三峽升船機塔柱變形監測分析

徐昆振 段國學 彭紹才 耿峻

摘要：為監測三峽升船機在施工期、試通航期和運行期的安全狀態，同時兼顧驗證設計、指導施工等的需要，在升船機內布置了大量監測儀器。分析了三峽升船機在施工期的塔柱變形監測資料，通過統計模型分析，總結了塔柱變形的變化特點和規律。結果表明：受氣溫影響，塔柱變形和應力應變呈年際變化，塔柱處于穩定的彈性變形狀態，滿足升船機各機件的運行要求。研究成果可為同類升船機工程施工、設計和資料分析提供參考。

關鍵詞：三峽升船機; 安全監測; 塔柱變形; 統計模型分析

中圖法分類號：U642 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.02.010

文章編號：1006 - 0081（2022）02 - 0057 - 06

0 引 言

三峽升船機為齒輪齒條爬升式垂直升船機[1-2]，其過船規模為3 000 t級，最大提升高度113 m，具有提升高度大、提升重量大、承船廂與混凝土塔柱建筑結合密切及施工精度要求高等特點。三峽升船機船廂室段平面尺寸為121.0 m × 59.8 m，底板頂高程50.0 m，建基面高程47.5 m。高程50.0～196.0 m之間為長119.0 m、側寬16.0 m的鋼筋混凝土承重塔柱，對稱布置在升船機中心線兩側。左右側塔柱之間的距離為25.8 m，通過高程196.0 m的7根橫梁和2個平臺連接，組成承船廂室墻-筒體-梁空間復合承重支撐結構。

三峽升船機安全監測系統經過專題設計階段研究，并隨同土建施工進度一起埋設安裝監測儀器，至2016年9月升船機進入試通航，監測系統運行良好，采集了大量第一手監測數據，為升船機的安全運行提供了數據支撐。升船機船廂室塔柱結構是承船廂及其配套機電設備的承載和固定結構，升船機所有荷載均通過塔柱傳遞至地基，是升船機的關鍵組成部分。升船機螺母柱及齒條通過二期混凝土與塔柱結構聯結為整體，塔柱施工期及運行期的長期變形情況及塔柱與螺母柱、齒條的變形協調情況直接關系到升船機的運行安全。因此，塔柱變形是升船機監測的最重要的項目[3-4]。通過對三峽升船機全過程的持續監測，采集變形效應量的初始值、基準值和各階段變化過程的數據并對其進行分析處理，可對升船機的安全度作出評價。這樣能夠及時發現各效應量異常現象和可能危及升船機安全的不利因素，為有關部門的決策措施提供依據[5-6]。目前國內對升船機主體工程的變形監測成果進行深入研究的較少，本文對升船機塔柱主要變形監測資料成果（截至2017年6月）進行系統分析，總結了塔柱變形的變化特點和規律，可為同類升船機工程施工、設計和資料分析提供參考。

1 監測重點與儀器布置

船廂室段結構由4個對稱布置的塔柱（上游左邊塔柱1、右邊塔柱2，下游左邊塔柱4、右邊塔柱3）組成，各筒體結構基本相同（圖1）。考慮到下游部位的塔柱3和塔柱4的左右側墻受日照的面積更大，因此，將塔柱3和塔柱4作為關鍵監測部位（斷面），將塔柱2作為重要監測部位（斷面）。關鍵監測部位除需監測變形外，還需要重點監測結構應力應變等。

三峽升船機船廂室段塔柱筒體建基面以上高達148.5 m，屬高聳薄壁結構，升船機船廂及設備連同廂內水總重達15 500 t，塔柱筒體結構和受力均非常復雜。為驗證設計、監測升船機安全，根據升船機船廂室段結構特點，布置了變形、應力應變等監測項目。其中，塔柱變形是升船機監測最重要的項目。

1.1 變形監測

（1） 塔柱1～4（高程50.0～196.0m）采用正、倒垂線結合的方法進行水平移動監測。每個塔柱在高程50.0～84.5 m布設1條倒垂線，在高程84.5～196.0 m則布設2條正垂線，并在高程112.0 m，175.0 m設中間測點。共布設4條垂線（圖1）。

（2） 在塔柱2，4的筒體中部（高程50.2～194.0 m）各布設一條豎直向伸縮儀測線，進行塔柱頂部和底部之間的鉛直向的相對變形監測，每條測線分3段布設（圖1）。

