SAA陣列式位移計(jì)在面板撓度監(jiān)測中的應(yīng)用

卞曉衛(wèi)，田保明，彭 浩，李 映，易 偉

(1.中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550081；2.新疆新華葉爾羌河流域水利水電開發(fā)有限公司，新疆 喀什 844000)

混凝土面板作為大壩防滲體系中極為重要的結(jié)構(gòu)，一旦發(fā)生變形破壞將直接導(dǎo)致大壩出現(xiàn)滲漏問題，從而對整個大壩的安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，為及時了解和掌握其變形情況，準(zhǔn)確評價大壩運(yùn)行安全，對其進(jìn)行撓度監(jiān)測工作十分必要。傳統(tǒng)的監(jiān)測手段有活動測斜儀、固定式測斜儀、電平器、光纖陀螺儀等，但均存在一定的不足[1]，活動測斜儀在大角度工作時無法滿足觀測精度要求，且在長期的使用過程中無法保證長期數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性；固定式測斜儀安裝質(zhì)量不易保證，蓄水后測值效果差；電平器單點(diǎn)式布置，觀測成果精度取決于測點(diǎn)儀器布置密度，而且多測點(diǎn)儀器電纜集中后成束直徑大，對面板結(jié)構(gòu)有一定影響，且在鋪蓋回填及蓄水后極易損壞失效；光纖陀螺儀存在測量路線不唯一、管道占用空間、管道與面板變形不協(xié)調(diào)等問題，而且成本太高，數(shù)據(jù)解算復(fù)雜，后處理分析難度大，難以大范圍推廣應(yīng)用。

加拿大Measurand工程科技公司生產(chǎn)的SAA陣列式位移計(jì)，是一種可以被放置在一個鉆孔或嵌入結(jié)構(gòu)內(nèi)的變形監(jiān)測傳感器，可以實(shí)時監(jiān)測出物體x-y-z三維位移，實(shí)現(xiàn)實(shí)時立體監(jiān)測的高精度，反應(yīng)靈敏，運(yùn)行可靠。近年來，SAA陣列式位移計(jì)被引入國內(nèi)，應(yīng)用于路基沉降、堆積體變形、心墻壩變形、隧洞圍巖收斂等方面的監(jiān)測，取得良好效果。為準(zhǔn)確監(jiān)測阿爾塔什水利樞紐工程混凝土面板在各階段的撓度變形情況，工程采用SAA陣列式位移計(jì)對混凝土面板的撓度進(jìn)行監(jiān)測，通過4年多監(jiān)測數(shù)據(jù)和資料的整理和研究表明，SAA陣列式位移計(jì)能夠準(zhǔn)確反映混凝土面板在各階段的撓度變形情況，且監(jiān)測數(shù)據(jù)連續(xù)性、完整性較好。

1 SAA陣列式位移計(jì)

相對于傳統(tǒng)的變形監(jiān)測手段，SAA陣列式位移計(jì)在變形監(jiān)測中具有以下優(yōu)點(diǎn)：①高精度，累積誤差小，長度32m的SAA，連續(xù)進(jìn)行3年的穩(wěn)定性試驗(yàn)累積誤差小于±1.5mm；②高穩(wěn)定性，監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定，長度52m的SAA在毛家河水電站滑坡體監(jiān)測中應(yīng)用，監(jiān)測數(shù)據(jù)從2013年6月埋設(shè)初始至今都極為穩(wěn)定；③重復(fù)利用，對傳感器絕妙的設(shè)計(jì)和特殊的埋設(shè)方式，使SAA可以輕易實(shí)現(xiàn)重復(fù)利用；④大量程，可保證20cm以上的變形量程，在此量程范圍內(nèi)SAA可以在確保功能不受損的情況下拔出，實(shí)現(xiàn)重復(fù)利用。

陣列式位移計(jì)是一種可以被放置在一個鉆孔或嵌入結(jié)構(gòu)內(nèi)的變形監(jiān)測傳感器。它由3段連續(xù)軸組成。每段軸有一個已知的長度，每段轉(zhuǎn)角測量標(biāo)稱精度為±0.5°%，全長變形精度±1.5mm/32m，通過檢測各部分的重力場，計(jì)算出各段軸之間的彎曲角度，然后根據(jù)其已知的各段軸長度，計(jì)算出變形。將陣列式位移計(jì)安裝在堆石壩面板內(nèi)部，使之與面板同步協(xié)調(diào)變形，即可得到面板的變形，計(jì)算原理如圖1所示。

