易緒恒

（河南省南水北調(diào)中線工程建設(shè)管理局，河南 鄭州 450000）

南水北調(diào)中線工程梁式渡槽撓度監(jiān)測方法

易緒恒

（河南省南水北調(diào)中線工程建設(shè)管理局，河南 鄭州 450000）

文中結(jié)合南水北調(diào)中線工程梁式渡槽二次充水試驗(yàn)監(jiān)測過程，介紹了水準(zhǔn)法和鋼尺收斂法在渡槽撓度監(jiān)測中的原理、觀測精度及成果分析。同時(shí)，提出了鋼尺收斂法三角形測線分布的方法，以提高其監(jiān)測精度和適用性；通過工程實(shí)踐分析得知，兩種監(jiān)測方法對渡槽撓度的監(jiān)測都是可行的，建議南水北調(diào)中線工程運(yùn)行期撓度監(jiān)測采用水準(zhǔn)法。

撓度監(jiān)測；渡槽；水準(zhǔn)法；鋼尺收斂法

1 概 況

對于撓度的監(jiān)測，國內(nèi)外已做了大量的研究和工程實(shí)例，但大都是應(yīng)用于在橋梁的撓度監(jiān)測中，大型渡槽的撓度監(jiān)測研究和工程實(shí)例較少。結(jié)合南水北調(diào)中線工程大型梁式渡槽充水試驗(yàn)安全監(jiān)測工程實(shí)例，對梁式渡槽的撓度監(jiān)測方法進(jìn)行探討和研究。所監(jiān)測的梁式渡槽為雙幅2跨布置，每跨長30 m，簡支梁型式、三向預(yù)應(yīng)力矩形槽，單槽斷面內(nèi)凈尺寸為13 m（寬）×7.39 m（高）。槽身段設(shè)計(jì)水深6.35 m，加大水深7.05 m。渡槽充水試驗(yàn)工況為：用時(shí)11 d，充水至加大水位并停止充水進(jìn)行觀察。觀察1個(gè)月后開始放水，用時(shí)10 d放水結(jié)束。

渡槽充水試驗(yàn)是保證正常通水前的試通水，要求對結(jié)構(gòu)的安全性、穩(wěn)定性及充水效果等進(jìn)行全面的檢查，同時(shí)對設(shè)計(jì)的理念也是一個(gè)初步的驗(yàn)證，目的是確保渡槽運(yùn)行安全。在充水試驗(yàn)過程中，對梁式渡槽最主要檢驗(yàn)的指標(biāo)之一就是渡槽撓度監(jiān)測，其監(jiān)測結(jié)果可以直接和設(shè)計(jì)值相比較，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)。

2 撓度監(jiān)測方法概述

撓度是指建(構(gòu))筑物或其構(gòu)件在豎直方向上的彎曲值，它直接反映了其豎向的整體剛度。渡槽的撓度變化與渡槽通水安全息息相關(guān)，根據(jù)撓度監(jiān)測所得測值，即可繪出撓度變形曲線，從而可以判斷出渡槽各點(diǎn)變形量是否超出設(shè)計(jì)容許值。撓度，因其特有的直觀性成為了渡槽安全狀況評價(jià)的重要參數(shù)之一，對渡槽進(jìn)行撓度監(jiān)測有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

傳統(tǒng)撓度監(jiān)測方法可分為自動(dòng)化和非自動(dòng)化監(jiān)測方法兩類。非自動(dòng)化監(jiān)測方法主要指的是水準(zhǔn)高程法，自動(dòng)化監(jiān)測方法主要有機(jī)器人監(jiān)測法、傾角儀法、激光投射法、GPS法和連通管法等。

考慮到時(shí)間、成本、精度、后期維護(hù)等因素，對槽體單跨縱向撓度的監(jiān)測，此次渡槽充水試驗(yàn)選用了水準(zhǔn)法；結(jié)合渡槽本身結(jié)構(gòu)特征，槽體底部橫向的撓度采用了多應(yīng)用于隧洞或礦山開采側(cè)墻之間或拱頂與底板之間距離微小變化的鋼尺收斂法進(jìn)行監(jiān)測；將兩種方法監(jiān)測成果進(jìn)行對比分析，以確保撓度監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠。