（3） 在船廂室底板高程50.0 m和塔柱頂部高程196.0 m處分別布設精密水準點，進行塔柱基礎沉降和頂部垂直移動監測。

1.2 應力應變及接縫開度監測

在塔柱3和塔柱4筒體高程62，84 m和175 m各選取一水平觀測截面，每個觀測截面布置鋼筋計8支（圖2）。位置分別是：軸8～9、軸11～12的筒體左右壁中間各布置1支水流向鋼筋計（共4支），軸10外側墻處布置1支水流向鋼筋計，下游軸13處筒壁在左右端及中間各布置1支橫向鋼筋計（共3支）。高程84～196 m范圍內在24個塔柱縱梁上布置了鋼筋計監測縱梁受力情況，其中塔柱3和塔柱4各監測了11個縱梁，塔柱1和塔柱2在高程196 m各監測了1個縱梁，各縱梁鋼筋計主要布置在梁的兩端及梁中間。在升船機頂部中央控制室處的兩個橫梁HL4-1和HL4-2的兩端及梁中間各布置了4支鋼筋計監測橫向鋼筋應力。塔柱平衡重軌道處高程59.0～192.8 m預留1.3 m的寬槽，為監測寬槽一、二期混凝土結合情況，在塔柱2軸2和軸6、塔柱3軸8和軸12、塔柱4軸8和軸12處寬槽（共6條寬槽）的7個高程處布設測縫計，每個高程寬槽兩邊各布設1個測縫計。

2 塔柱水平移動監測

2.1 實測變形成果

2.1.1 一般情況下的塔柱水平移動

（1） 塔柱水平移動主要隨氣溫呈年際變化，降溫時塔柱4個垂線部位均向船廂室中心移動（水流向上游塔柱向下游移動、下游塔柱向上游移動，壩軸向左側塔柱向右移動、右側塔柱向左移動），升溫時則相反。

（2） 4個塔柱的X方向（水流向）移動值在-10.74～9.89 mm之間;Y方向（壩軸向）移動測值在-6.17～10.36 mm之間。因塔柱在壩軸線方向的剛度比水流向小，使得Y方向移動除隨氣溫呈年際變化外，還受日氣溫變化影響呈現較頻繁的波動。塔柱1垂線X，Y向水平位移過程線見圖3～4。

（3） 塔柱高程196.0 m處，一般2月氣溫最低時，塔柱相互靠近，垂線觀測的水流向同側上游塔柱與下游塔柱間相互靠近的最大相對移動值約為12 mm，壩軸向左右側塔柱間相互靠近的最大相對移動值約為9 mm;一般8月氣溫最高時，塔柱相互遠離，水流向同側上游塔柱與下游塔柱間相互遠離的最大相對移動值約為7 mm，壩軸向左右側塔柱間相互遠離的最大相對移動值約為6 mm。

2.1.2 沉船、水漏空及實船試驗前后塔柱水平移動變化

2014年4月8日進行了沉船試驗[3]，船廂水位3.5 m，與平衡重平衡，均懸空，之后船廂水位充至最高水位4.3 m。2014年9月4日進行了水漏空試驗，船廂水位從3.7 m漏空。2016年7月16日進行了實船試驗。實測成果表明：沉船、水漏空及實船試驗前后塔柱水平移動增量均在3.0 mm以內，大部分測點移動增量小于2.0 mm，試驗的鉛直向荷載變化對塔柱水平移動的影響很小。塔柱3垂線X，Y向水平位移過程線見圖5～6。

2.2 統計模型分析

對塔柱1～4高程196 m的X，Y向水平移動進行了統計模型分析。典型測點移動分量過程線見圖7～8。統計模型分析結果表明：① 各塔柱頂部水平移動中，溫度分量最大，荷載分量和時效分量均較小。② 各個塔柱的變形規律均是一致的，即：低溫季節向內收縮變形，高溫季節向外擴張變形。塔柱頂部水平移動符合高聳薄壁結構的變形規律，時效分量較小。③ 壩軸向移動Y的溫度分量變幅比水流向移動X溫度分量變幅要小，符合塔柱頂部壩軸向寬度比水流向長度小的特點。