圖1 實(shí)施方法原理圖

圖1中，參數(shù)d表示三維軸線中(x、y、z)單個測量單元相對基準(zhǔn)的變形值；參數(shù)L表示單個測量單元的長度(0.3m、0.5m、1m)；參數(shù)θ表示單個測量單元對應(yīng)軸與重力方向之間的夾角。

每個測量單元安裝有3個加速度傳感器，通過測量傳感器的加速度值來計(jì)算出對應(yīng)軸與重力方向的夾角θ，通過計(jì)算出對應(yīng)軸與重力方向的夾角θ來計(jì)算對應(yīng)測量單元的位移量(d=L·sinθ)，每個測量單元長度為L，則第i個測量單元在重力方向的坐標(biāo)系中對應(yīng)的坐標(biāo)長度為d=L·sinθi，對應(yīng)的第i個測量單元在整體坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為第1個測量單元到第i個測量單元的累加值D=∑L·sinθi。

2 SAA陣列式位移計(jì)在阿爾塔什工程中應(yīng)用

2.1 SAA陣列式位移計(jì)布置

阿爾塔什水利樞紐工程為大(1)型Ⅰ等工程，攔河壩為混凝土面板砂礫石堆石壩，建筑物級別為1級，最大壩高164.8m、壩頂長795.0m、壩頂寬12.0m、抗震設(shè)計(jì)烈度9度，建在最大深度94m的沖積砂卵礫石覆蓋層上。混凝土面板底部厚度0.96m、頂部厚度0.4m，坡度為1∶1.7，最長的面板斜長達(dá)320m，分三期施工，其中一期面板頂部高程為1715m、二期面板頂部高程為1776m、三期面板頂部高程為1822m。

結(jié)合本工程特點(diǎn)，選定在河床覆蓋層最深暨最大壩高處斷面的混凝土面板內(nèi)布置SAA陣列式位移計(jì)?？紤]到混凝土面板分三期施工，且單條SAA陣列式位移計(jì)長度超過150m時存在加工運(yùn)輸難度大、現(xiàn)場未埋設(shè)部分需露天堆放難以保護(hù)等因素，在每期面板內(nèi)布置1條SAA陣列式位移計(jì)，相鄰兩期面板內(nèi)的SAA陣列式位移計(jì)采用專用夾扣搭接處理，最終形成1條完整的撓度測線。測線埋設(shè)于面板混凝土內(nèi)部，底部第一個測點(diǎn)設(shè)置在水平趾板內(nèi)，以保證其變形與水平趾板同步；頂部最末測點(diǎn)位于面板頂部，并預(yù)留一定的伸縮余量。

水平趾板下部的覆蓋層厚度達(dá)94m，在壩前鋪蓋施工和水庫蓄水過程中，水平趾板將不可避免的產(chǎn)生一定的沉降變形，無法為SAA陣列式位移計(jì)測線提供相對不動的觀測基準(zhǔn)點(diǎn)，因此在每期面板頂部布置一個臨時垂直位移觀測點(diǎn)，為SAA陣列式位移計(jì)提供觀測基準(zhǔn)。

(1)趾板→連接板→防滲墻段

以設(shè)計(jì)已布設(shè)的SJ23為基點(diǎn)，將SAA起始端固定在趾板混凝土內(nèi)部，具體儀器布置情況如圖2所示。

圖2 面板SAA陣列式位移計(jì)布置示意圖

考慮到外水壓力對儀器的影響，整條SAA外套高強(qiáng)度PVC/PE管沿順?biāo)鞣较虻讓愉摻顮恳粱炷练罎B墻，SAA終端采用鉆孔方式放入防滲墻內(nèi)部50cm，為防止連接板基礎(chǔ)沉降導(dǎo)致SAA拉斷，防滲墻內(nèi)部SAA不做固定處理，如圖2所示。

為防止混凝土結(jié)構(gòu)縫變形導(dǎo)致SAA拉斷，在SAA跨結(jié)構(gòu)縫位置采用穿管過縫的保護(hù)措施。

(2)趾板→混凝土面板→壩頂防浪墻段

以臨時表面位移測點(diǎn)為基點(diǎn)，將SAA起始端固定在趾板混凝土內(nèi)部。

在面板混凝土施工澆筑前，將全段SAA外套高強(qiáng)度PVC/PE管沿面板底層鋼筋上部牽引至壩頂(考慮到外水壓力影響和后期可能發(fā)生的混凝土裂縫處理化學(xué)灌漿施工影響，SAA不應(yīng)在面板上層鋼筋位置牽引，另外考慮到擠壓邊墻與面板底部產(chǎn)生剪切變形影響，將SAA安裝在底層鋼筋上部)，SAA在一期混凝土面板1715m高程位置和二期混凝土面板1776m高程位置做搭接處理，搭接長度為2m，搭接方式嚴(yán)格安裝廠家提供的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