3 撓度監(jiān)測原理及測點(diǎn)布置

3.1 水準(zhǔn)法原理及測點(diǎn)布置

1）水準(zhǔn)法原理

水準(zhǔn)法是使用DS05級電子水準(zhǔn)儀和銦鋼尺等儀器，采用一等水準(zhǔn)觀測方法對渡槽槽體頂部布設(shè)的監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行水準(zhǔn)高程測量，由高程變化情況反映撓度變形。水準(zhǔn)法主要有精度高，結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)。

2）誤差來源

水準(zhǔn)法測量誤差來源主要有儀器誤差、觀測誤差和外界條件的影響等。儀器誤差包括視準(zhǔn)軸誤差、水準(zhǔn)尺誤差，視準(zhǔn)軸誤差在觀測時(shí)通過前后視距相等來減弱，水準(zhǔn)尺誤差通過偶數(shù)站上點(diǎn)消除；觀測誤差主要包括水準(zhǔn)儀氣泡居中誤差和水準(zhǔn)尺的傾斜誤差，這些誤差測量人員認(rèn)真仔細(xì)可以消除；外界條件誤差主要是大氣折光和溫度影響，為了減弱垂直折光對觀測高差的影響，使前后視距盡量相等，并使視線離地面有足夠的高度，在坡度較大的水準(zhǔn)路線上進(jìn)行作業(yè)時(shí)適當(dāng)縮短視距。此外，應(yīng)選擇有利的時(shí)間，一日之中，上午10時(shí)至下午4時(shí)這段時(shí)間大氣比較穩(wěn)定，便于消除大氣折光的影響，但在中午前后觀測時(shí)，尺像會(huì)有跳動(dòng)，影響讀數(shù)，應(yīng)盡量避開這段時(shí)間，陰天、有微風(fēng)的天氣可全天觀測，在陽光強(qiáng)烈水準(zhǔn)測量時(shí)，注意撐傘遮陽。

3）測點(diǎn)布置

在雙幅2跨的各槽體左側(cè)墻頂部兩端，以及1/4，2/4，3/4槽體處安裝布設(shè)5個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)，共計(jì)20個(gè)測點(diǎn)，共同監(jiān)測渡槽充水試驗(yàn)各槽體的撓度變化。

3.2 鋼尺收斂法原理及測點(diǎn)布置

1）鋼尺收斂法原理

收斂計(jì)是常用來測定隧道巷道硐室及其他工程圍巖壁面上任意兩點(diǎn)間的距離變化 (即收斂值)的量測儀器。它是通過量測兩固定點(diǎn)間距離并比較在不同時(shí)間的變化來實(shí)現(xiàn)，其工作原理均是給鋼尺施加一個(gè)恒張力，大尺寸直接從鋼卷尺上測讀，微小變化量則從位移百分表上讀出。

渡槽撓度監(jiān)測為監(jiān)測槽體在豎直方向上的彎曲值，本次充水試驗(yàn)在槽體底部測點(diǎn)下方河灘地面上澆筑1 m深混凝土墩并安裝相應(yīng)收斂測點(diǎn)，假定地面上測點(diǎn)豎向方向固定不變，監(jiān)測兩側(cè)點(diǎn)的收斂值即為槽體底部測點(diǎn)的豎向變化值來計(jì)算槽體的撓度。測量過程中利用水準(zhǔn)儀校核地面上測點(diǎn)的沉降變化，當(dāng)發(fā)生沉降時(shí)，槽體收斂值應(yīng)扣除地面測點(diǎn)的沉降值。