2.3 實測值與設計值對比

實測低溫季節1～2月份塔柱間距離最短;高溫季節8～10月份塔柱間距最大。水流向（縱向）相對移動在-16.66～11.47 mm之間，移動幅值約在28 mm以內;壩軸向（橫向）相對移動在-11.76～7.92 mm之間，移動幅值約在17 mm以內。相對移動主要隨氣溫呈年周期性變化。塔柱間相對水平移動均在設計允許范圍[4]內，滿足了升船機各機件的運行要求。塔柱螺母柱間相對移動計算值與實測值幅值對比見表1。

3 塔柱鉛直向變形

3.1 實測變形成果

至2017年6月，船廂室高程50.0 m底板各點沉降在6.0 mm左右，無不均勻沉降現象，塔柱基礎已基本趨于穩定。塔柱2和塔柱4高程50.2～194.0 m伸縮儀實測鉛直向變形的年變幅分別約為40 mm和37 mm，主要隨氣溫呈年周期變化，溫度升高則塔柱伸長，溫度下降則塔柱收縮。另外，在高溫季節，由于受日照時間和范圍不同，塔柱2鉛直向變形較塔柱4鉛直向變形增加約5 mm;低溫季節時兩者變形回歸一致（圖9）。兩塔柱鉛直向變形差值在設計允許范圍內，滿足升船機各機件正常運行要求。

3.2 統計模型分析

以塔柱2伸縮儀實測結果進行統計模型分析。統計模型測點移動分量過程線見圖10。統計模型分析結果表明：塔柱鉛直向變形中，溫度分量最大，其次是時效分量，荷載分量太小未能選入。鉛直向變形主要隨溫度呈年周期變化，溫度分量變幅為42 mm，時效分量在4.6 mm以內，基本處于穩定的彈性變形[5]狀態。邱章云[5]指出，塔柱筒體隨溫度變化而變化，溫差大則變形大，溫差小或恒溫狀態時則變形很小或沒有變形，此變形情況符合建筑物變形規律。塔柱2與塔柱4的變形規律均是一致的，即：低溫季節收縮變形，高溫季節伸張變形，符合高聳薄壁結構的變形規律，時效分量較小。

4 塔柱應力應變及接縫開度

在升船機頂部兩個橫梁兩端及梁中間各布置了鋼筋計監測橫向鋼筋應力，實測鋼筋應力在-55～30 MPa之間，且測值變化穩定，沒有趨勢性變化。塔柱縱梁鋼筋應力約在-120～120 MPa之間，大部分鋼筋拉應力在50 MPa以內，較大的鋼筋應力均是在澆筑混凝土后一個月左右出現的，之后應力沒有超過澆筑初期應力，后期應力主要隨溫度呈年際變化，與溫度負相關。在升船機筒體及橫梁各布置了應變計監測混凝土應力，實測混凝土應力在-3.57～1.17 MPa之間，多為壓應力，拉應力較小，主要隨溫度變化，沒有不利的趨勢性變化。大部分塔柱平衡重軌道一、二期混凝土間開度測點測值在0.3 mm以內，測值基本在儀器的觀測誤差范圍內。開度測值均是混凝土澆筑后頭幾天產生的，之后測值變化很小，且不隨溫度變化，說明一、二期混凝土間結合良好，不存在明顯的裂縫。

5 結 語

施工期升船機塔柱的觀測成果表明，塔柱變形和應力應變主要受氣溫影響呈年際變化，沉船及水漏空試驗的鉛直向荷載變化對塔柱變形和應力應變影響很小，各項測值均是正常的，符合升船機的結構特點，測值均在設計允許的范圍內，滿足升船機正常運行的要求。

（1） 塔柱水流向移動在-10.74～9.89 mm之間，壩軸向移動在-6.17～10.36 mm之間。塔柱水平移動受氣溫影響較大，高溫時向外擴張變形，低溫時向內收縮變形。

（2） 塔柱鉛直向變形年變幅約為38.5 mm，主要隨氣溫呈年周期變化，溫度升高塔柱伸長，溫度下降塔柱收縮。

（3） 從監測成果來看，升船機塔柱水平移動、鉛直向變形、混凝土應力、鋼筋應力等均在設計允許范圍之內，滿足了升船機各機件的運行要求，塔柱處于穩定的彈性變形狀態，升船機整體運行是安全、可靠的。

參考文獻：

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（編輯：江 文）