為便于SAA監(jiān)測數(shù)據(jù)基準(zhǔn)值的選取，分別在趾板頂部，一、二期混凝土面板頂部做臨時表面位移監(jiān)測點(diǎn)，在防浪墻頂部做永久表面位移測點(diǎn)。

為防止混凝土面板發(fā)生變形后拉斷SAA，在SAA終端預(yù)留2m長度SAA，采用Φ110mm鍍鋅鋼管封閉保護(hù)。

為防止混凝土結(jié)構(gòu)縫變形導(dǎo)致SAA拉斷，在SAA跨結(jié)構(gòu)縫位置采用穿管過縫的保護(hù)措施。

為防止施工破壞，面板、防浪墻混凝土澆筑期間全程派人對SAA實(shí)時看護(hù)。

工程選用的SAA陣列式位移計(jì)，其主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo)見表1。

表1 SAA陣列式位移計(jì)主要技術(shù)參數(shù)表

主要技術(shù)特點(diǎn)如下：實(shí)時、連續(xù)、全自動、高可靠性監(jiān)測技術(shù)被廣泛認(rèn)可；高精度、高穩(wěn)定性、高3D空間分辨力；安裝簡單、經(jīng)濟(jì)；綜合現(xiàn)代微機(jī)電技術(shù)和通訊包括無線通信技術(shù)；安裝可水平可采用水平、垂直、任意角度；微處理器陣列及自動數(shù)據(jù)采集；綜合軟件功能，低維護(hù)成本。

2.2 數(shù)據(jù)采集及計(jì)算

臨時垂直位移觀測點(diǎn)在施工期利用全站儀三角高程法測量，在運(yùn)行期利用精密水準(zhǔn)儀采用三等水準(zhǔn)法測量。

SAA陣列式位移計(jì)在施工期通過儀器自帶的通訊電纜現(xiàn)場連接筆記本電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在運(yùn)行期接入配套的自動化采集設(shè)備，可通過遠(yuǎn)程通信方式(RS485、4G通訊網(wǎng)絡(luò)、LAN等)定期采集數(shù)據(jù)至監(jiān)測中心站。安裝于筆記本電腦和監(jiān)測中心站的數(shù)據(jù)采集軟件可實(shí)時處理從CDS獲取的變形測量數(shù)據(jù)、可視化變形曲線，并可將各傳感器的三維坐標(biāo)(x，y，z)導(dǎo)出為ASCII或MATLAB格式文件，以便進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理。

由于SAA陣列式位移計(jì)的傳感器類型為MEMS加速度計(jì)，對震動較為敏感，在數(shù)據(jù)采集時，應(yīng)選擇壩面無振動碾、挖掘機(jī)、運(yùn)輸車輛等大型機(jī)械作業(yè)和近壩庫區(qū)無爆破作業(yè)的時間段，以免使得監(jiān)測數(shù)據(jù)失真。

SAA陣列式位移計(jì)采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)為各傳感器相對于基準(zhǔn)傳感器的三維坐標(biāo)(x，y，z)，基準(zhǔn)傳感器和坐標(biāo)方向可在采集軟件中進(jìn)行設(shè)置。結(jié)合本工程的監(jiān)測目的，一般設(shè)置面板頂部的傳感器為基準(zhǔn)傳感器，x為上下游方向，向上游為正；y為左右岸方向，向左岸為正；z為垂直方向，向下為正。各傳感器的撓度值按下式計(jì)算。

din=(ΔH+Zin-Zi0)cosα-(Xin-Xi0)sinα

式中，ΔH—臨時或永久垂直位移觀測點(diǎn)的垂直位移量；din—第i個測點(diǎn)在第n次測量的撓度值；Zin—第i個測點(diǎn)在第n次測量的z方向坐標(biāo)值；Zi0—第i個測點(diǎn)在z方向坐標(biāo)基準(zhǔn)值；Xin—第i個測點(diǎn)在第n次測量的x方向坐標(biāo)值；Xi0—第i個測點(diǎn)在x方向坐標(biāo)基準(zhǔn)值；α—混凝土面板與下游水平方向的夾角。

