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，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安全監(jiān)測工程實例，對梁式渡槽的撓度監(jiān)測方法進行探討和研究。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)計水深6.35 m，加大水深7.05 m。渡槽充水試驗工況為：用時11 d，充水至加大水位并停止充水進行觀察。觀察1個月后開始放水，用時10 d放水結(jié)束。

渡槽充水試驗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行全面的檢查，同時對設(shè)計的理念也是一個初步的驗證，目的是確保渡槽運行安全。在充水試驗過程中，對梁式渡槽最主要檢驗的指標(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)計值相比較，以驗證設(shè)計。

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變形量是否超出設(shè)計容許值。撓度，因其特有的直觀性成為了渡槽安全狀況評價的重要參數(shù)之一，對渡槽進行撓度監(jiān)測有著重要的現(xiàn)實意義。

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

考慮到時間、成本、精度、后期維護等因素，對槽體單跨縱向撓度的監(jiān)測，此次渡槽充水試驗選用了水準(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行監(jiān)測；將兩種方法監(jiān)測成果進行對比分析，以確保撓度監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠。

3 撓度監(jiān)測原理及測點布置

3.1 水準(zhǔn)法原理及測點布置

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)測點進行水準(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。

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)路線上進行作業(yè)時適當(dāng)縮短視距。此外，應(yīng)選擇有利的時間，一日之中，上午10時至下午4時這段時間大氣比較穩(wěn)定，便于消除大氣折光的影響，但在中午前后觀測時，尺像會有跳動，影響讀數(shù)，應(yīng)盡量避開這段時間，陰天、有微風(fēng)的天氣可全天觀測，在陽光強烈水準(zhǔn)測量時，注意撐傘遮陽。

3）測點布置

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個水準(zhǔn)點，共計20個測點，共同監(jiān)測渡槽充水試驗各槽體的撓度變化。

3.2 鋼尺收斂法原理及測點布置

1）鋼尺收斂法原理

收斂計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間距離并比較在不同時間的變化來實現(xiàn)，其工作原理均是給鋼尺施加一個恒張力，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，本次充水試驗在槽體底部測點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，假定地面上測點豎向方向固定不變，監(jiān)測兩側(cè)點的收斂值即為槽體底部測點的豎向變化值來計算槽體的撓度。測量過程中利用水準(zhǔn)儀校核地面上測點的沉降變化，當(dāng)發(fā)生沉降時，槽體收斂值應(yīng)扣除地面測點的沉降值。

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，每次測量時須監(jiān)測環(huán)境溫度，通過溫度修正進行消除；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，張力控制就會受到影響，為免除這類誤差，需選擇在無風(fēng)的情況下進行測量；在測量水平或傾斜收斂值時，儀器自重會引起一定的誤差，渡槽撓度測值為豎向收斂值，沒有儀器自重誤差。

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

3）測點布置

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

3.3 槽撓度計算方法

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

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點沉降增量，mm；δ▽B與荷載增量對應(yīng)B點沉降增量，mm；δ▽C與荷載增量對應(yīng)C點沉降增量，mm。

圖1 梁式渡槽槽體跨中撓度計算示意圖

4 觀測成果分析

4.1 槽體頂部水準(zhǔn)測點撓度監(jiān)測成果

充水到達加大水位時槽體頂部水準(zhǔn)測點觀測值見表1。

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

表1 渡槽槽體頂部加大水位時撓度測點觀測值

表2 渡槽槽體頂部加大水位時撓度變化情況表

4.2 槽體底部收斂測點撓度監(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，所布置的收斂測點受到擾動破壞，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對收斂測點充水期間的測值，5對測點充水期間的測值曲線見圖2。加大水位時測點觀測值：測點1～5.19 mm，測點2～7.38 mm，測點3～8.88 mm，測點4～7.38 mm，測點5～5.89 mm。其中測點1～5均勻分布在上游槽體左幅跨中底板，測點1和5為槽體底板端點，測點3為槽體中心點，由上節(jié)撓度計算公式（1），計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測值到達最大，放水后測點測值逐漸減小，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。在充水試驗監(jiān)測過程中，收斂法地面埋設(shè)測點受環(huán)境影響較大，不適宜長期監(jiān)測，工程運行期監(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)測點經(jīng)驗，可在渡槽下部墩臺上安裝收斂測點，形成三角形測線分布，如圖3，可以避免收斂測點被損壞干擾的影響，在今后的渡槽撓度監(jiān)測中可以進行嘗試。

圖3 槽體底板收斂測線布置示意圖

4.3 監(jiān)測成果分析

充水試驗期間，渡槽充水至加大水位時槽身頂部水準(zhǔn)測點撓度測值為：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)。

充水試驗期間，渡槽充水至加大水位時上游槽體左幅底板收斂測點撓度測值為3.34 mm，小于設(shè)計值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際變形情況，兩種方法對南水北調(diào)中線工程大型渡槽進行撓度監(jiān)測是切實可行的。

此次充水試驗在槽體頂部水準(zhǔn)測點用于監(jiān)測槽體頂部縱向撓度變形，槽體底部收斂測點用于監(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、施工提供經(jīng)驗參考。

撓度監(jiān)測結(jié)果小于設(shè)計值，渡槽在充水試驗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)測驗證了設(shè)計。

水準(zhǔn)法穩(wěn)定可靠，適用于南水北調(diào)中線工程在運行期的渡槽撓度監(jiān)測；鋼尺收斂計由于測點埋設(shè)及觀測方法限制，測點易被破壞和干擾，不適用通水后運行期的撓度監(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，建議在渡槽下墩臺上安裝收斂測點，形成三角形測線分布以避免收斂測點被破壞和干擾，在今后的渡槽撓度監(jiān)測工作中可以進行比對監(jiān)測。

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2016-05-26