某高面板壩光纖陀螺儀監(jiān)測成果可信度評判

呂高峰，朱錦杰

(杭州國家水電站大壩安全和應急工程技術中心有限公司，浙江 杭州 311122)

1 工程概況

某水電站混凝土面板堆石壩壩頂高程409.0 m，壩頂長674.66 m，最大壩高233.2 m，壩頂寬12 m。大壩上游壩坡1∶1.4，下游平均壩坡1∶1.46。壩體填料分7個主要填筑區(qū)，從上游至下游分別為蓋重區(qū)(1B)、鋪蓋區(qū)(1A)、墊層區(qū)(2A)、過渡區(qū)(3A)、主堆石區(qū)(3B)、次堆石區(qū)(3C)和下游堆石區(qū)(3D)。面板厚0.3～1.1 m，受壓區(qū)面板寬16.0 m，受拉區(qū)寬8.0 m，共分58塊，面板面積13.87萬m2。趾板采用壩前設標準板，下接防滲板的結構形式，標準板寬6～8 m，厚0.6～1.2 m。防滲板寬4～12 m，厚0.6 m。趾板與基巖間設有錨筋連接。周邊縫結構在345.0 m高程以下采用底、中、頂三道止水，345.0 m高程以上取消中部止水，設底、頂兩道止水；面板垂直縫設有底、頂兩道止水。

2 光纖陀螺儀布置和測值定義

2.1 光纖陀螺儀布置

在面板0+212斷面上布設一條光纖光柵陀螺儀測線用來監(jiān)測面板撓度，其中陀螺儀管道槽底部起始高程178.0 m，頂部高程409.0 m，槽線總斜長397.4 m。在樁號0+132監(jiān)測斷面371 m高程布設一條光纖光柵陀螺儀壩體沉降測線。管道起始點緊靠上游面的擠壓邊墻，末端點在下游WS01-9觀測房內，軌道水平全長103 m。

2.2 光纖陀螺儀測值定義

光纖陀螺儀(面板撓度)的相對位移是相對于管底和管口連線為固定位置的法向位移。面板撓度通過管口的變形(通過外觀測量得到)換算成絕對位移，前提假設是管底為不動點(實際上管底在趾板處，管底基本不動，假定成立)。光纖陀螺儀(壩體沉降)的相對位移是相對于管底和管口連線為固定位置的法向位移。因管底的變形不具備觀測條件，在計算沉降的絕對位移時，假定管底和管口變形一致，將觀測房的沉降直接疊加到光纖陀螺儀的每個測點。實際上管底和管口的沉降差別較大，現(xiàn)有光纖陀螺儀(沉降)換算的絕對位移與工程實際有差別。

3 光纖陀螺儀基本原理

光纖陀螺的核心原理是利用光的干涉現(xiàn)象來測量旋轉角速率，由1913年法國物理學家G.sagnac首次提出。在一個任意幾何形狀的閉合光學光路中，從任意一點出發(fā)、沿相反方向傳播的兩束光波，繞行一周返回到該點時，如果閉合光路相對于慣性空間沿某一方向轉動，則兩束光波的相位將發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為Sagnac效應。它揭示了同一光路中兩個對向傳播的光的光程差與其旋轉速度的解析關系。

圖1 典型工程面板撓度分布曲線

4 光纖陀螺儀(撓度)測值可信度評估

4.1 與同類工程撓度分布規(guī)律類比

某面板壩光纖陀螺儀撓度分布曲線與國內同類工程(電平器等其他監(jiān)測儀器監(jiān)測撓度)進行對比。天生橋一級、珊溪水電站工程和本工程面板撓度分布曲線見圖1。由圖1可知：面板撓度分布曲線一般呈拋物線(珊溪)或馬鞍形(天生橋一級)[1]，與面板施工分期、預留沉降時間等有關。面板最大撓度出現(xiàn)的位置并不固定，出現(xiàn)在面板中部及以下或頂部都有可能，位于頂部一般與大壩運行期的堆石體蠕變較大有關，如天生橋一級。本文工程的撓度分布曲線與珊溪較為接近。

4.2 與同類工程最大撓度量值對比

國內同類工程面板撓度變形相關成果統(tǒng)計表具體見表1。由表1可知：

(1)截止到2015年10月30日，本工程(壩高233.2 m)面板最大撓度為1 215 mm，撓度與面板斜長比為0.30%，為目前國內同類工程最大。

(2)工程界一般認為面板撓度與壩高(H)的平方成正比，與堆石的壓縮模量(Erc)成反比。文獻[2]中提到面板撓度估算的公式為

δ=K×H2/Erc

(1)

式中，δ為面板撓度，mm；H為壩高，m；Erc為蓄水前垂直壓縮模量，MPa。K一般在1.1～1.6之間。根據(jù)實測資料計算K值，本工程的K值為2.66，大于其他工程。圖2是實測最大撓度與H2/Erc關系圖，從圖2可以看出，除本工程外，其他工程基本符合這個規(guī)律。

(3)在文獻[3、4]中提到，最大撓度可以用壩體施工期的最大沉降Smax表示，即δ=0.25Smax。圖3為實測最大撓度與0.25Smax關系。從圖3可以看出，本工程實測最大撓度與0.25Smax差別較大。

綜上所述，光纖陀螺儀(撓度)監(jiān)測到的某工程面板撓度較同類工程高。

4.3 與面板鄰近墊層料變形對比

為了解光纖陀螺儀(撓度)測值成果的可信度，對該成果與鄰近墊層料內的水管式沉降儀、引張線水平位移計成果進行對比。因引張線水平位移計和水管式沉降儀監(jiān)測時間早于面板撓度，對比前先將數(shù)據(jù)調整至同一初始時間。引張線水平位移計和水管式沉降儀換算成面板撓度的方式如下[6]：