2.3 監(jiān)測成果分析

大壩混凝土面板分3期澆筑，分別于2018年5月底、2019年5月底和2020年5月底完成澆筑，在每期面板澆筑完成后24h左右選取撓度監(jiān)測基準(zhǔn)值。

2.3.1一期面板撓度監(jiān)測成果

2018年6月至2019年1月，即一期面板澆筑完成至壩前蓋重填筑施工前，由于水平趾板上方未施加荷載、而壩體尚在繼續(xù)填筑，實(shí)測撓度呈自一期面板底部至頂部逐漸增大分布(如圖3所示)，該階段撓度變形主要受壩體自身沉降影響，面板頂部實(shí)測最大撓度值為37mm，與面板頂部變形觀測墩所測的沉降量32.6mm較為接近。在此過程中，于2018年7月在分析實(shí)測監(jiān)測數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)，面板中下部(距離底部48m)位置相鄰2個測點(diǎn)出現(xiàn)了2mm錯動變形，如圖3所示。經(jīng)現(xiàn)場查看，發(fā)現(xiàn)該位置有一條水平方向的混凝土裂縫。

圖3 一期面板撓度分布示意圖(2018年6月至2019年1月)

2019年1月至2019年6月壩前蓋重的填筑至高程1715m的過程中，撓度分布從面板頂部至底部呈漸變式沉降變形、頂部最小、底部最大(如圖4所示)，撓度變形趨勢與蓋重填筑高程有較好的相關(guān)性，利用SAA陣列式位移計(jì)計(jì)算出的底部相對沉降為33.9mm。

圖4 一期面板撓度分布示意圖(2019年1月至2019年6月)

2.3.2二期面板撓度監(jiān)測成果

2019年6月至2020年5月，即二期面板澆筑完成至三期面板施工前，面板頂部和底部的撓度值分別為36mm和54mm，整體分布呈中部小、頂部和底部大(如圖5所示)，主要原因是面板底部在壩前蓋重和水庫蓄水至1721m的作用下，二期面板頂部在壩體自身沉降作用下，均在持續(xù)發(fā)生沉降變形，而中部由于上部無荷載作用、下部堆石體沉降速率趨于減小等因素變形較小。

圖5 一、二期面板撓度分布示意圖(2019年6月至2020年5月)

2.3.3三期面板撓度監(jiān)測成果

2020年5月底三期面板澆筑后至今，面板撓度分布整體呈中下部最大、底部次之、頂部最小的凹型分布(如圖6所示)，主要原因是受庫水位持續(xù)上升的影響。其中2021年5月至今，庫水位基本穩(wěn)定在1785～1795m之間，面板頂部變形趨于穩(wěn)定，中下部面板撓度值持續(xù)增大、但撓度變形速率明顯減小。

圖6 一、二、三期面板撓度分布示意圖(2020年6月至2022年5月)

3 結(jié)語

混凝土面板作為堆石壩防滲體系中極為重要的結(jié)構(gòu)，一旦發(fā)生變形破壞將直接導(dǎo)致大壩出現(xiàn)滲漏問題，對其進(jìn)行撓度監(jiān)測工作十分必要。阿爾塔什水利樞紐工程通過在混凝土面板內(nèi)埋設(shè)安裝SAA陣列式位移計(jì)進(jìn)行面板撓度變形監(jiān)測的應(yīng)用成果表明，在一、二、三期混凝土面板施工過程中，實(shí)測面板撓度的分布規(guī)律和變化情況均合理，并且相比國內(nèi)外現(xiàn)有的混凝土面板撓度監(jiān)測手段，SAA陣列式位移計(jì)內(nèi)置于埋設(shè)在混凝土面板內(nèi)部的保護(hù)管中，具有儀器體積小、安裝快捷方便、對土建施工基本無干擾的特點(diǎn)，安裝過程中不受混凝土施工影響、安裝完成后可得到有效的保護(hù)，可靠地保證了儀器安裝質(zhì)量并顯著延長其使用壽命；其監(jiān)測數(shù)據(jù)更精細(xì)準(zhǔn)確，圖像穩(wěn)定可靠，能夠準(zhǔn)確反映混凝土面板在各階段的撓度變形情況，易于接入自動化監(jiān)測系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)對面板連續(xù)變形的準(zhǔn)分布式自動化監(jiān)測，適用于各類大、中型堆石壩面板變形監(jiān)測，工程應(yīng)用優(yōu)勢明顯，在面板撓度監(jiān)測方面具備廣闊的應(yīng)用前景。