别布设精密水准点，进行塔柱基础沉降和顶部垂直移动监测。

1.2 应力应变及接缝开度监测

在塔柱3和塔柱4筒体高程62，84 m和175 m各选取一水平观测截面，每个观测截面布置钢筋计8支（图2）。位置分别是：轴8～9、轴11～12的筒体左右壁中间各布置1支水流向钢筋计（共4支），轴10外侧墙处布置1支水流向钢筋计，下游轴13处筒壁在左右端及中间各布置1支横向钢筋计（共3支）。高程84～196 m范围内在24个塔柱纵梁上布置了钢筋计监测纵梁受力情况，其中塔柱3和塔柱4各监测了11个纵梁，塔柱1和塔柱2在高程196 m各监测了1个纵梁，各纵梁钢筋计主要布置在梁的两端及梁中间。在升船机顶部中央控制室处的两个横梁HL4-1和HL4-2的两端及梁中间各布置了4支钢筋计监测横向钢筋应力。塔柱平衡重轨道处高程59.0～192.8 m预留1.3 m的宽槽，为监测宽槽一、二期混凝土结合情况，在塔柱2轴2和轴6、塔柱3轴8和轴12、塔柱4轴8和轴12处宽槽（共6条宽槽）的7个高程处布设测缝计，每个高程宽槽两边各布设1个测缝计。

2 塔柱水平移动监测

2.1 实测变形成果

2.1.1 一般情况下的塔柱水平移动

（1） 塔柱水平移动主要随气温呈年际变化，降温时塔柱4个垂线部位均向船厢室中心移动（水流向上游塔柱向下游移动、下游塔柱向上游移动，坝轴向左侧塔柱向右移动、右侧塔柱向左移动），升温时则相反。

（2） 4个塔柱的X方向（水流向）移动值在-10.74～9.89 mm之間;Y方向（坝轴向）移动测值在-6.17～10.36 mm之间。因塔柱在坝轴线方向的刚度比水流向小，使得Y方向移动除随气温呈年际变化外，还受日气温变化影响呈现较频繁的波动。塔柱1垂线X，Y向水平位移过程线见图3～4。

（3） 塔柱高程196.0 m处，一般2月气温最低时，塔柱相互靠近，垂线观测的水流向同侧上游塔柱与下游塔柱间相互靠近的最大相对移动值约为12 mm，坝轴向左右侧塔柱间相互靠近的最大相对移动值约为9 mm;一般8月气温最高时，塔柱相互远离，水流向同侧上游塔柱与下游塔柱间相互远离的最大相对移动值约为7 mm，坝轴向左右侧塔柱间相互远离的最大相对移动值约为6 mm。

2.1.2 沉船、水漏空及实船试验前后塔柱水平移动变化

2014年4月8日进行了沉船试验[3]，船厢水位3.5 m，与平衡重平衡，均悬空，之后船厢水位充至最高水位4.3 m。2014年9月4日进行了水漏空试验，船厢水位从3.7 m漏空。2016年7月16日进行了实船试验。实测成果表明：沉船、水漏空及实船试验前后塔柱水平移动增量均在3.0 mm以内，大部分测点移动增量小于2.0 mm，试验的铅直向荷载变化对塔柱水平移动的影响很小。塔柱3垂线X，Y向水平位移过程线见图5～6。

2.2 统计模型分析

对塔柱1～4高程196 m的X，Y向水平移动进行了统计模型分析。典型测点移动分量过程线见图7～8。统计模型分析结果表明：① 各塔柱顶部水平移动中，温度分量最大，荷载分量和时效分量均较小。② 各个塔柱的变形规律均是一致的，即：低温季节向内收缩变形，高温季节向外扩张变形。塔柱顶部水平移动符合高耸薄壁结构的变形规律，时效分量较小。③ 坝轴向移动Y的温度分量变幅比水流向移动X温度分量变幅要小，符合塔柱顶部坝轴向宽度比水流向长度小的特点。

2.3 实测值与设计值对比

实测低温季节1～2月份塔柱间距离最短;高温季节8～10月份塔柱间距最大。水流向（纵向）相对移动在-16.66～11.47 mm之间，移动幅值约在28 mm以内;坝轴向（横向）相对移动在-11.76～7.92 mm之间，移动幅值约在17 mm以内。相对移动主要随气温呈年周期性变化。塔柱间相对水平移动均在设计允许范围[4]内，满足了升船机各机件的运行要求。塔柱螺母柱间相对移动计算值与实测值幅值对比见表1。

