混凝土面板應力分析可視化程序研發與應用

袁秋霜,菅 強,韓 慶

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065；2 西安航天基地配套工程服務有限公司，西安 710065)

0 前 言

對于混凝土面板堆石壩，趾板、面板與防浪墻是重要組成部分，布置于大壩最上游，為鋼筋混凝土建筑物，自下而上聯合組成防滲體，起主要防滲作用。混凝土面板為大壩的主要防滲結構，但厚度較薄；其下游的堆石體墊層雖為低透水性，但其滲透系數仍比面板混凝土大若干數量級，因而滲漏水的水頭損失主要發生在面板的厚度范圍內，使面板承受很大的水力梯度[1]。面板在運行期中，長時間擋水，隨著庫水位的升降，混凝土面板在墊層坡面上隨堆石體的變形而產生位移與撓曲變形，一般總體呈凹鏡形，使各條面板自兩側向中央部位滑移[2-3]。如果壩體沉降變形較大，以及面板與堆石體變形不協調，面板內部會形成極為復雜的應力狀態，從而引發面板局部擠壓破壞和面板的結構性裂縫[4-5]。面板的結構性裂縫主要表現為壩肩附近平行于趾板線的斜向裂縫和面板水平向的張拉裂縫；壩肩的斜向裂縫主要緣于壩肩處堆石的不均勻變形，而面板水平向張拉裂縫則主要由堆石整體變形所導致的面板拉應力過大所造成的。表1列舉出部分目前已建的面板堆石壩的面板破壞情況統計，局部擠壓破壞與結構性裂縫為面板破壞的2種主要形式。因此，進一步研究中高面板堆石壩的面板應力問題，加強面板應力監測與分析，對改進設計方法、面板滲漏查找修復具有重要的工程意義[6-8]。

表1 已建面板堆石壩面板破壞情況統計表

1 面板應力監測數據分析

首先，面板應力測點布置。對于大壩面板應力監測，測點應按面板條塊布置，通常選取河谷最長面板條塊及其左右岸坡各一面板條塊。對于高度超過100 m的1級壩，宜在可能產生擠壓破壞的面板條塊增設1個監測斷面。測點布置于面板條塊的中心線上，面板鋼筋計布置順坡和水平兩向[9-10]。對于高壩以及形態特殊的大壩面板，要專門研究面板應力監測方案，加強監測點的數量[11]。因此，一般而言，大壩面板的監測儀器數量眾多，各支儀器從埋設后開始采集數據，在持續數年的施工期，會積累較為龐大的監測數據，分析工作任務較重。

其次，面板應力監測數據分析的主要困難在于監測點數量眾多，且各監測點的空間分布不同，在施工期隨著時間的推移，各監測點數據都處于不斷的變化之中，對某一個關鍵時刻的面板整體應力分布規律可通過逐一查看此時各個測點的應力值，能夠獲得一個宏觀的認識。但是想獲得面板整體應力分布隨時間動態變化的發展趨勢便使得工作量驟增。常規的面板應力監測數據分析首先繪制各測點的應力變化過程曲線，通過分別查看各測點的過程曲線來了解大壩面板的整體情況[12]。缺點在于，獲得的監測數據相對獨立，無法將所有測點的歷史數據形成一個隨時間同步推進、同步展示的整體進行分析。從而對不同時刻的整個面板全部測點綜合應力分布規律掌握不足。

因此，迫切需要一種強有力的手段對面板應力監測數據分析工作進行輔助，強化整體分析與動態分析的能力，準確掌握不同大壩面板獨特的受力特點。針對以上需求，結合目前已有的監測數據整編分析手段，采用可視化程序語言編制了一款對全局數據進行同步推移、同步展示的輔助程序，實現了對已有監測數據的整合分析與提煉。

2 程序簡介

(1) 編程工具

采用可視化程序語言Visual Basic(簡稱VB)，該編程工具是Microsoft公司開發的一種通用的基于對象的程序設計語言，為結構化和模塊化，以面向對象、包含協助開發環境的事件驅動為機制的可視化程序設計語言。功能強大，便于維護。

(2) 基礎數據

需要的基礎數據共2部分，分別為所有測點應力數據表1份(xls格式)和大壩面板應力監測點分布圖(jpeg格式)1張。

(3) 程序界面

程序包含2個窗口。首先是數據輸入窗口(見圖1)。通過按鈕“輸入應力值”選取測點應力數據表(xls格式)，輸入的監測數據會顯示在本窗口內，以方便查看。

圖1 數據輸入界面圖

數據輸入后，會自動啟動“應力動態分布圖”窗口(見圖2)。窗口中展示的面板體型為事先導入的“大壩面板應力監測點分布圖”。窗口底部為滑動條控件，用于控制窗口中顯示的數據值的時刻。窗口左下角為圖例及大壩面板的相關參數。

(4) 功能簡介

1) 用戶可以手動拖動滑動條的滑塊，使其指向任意想要查看的時刻。

圖2 應力動態分布圖界面圖

2) 應力動態分布圖窗口中顯示出滑塊所指示日期的各監測點的應力值分布總圖。壓應力用“-”，拉應力用“+”。橫向鋼筋計應力用水平短線表示，縱向鋼筋計應力用豎直短線表示。

3) 如果滑塊所指示時刻水庫已蓄水，應力動態分布圖窗口中會顯示指示時刻的庫水在大壩面板上的淹沒線，并標注當前庫水位高程。

4) 本程序設置了動態預警分析功能，用戶可以手動輸入面板應力警戒限值，當某監測點應力超限時，會在應力動態分布圖窗口中突出顯示。

3 應用演示

在云南某高面板堆石壩面板應力監測資料分析工作中，采用本分析輔助程序，對面板整體應力的演變過程進行分析與研究，時間跨度從監測儀器安裝埋設至水庫蓄水運行。程序應用結果見圖3～6。

圖3 2014年4月6日面板鋼筋計應力分布圖 (未蓄水)

從圖3～6看出，云南某高面板堆石壩河谷最長面板條塊上鋼筋應力在不同時段的變化情況及對應的測值，鋼筋應力在儀器安裝初期部分受拉部分受壓狀態，到蓄水至正常蓄水位時鋼筋應力均為受壓狀態。通過對面板應力分析可視化程序的應用，監測數據分析人員能夠快速且直觀掌握不同時段面板應力的變化過程與變化趨勢，為后續面板應力問題的研究打下一定的基礎。

圖4 2014年11月5日面板鋼筋計應力分布圖 (蓄水前)

圖5 2014年11月14日面板鋼筋計應力分布圖 (蓄水至1 569.30 m)

圖6 2015年3月13日面板鋼筋計應力分布圖 (蓄水至正常蓄水位)

4 結 語

本程序的開發旨在將原本獨立的單支面板應力監測儀器的觀測數據進行同步推移與同步展示，便于監測數據分析人員形成大壩面板應力的全局認識，掌握大壩面板全時段的變化趨勢，從而提升觀測數據分析的質量與效率，為進一步研究中高面板堆石壩的面板應力問題，改進設計方法、面板滲漏查找修復打下一定的基礎。