2）誤差來源

收斂法誤差來源主要包括溫度誤差、恒定張力控制誤差以及儀器自重誤差等。溫度誤差主要是由于鋼尺的熱脹冷縮特性引起，每次測量時(shí)須監(jiān)測環(huán)境溫度，通過溫度修正進(jìn)行消除；恒定張力控制就儀器本身而言是穩(wěn)定的，但由于渡槽撓度監(jiān)測為野外測量，當(dāng)鋼尺面受到風(fēng)等橫向荷載的情況，張力控制就會(huì)受到影響，為免除這類誤差，需選擇在無風(fēng)的情況下進(jìn)行測量；在測量水平或傾斜收斂值時(shí)，儀器自重會(huì)引起一定的誤差，渡槽撓度測值為豎向收斂值，沒有儀器自重誤差。

此次充水試驗(yàn)渡槽撓度監(jiān)測選用的鋼尺收斂計(jì)為GK～1610，測量精度為0.01 mm,恒定張力為10 kg。

3）測點(diǎn)布置

在上游槽體左跨跨中底部橫向均勻布設(shè)5個(gè)測點(diǎn)，在上游槽體右跨、2號槽體左、右跨中底部橫向均勻布設(shè)3個(gè)測點(diǎn)，以及在測點(diǎn)下部河灘地上對應(yīng)設(shè)置收斂測點(diǎn)，共布設(shè)14對。槽體底部收斂測點(diǎn)采用膨脹螺栓固定安裝，河灘地上收斂測點(diǎn)采用現(xiàn)澆混凝土墩，墩上打膨脹螺栓固定安裝。收斂測點(diǎn)的布設(shè)位置利用GPS施工放樣。

3.3 槽撓度計(jì)算方法

渡槽槽體結(jié)構(gòu)跨中撓度為f，其幾何意義見圖1。充水試驗(yàn)期間，水荷載施加后渡槽監(jiān)測斷面A、B、C各點(diǎn)位移增量，通過水準(zhǔn)測量槽體頂部垂直位移測點(diǎn)和鋼尺收斂計(jì)量測收斂點(diǎn)獲取。水荷載引起的撓度按下式計(jì)算：

式中：δf與荷載增量對應(yīng)的撓度增量，mm；δ▽A與荷載增量對應(yīng)A點(diǎn)沉降增量，mm；δ▽B與荷載增量對應(yīng)B點(diǎn)沉降增量，mm；δ▽C與荷載增量對應(yīng)C點(diǎn)沉降增量，mm。

圖1 梁式渡槽槽體跨中撓度計(jì)算示意圖

4 觀測成果分析

4.1 槽體頂部水準(zhǔn)測點(diǎn)撓度監(jiān)測成果

充水到達(dá)加大水位時(shí)槽體頂部水準(zhǔn)測點(diǎn)觀測值見表1。

由撓度計(jì)算公式（1）計(jì)算得槽體頂部4組撓度測點(diǎn)監(jiān)測結(jié)果，見表2。

表1 渡槽槽體頂部加大水位時(shí)撓度測點(diǎn)觀測值

表2 渡槽槽體頂部加大水位時(shí)撓度變化情況表

4.2 槽體底部收斂測點(diǎn)撓度監(jiān)測成果

在充水過程中，由于防洪度汛要求，渡槽下方河流過水，所布置的收斂測點(diǎn)受到擾動(dòng)破壞，沒有測到放水后的收斂變形值，最終僅獲取上游槽體左幅5對收斂測點(diǎn)充水期間的測值，5對測點(diǎn)充水期間的測值曲線見圖2。加大水位時(shí)測點(diǎn)觀測值：測點(diǎn)1～5.19 mm，測點(diǎn)2～7.38 mm，測點(diǎn)3～8.88 mm，測點(diǎn)4～7.38 mm，測點(diǎn)5～5.89 mm。其中測點(diǎn)1～5均勻分布在上游槽體左幅跨中底板，測點(diǎn)1和5為槽體底板端點(diǎn)，測點(diǎn)3為槽體中心點(diǎn)，由上節(jié)撓度計(jì)算公式（1），計(jì)算得上游槽體底板在最大水位工況下?lián)隙茸冃沃禐?.34 mm。