3 塔柱铅直向变形

3.1 实测变形成果

至2017年6月，船厢室高程50.0 m底板各点沉降在6.0 mm左右，无不均匀沉降现象，塔柱基础已基本趋于稳定。塔柱2和塔柱4高程50.2～194.0 m伸缩仪实测铅直向变形的年变幅分别约为40 mm和37 mm，主要随气温呈年周期变化，温度升高则塔柱伸长，温度下降则塔柱收缩。另外，在高温季节，由于受日照时间和范围不同，塔柱2铅直向变形较塔柱4铅直向变形增加约5 mm;低温季节时两者变形回归一致（图9）。两塔柱铅直向变形差值在设计允许范围内，满足升船机各机件正常运行要求。

3.2 统计模型分析

以塔柱2伸缩仪实测结果进行统计模型分析。统计模型测点移动分量过程线见图10。统计模型分析结果表明：塔柱铅直向变形中，温度分量最大，其次是时效分量，荷载分量太小未能选入。铅直向变形主要随温度呈年周期变化，温度分量变幅为42 mm，时效分量在4.6 mm以内，基本处于稳定的弹性变形[5]状态。邱章云[5]指出，塔柱筒体随温度变化而变化，温差大则变形大，温差小或恒温状态时则变形很小或没有变形，此变形情况符合建筑物变形规律。塔柱2与塔柱4的变形规律均是一致的，即：低温季节收缩变形，高温季节伸张变形，符合高耸薄壁结构的变形规律，时效分量较小。

4 塔柱应力应变及接缝开度

在升船机顶部两个横梁两端及梁中间各布置了钢筋计监测横向钢筋应力，实测钢筋应力在-55～30 MPa之间，且测值变化稳定，没有趋势性变化。塔柱纵梁钢筋应力约在-120～120 MPa之间，大部分钢筋拉应力在50 MPa以内，较大的钢筋应力均是在浇筑混凝土后一个月左右出现的，之后应力没有超过浇筑初期应力，后期应力主要随温度呈年际变化，与温度负相关。在升船机筒体及横梁各布置了应变计监测混凝土应力，实测混凝土应力在-3.57～1.17 MPa之间，多为压应力，拉应力较小，主要随温度变化，没有不利的趋势性变化。大部分塔柱平衡重轨道一、二期混凝土间开度测点测值在0.3 mm以内，测值基本在仪器的观测误差范围内。开度测值均是混凝土浇筑后头几天产生的，之后测值变化很小，且不随温度变化，说明一、二期混凝土间结合良好，不存在明显的裂缝。

5 结 语

施工期升船机塔柱的观测成果表明，塔柱变形和应力应变主要受气温影响呈年际变化，沉船及水漏空试验的铅直向荷载变化对塔柱变形和应力应变影响很小，各项测值均是正常的，符合升船机的结构特点，测值均在设计允许的范围内，满足升船机正常运行的要求。

（1） 塔柱水流向移动在-10.74～9.89 mm之间，坝轴向移动在-6.17～10.36 mm之间。塔柱水平移动受气温影响较大，高温时向外扩张变形，低温时向内收缩变形。

（2） 塔柱铅直向变形年变幅约为38.5 mm，主要随气温呈年周期变化，温度升高塔柱伸长，温度下降塔柱收缩。

（3） 从监测成果来看，升船机塔柱水平移动、铅直向变形、混凝土应力、钢筋应力等均在设计允许范围之内，满足了升船机各机件的运行要求，塔柱处于稳定的弹性变形状态，升船机整体运行是安全、可靠的。

参考文献：

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[4] 王旭虹，朱虹.  三峡升船机塔柱结构温度变形计算[C]//中国力学学会. 第十届全国结构工程学术会议论文集第Ⅰ卷. 南京：中国力学学会，2001：931-935.

[5] 邱章云，罗琛.  三峡升船机塔柱施工期变形监測[J].  中国工程科学， 2013（9）：102-107.

[6] 陕亮，崔建华，苏海东. 三峡升船机塔柱结构施工期仿真计算分析[J]. 长江科学院院报，2019，36（7）：118-124.

（编辑：江 文）