水利樞紐排水工程高坡導流支護結構穩定性監測研究

張小兵

(浙江省寧波市寧海縣農村水利管理所，浙江 寧波 315600)

1 概 述

近年來，我國西部大開發水利工程逐漸取得成功，其他地區也緊隨其后，積極發展水利工程，迎來了工程的高峰期。一般水利工程特別是排水工程都是建在地下，因各地區的地形地質都不盡相同，有的比較復雜，或者受到自然天氣的干擾等都會影響工作人員的判斷和決策，使排水工程出現不安全性，因此建立一個穩定的支護結構十分必要。對于高坡地區，首先要考慮到地形條件、結構材料、溫度和應力等因素，然后在此基礎上建立支護結構。傳統的支護結構雖然投入大量資源，但由于當時條件設施的落后導致工程使用時間較短，不夠穩定，嚴重影響了人們的生活。而且以往的水利樞紐排水工程高坡導流支護結構穩定性監測方法在監測時主觀判斷意識較重，導致監測結果準確性較差。為此，本文針對高坡導流支護結構穩定性監測方法作進一步的研究。

1.1 工程概況

此次研究的排水工程為二等工程，所涉及到的建筑有大壩、空曠的廠房、防洪通道等。而支護結構主要由混凝土結合水泥板建造而成，其高度為3 472.00 m，長度為365 m，寬度為122 m。

支護結構的材料一般是大理石或者巖石，呈灰白色，且寬度和厚度符合國家標準，約3～7 m。工程支護結構靠近山下，視野空曠，高坡風化深，靠近河流，且帶有風化帶約36 m。同時要傾斜放置，使河流擴大排水面積，最大程度上將水引流至干旱區域，一水多用。

1.2 高坡導流支護結構穩定性監測儀器選取及步驟

為了提高監測的準確性，此次研究將采用監測儀器布置與相關計算方法結合的方式進行監測。在選取檢測儀器前要對現場環境進行評估，勘測周圍的地形、自然環境，繪制出工程的簡易圖，對支護結構的穩定性進行預測，選取適合的位置作為施工地點，利用監測器來檢測位置變化。利用泄洪通道作為監測目標，多點位移計與測力計同時作用得到支護結構的軸線高程[1]。排除掉地形地質和高坡傾斜程度的干擾，探測出深入地下的深度，如M1、M3可以檢測的深度為40 m，而M2觀測的深度為55 m。對于錨索測力儀器來說，正常情況下的測力噸位為300 t。

1.3 多點位移計的工作原理

本文應用的位移計是振弦式位移計[2]，主要包括：

1)錨頭：將高坡與巖石層連接，使兩者保持同一方向，鉆孔完成后立即回填灌漿。

2)側桿連接：一端連接錨頭[3]，另一端連接孔口，利用側桿進行位移。

3)測頭零件：放置在鉆孔位置，與傳感器連接形成電路，在電路中加入溫度計，隨時監測電纜溫度變化。

4)移動感應器：主要位于錨頭處，與側桿相鄰，把移動信息轉換成信號傳輸給網絡。目前，最常見的位移計是由國外引進的GcokonA-6型位移計，而搭配的傳感器為4 450，信號傳輸為100 mm，其主要性能如下：

畫質：0.025%F.S.R

速度：0.25%F.S.R

受溫度影響的位移：<0.05%FSR/1℃

穩定性：<0.2%F.S.R1年

接受溫度：-40℃～+60℃。

通過以上性能可以看出，位移計首先將規格不同的錨頭固定在巖石層中，當處于孔內的錨頭向外層移動時，相對應的傳感器也會隨之發生改變。隨著側桿的傳遞功能將其運送到保護管末端[4]，之后產生自振頻率，從而得到巖石位移的距離。

1.4 多點位移計

得知鉆孔的大小及是否通暢后再進行位移計安裝，步驟如下：

1)首先將錨頭桿伸直[5]，與側桿和保護管連接到一起，使管長度在5.0 m以上。

2)校準傳感器標準，達到合適的讀數。

3)清除鉆孔內其他物體，把以上準備好的側桿及傳感器伸入到孔中，側桿的長度在1.5 m之內。

4)封閉：將所有零件都伸入孔內后，利用混凝土進行封層，減少與空氣接觸，水分徹底蒸發后再開始灌漿。

5)結合位移計性能，采用低壓灌漿的方法灌注鉆孔[6]，使孔內被填滿，隔絕空氣，固定封層。

6)當維持至一定時間后，得到相應數據。

2 監測數據處理

排水工程監測一般有兩種方法，即從統計學以及大數據技術兩個方面進行監測。統計學方法包括回歸分析法[7]、聚類分析法、對應分析法等；而大數據技術主要包括數據收集[8]、數據挖掘、統計分析等。結合本文所研究工程，采用回歸分析法來對監測到的數據進行處理，對支護結構的穩定性進行分析。

2.1 回歸分析法的流程

不同的記錄方法和儀器型號都會出現一些輕微的誤差，應排除掉這些誤差后來對數據進行判別[9]。假設已經進行n次采集分析，當接近第i次測量，得到的結果為Ui，且最后幾次的測量結果為Ui-1，Ui，Ui+1(i=2,3,…n-1)，則其關系為：

di=|2×Ui-(Ui=1+Ui+1)|

(1)

其算術平均值d為：

(2)

相對平均值σ為：

(3)