表1 面板撓度變形相關成果[5]

圖2 實測最大撓度與H2/Erc關系

圖3 實測最大撓度與0.25Smax關系

D=ΔVcosθ+ΔHsinθ=0.814ΔV+0.581ΔH

(2)

式中，D為撓度，mm；ΔV為水平位移，mm；θ為坡角，(°)；ΔH為垂直位移，mm。

面板光纖陀螺儀實測撓度與引張線水平位移計、水管式沉降儀換算成果對比成果見圖4。由圖4可知，引張線水平位移計和水管式沉降儀矢量計算得到的面板撓度整體小于光纖陀螺監(jiān)測到的撓度。根據(jù)引張線水平位移計和水管式沉降儀矢量計算得到的面板撓度最大位置在1/3壩高位置附近，光纖陀螺儀監(jiān)測到的最大撓度在2/3壩高位置附近。

圖4 典型撓度分布曲線(單位：mm)

考慮相同基準時間，光纖陀螺儀(撓度)與水管式沉降儀、引張線水平位移計成果的對比見圖5。由圖5可知，光纖陀螺儀(撓度)300 m高程處測值過程線呈現(xiàn)測值逐步增大，速率逐步減小的趨勢，整體變形趨勢符合一般規(guī)律。從量值上看，水管式沉降儀、引張線水平位移計換算成撓度的成果小于光纖陀螺儀面板300 m處撓度的絕對位移。

圖5 光纖陀螺儀(撓度)和水管式沉降儀、引張線水平位移計絕對位移對比過程線

水管式沉降儀、引張線水平位移計換算成撓度的成果小于光纖陀螺儀面板300 m處撓度的絕對位移。但水管式沉降儀、引張線水平位移計換算成撓度這種方式存在一定的問題：①水管式沉降儀、引張線水平位移計與光纖陀螺儀(撓度)監(jiān)測的部位不一樣；②水管式沉降儀、引張線水平位移計本身成果也存在一定誤差。

4.4 與面板鋼筋應力規(guī)律對比

為進一步了解光纖陀螺儀(撓度)測值成果的可信度，對該成果與面板順坡向鋼筋計成果進行對比。光纖陀螺儀撓度和鋼筋計測值分布見圖4。從圖4可以看出，在面板的1/3壩高處鋼筋計的壓應力最大，2/3壩高以上鋼筋計為拉應力，結合水管式沉降儀和引張線水平位移計矢量計算得到的成果，面板在2/3壩高處產生最大撓度的可能性較小。

5 光纖陀螺儀(沉降)測值可信度評估

為評判光纖陀螺儀(沉降)變形的可信度，對比光纖陀螺儀和水管式沉降儀的監(jiān)測成果。

光纖陀螺儀、水管式沉降儀和表面變形測點2015年沉降速率統(tǒng)計見表2。從表2可以看出，光纖陀螺儀的沉降速率明顯高于同時段同位置的水管式沉降儀、壩頂表面變形的沉降速率。理論上，光纖陀螺儀的沉降速率應與同時段同位置的水管式沉降儀接近，并小于壩頂表面變形的沉降速率。光線陀螺儀(沉降)成果測值可信度不高。

光纖陀螺儀和水管式沉降儀的最終成果差別較大，除儀器測量本身的原因外，也和計算假定(疊加觀測房成果的方式)有關。

表2 光纖陀螺儀、水管式沉降儀和表面變形測點2015年沉降速率統(tǒng)計

光纖陀螺儀(壩體沉降)的相對位移是相對于管底和管口連線為固定位置的法向位移。在計算沉降的絕對位移時，假定管底和管口變形一致，將觀測到的沉降直接疊加到光纖陀螺儀的每個測點，實際上管底和管口的沉降差別很大，這樣得到的位移不是真正的絕對位移。因管底變形不具備觀測條件，現(xiàn)有光纖陀螺儀換算的絕對位移與工程實際有差別。

6 結 語

(1)光纖陀螺儀屬于試驗性、科研探索型儀器，可作為常規(guī)觀測的補充。監(jiān)測沉降的儀器有水管式沉降儀和光纖陀螺儀兩種，監(jiān)測撓度的儀器目前只有光纖陀螺儀(撓度)。

(2)光纖陀螺儀測得面板撓度分布曲線與其他同類工程類似，但量值上大于其他同類工程，也大于鄰近面板墊層料內水管式沉降儀和引張線水平位移計矢量計算得到的成果。基于面板撓度與H2/Erc成正比及最大撓度可以用壩體施工期的最大沉降Smax表示，光纖陀螺儀(撓度)監(jiān)測到的本工程面板撓度不符合經(jīng)驗公式。結合同斷面鋼筋應力分布、水管式沉降儀和引張線水平位移計矢量計算得到的成果，面板在2/3壩高處產生最大撓度的可能性較小。綜上，光纖陀螺儀撓度量值和規(guī)律可信度較低。

(3)光纖陀螺儀在2015年測得的沉降速率大于同時段同位置的水管式沉降儀、壩頂表面變形的沉降速率，不符合一般規(guī)律，測值可信度不高。究其原因，除儀器本身外，也和計算假定(疊加觀測房成果的方式)有關，在計算沉降的絕對位移時，假定管底和管口變形一致，將觀測房的沉降直接疊加到光纖陀螺儀的每個測點，實際上管底和管口的沉降差別很大，這樣得到的位移不是真正的絕對位移。