圖2 渡槽槽體底部收斂測點(diǎn)測值曲線

由圖2看出，隨著充水水位的升高，槽體底板的收斂測值逐漸增大，在充水至加大水位后撓度測點(diǎn)測值到達(dá)最大，放水后測點(diǎn)測值逐漸減小，放空后撓度變形基本歸零，監(jiān)測結(jié)果符合渡槽充水期間變形規(guī)律，表明鋼尺收斂法監(jiān)測渡槽底板撓度是可行的。在充水試驗(yàn)監(jiān)測過程中，收斂法地面埋設(shè)測點(diǎn)受環(huán)境影響較大，不適宜長期監(jiān)測，工程運(yùn)行期監(jiān)測不建議采用鋼尺收斂法。根據(jù)硐室內(nèi)收斂監(jiān)測布設(shè)測點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)，可在渡槽下部墩臺(tái)上安裝收斂測點(diǎn)，形成三角形測線分布，如圖3，可以避免收斂測點(diǎn)被損壞干擾的影響，在今后的渡槽撓度監(jiān)測中可以進(jìn)行嘗試。

圖3 槽體底板收斂測線布置示意圖

4.3 監(jiān)測成果分析

充水試驗(yàn)期間，渡槽充水至加大水位時(shí)槽身頂部水準(zhǔn)測點(diǎn)撓度測值為：上游槽體左幅1.25 mm，上游槽體右幅 1.16 mm，下游槽體左幅1.15 mm，下游槽體右幅0.77 mm。槽身頂部最大撓度變形發(fā)生在上游槽體左幅，測值小于設(shè)計(jì)值8 mm。 槽體頂部左幅撓度略大于右幅，上游略大于下游，各部位撓度測值差別在1 mm內(nèi)。

充水試驗(yàn)期間，渡槽充水至加大水位時(shí)上游槽體左幅底板收斂測點(diǎn)撓度測值為3.34 mm，小于設(shè)計(jì)值8 mm，撓度測值隨充水水位變化同步變化，符合渡槽充水工況下渡槽的變形特性。

渡槽槽體底板撓度測值大于頂部測值，符合渡槽撓度變形的一般規(guī)律。

5 結(jié)論與建議

通過監(jiān)測原理及成果分析，水準(zhǔn)法和鋼尺收斂法在渡槽撓度監(jiān)測中，能夠反應(yīng)渡槽在充水條件下的實(shí)際變形情況，兩種方法對南水北調(diào)中線工程大型渡槽進(jìn)行撓度監(jiān)測是切實(shí)可行的。

此次充水試驗(yàn)在槽體頂部水準(zhǔn)測點(diǎn)用于監(jiān)測槽體頂部縱向撓度變形，槽體底部收斂測點(diǎn)用于監(jiān)測槽體底板橫向撓度變形，雖然成功監(jiān)測到相應(yīng)部位的變形值但兩者變形相關(guān)性較小，建議在今后的試驗(yàn)研究中增加槽體底部縱向撓度變形監(jiān)測，以對比分析槽體頂部與底部撓度變形的相關(guān)性規(guī)律，為今后的渡槽設(shè)計(jì)、施工提供經(jīng)驗(yàn)參考。

撓度監(jiān)測結(jié)果小于設(shè)計(jì)值，渡槽在充水試驗(yàn)工況下變形在允許范圍內(nèi)，測值變化符合渡槽充水工況的變形特性，撓度監(jiān)測驗(yàn)證了設(shè)計(jì)。

水準(zhǔn)法穩(wěn)定可靠，適用于南水北調(diào)中線工程在運(yùn)行期的渡槽撓度監(jiān)測；鋼尺收斂計(jì)由于測點(diǎn)埋設(shè)及觀測方法限制，測點(diǎn)易被破壞和干擾，不適用通水后運(yùn)行期的撓度監(jiān)測。但由于其測量方法較水準(zhǔn)法撓度監(jiān)測更簡單、便攜，根據(jù)硐室內(nèi)收斂監(jiān)測經(jīng)驗(yàn)，建議在渡槽下墩臺(tái)上安裝收斂測點(diǎn)，形成三角形測線分布以避免收斂測點(diǎn)被破壞和干擾，在今后的渡槽撓度監(jiān)測工作中可以進(jìn)行比對監(jiān)測。

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2016-05-26