相對特征方差為：

(4)

當qi>3時，就會出現測量時最大的誤差，可以忽略不計；之后再用數值代替，完成統計學分析。

2.2 數據補差

有些數據會由于儀器的遺漏或者是記錄方式不同出現數據遺失，所以要及時查漏補缺，一般采取插值法來建立函數關系[10]。假設兩個相鄰的錨點為(X1,Y1),(X2,Y2)，那么需要插值的點(X,Y)的坐標具體如下：

(5)

3 導流支護結構變形參數確定

3.1 平衡方程建立

建立支護結構所使用的塑性材料如果由于外界因素發生改變，就代表材料的內部結構已經被破壞，其中的屈服面已經破裂[11]。在關于材料學知識中可以用函數來表達，正常情況下屈服函數與應力[12]、溫度、時間這幾個因素有關。在忽略時間的情況下，溫度與應力同時改變不會對材料產生影響，此時材料正處于彈性狀態，其表達式為：

f(σy,k)=0

(6)

其中k是系數。當應力受限于巖石材料的最大屈服限度時，材料不再處于彈性狀態；而當應力大于巖石的表面壓力時，巖石已經接近崩潰而處于極限狀態，巖石層達到分離狀態[13]。但盡管應力與壓力同時作用于巖石，其位移依舊是不斷改變的，其結構圖見圖1。

圖1 圍巖應力分布

最后對巖石的彈性狀態進行分析，建立平衡方程。巖石的塑性程度是相互對稱[14]的，平衡方程為：

(7)

式中：e與r均為常數項；p為材料分量；?為塑性指數，在符合相互對稱的條件下，材料的塑性厚度中等，與地面形成角度的大小無關。

3.2 塑性條件

對于巖石塑性來說，既要符合平衡方程還要滿足塑性條件。依據莫爾強度理論，當巖石與其中的作用力相排斥時，巖石就達到塑性條件[15]，進入塑性狀態，關系與壓力強度見圖2。

圖2 應力圈與強度曲線的關系

圖2中，c為巖石厚度；A與M為兩個塑性點；B為材料與莫爾圓相切的點；σθ與σr為受到的應力。

由圖2可知，在ΔABM中有：

(8)

(9)

(10)

即：

(11)

其中：φ與θ為角度；P為塑性分量。

通過以上公式，使巖石滿足塑性條件。

3.3 塑性應力

將以上公式結合到一起，就可代表材料達到平衡時的應力，公式為：

(12)

式中：C1為常數，受塑性條件影響。

(13)

(14)

其中，產生的應力變化會根據C、φ、Pi的變化而變化，與自身壓力無關。

(15)

(16)

3.4 支護結構應力分析

按照《混凝土重力壩設計規范》(SL 319-2018)規定，計算支護結構的橫截面要以左岸面和右岸面為主線，獲取各種參數，其計算公式為:

(17)

式中：σy為支護結構垂直壓力，kPa；∑W為支護結構上端和下端的全部承載力，kN，且下端作用力最大；∑M為支護結構上的全部軸心力總和，kN·m；A為支護結構的橫截面積,m2；x為支護結構上一點到圓心的距離，m；J為巖石厚度,m。

3.5 斷面面積計算

按照水流原理，計算是否符合排水性能指標。基于力學對斷面面積進行推測，鉆孔內的卵石越大，水量滲透越少，系數越小，所以鉆孔大小、斷面面積與滲透量的關系為：

(18)

其中：k為排水系數；e為鉆孔大小，一般為40～80 mm；Rw為水量；c為滲透系數；S為導流口的斷面面積；v為是水流速率。

按照上述監測流程以及作用力參數的確定，得到巖石材料與壓力的關系，由此完成高坡導流支護結構穩定性的監測。

4 實例分析

為驗證提出的水利樞紐排水工程高坡導流支護結構穩定性監測方法的有效性，現進行實例分析。此次研究以某城市的工程為例，詳細的監測內容及結果如下所示。

4.1 結構應力對比分析

各監測點實際的最大主應力見圖3中紅色曲線。分析此次研究的監測結果與實際的曲線值可知，此次研究的監測結果與實際的支護結構應力分布趨勢基本一致。

圖3 結構應力對比分析

4.2 結構位移對比分析

圖4中，紅色線為實際的多點位移值，將此次研究的監測結果與其對比。結果發現，在最大的位移值與最小的位移值監測上，此次研究的監測結果與實際的值相差較小，并且最大位移量為4.45 mm左右，說明該導流支護結構措施得當，面臨空面位移的量較小。

圖4 結構位移對比分析

4.3 滲壓計過程線

從圖5中可以看出，該區域地下水位較低，造成邊坡位移的主要因素是地下水，因此支護結構的穩定性除與結構面有關，還與地下水位相關。目前地下水孔隙水壓力僅為6 kPa，說明支護結構排水措施得當，結構滑移危險較低。

圖5 滲壓計過程線

通過上述分析可以發現，此次研究的監測方法能夠合理分析支護結構的應力情況與位移情況，并且能夠分析出現位移情況的原因，能夠為現場地質情況制定監測設計方法提供科學依據。

5 結 語

本文考慮到地形條件、溫度以及應力的影響，對支護結構的穩定性進行檢測，可為相關領域提供幫助。但是每個水利工程都是不同的，所以在后續研究中，將增加實驗次數，以便及時發現此次研究的監測方法中存在的不足。