程浩， 張忠舉

(1.南京理工大學(xué)，江蘇 南京 210094； 2.南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇 南京 210012)

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振弦式測(cè)縫計(jì)在碾壓混凝土壩段接縫位移監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

程浩1， 張忠舉2

(1.南京理工大學(xué)，江蘇 南京 210094； 2.南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇 南京 210012)

水利工程中大壩多采用分壩段施工方式，毛灘河三層巖大壩采用分塊、碾壓、填筑方式施工，在不同壩段接縫處采用灌漿處理，其灌漿方式及施工質(zhì)量影響壩體的整體性和壩體荷載的傳遞方式，因此在施工和運(yùn)行期間需對(duì)接縫進(jìn)行監(jiān)測(cè)。為有效掌握各壩段接縫處質(zhì)量，控制接縫相對(duì)位移，采用振弦式測(cè)縫計(jì)進(jìn)行施工期間的接縫位移安全監(jiān)測(cè)。根據(jù)測(cè)縫計(jì)工作的基本原理，提出了毛灘河三層巖大壩壩段接縫位移監(jiān)測(cè)布設(shè)方案。依據(jù)布設(shè)方案進(jìn)行測(cè)縫計(jì)的安裝埋設(shè)，并在施工期間進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。對(duì)監(jiān)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)分析表明，各壩段接縫處開(kāi)合度在要求范圍內(nèi)，壩體整體結(jié)合度良好。此次該測(cè)縫計(jì)在實(shí)際工程中的成功使用為其在相似工程中的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

毛灘河大壩；測(cè)縫計(jì)；接縫位移；安全監(jiān)測(cè)

水利工程中混凝土大壩由于體積當(dāng)量龐大，多采用分段澆筑施工方式，不同壩段之間采用灌漿等處理方式實(shí)現(xiàn)壩體的整體膠合，但壩體面板仍會(huì)存在接縫。接縫質(zhì)量受溫度、濕度、灌漿質(zhì)量等的影響，且隨著時(shí)間的推移，接縫處可能會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移，影響壩體的整體性，因此，需對(duì)壩體接縫處施工期及蓄水期的質(zhì)量進(jìn)行控制。接縫處質(zhì)量控制最重要的指標(biāo)即接縫位移量。分析接縫位移量隨時(shí)間的變化規(guī)律，可有效控制接縫質(zhì)量，并對(duì)壩體整體性做出科學(xué)評(píng)估。

水工建筑結(jié)構(gòu)中主要采用測(cè)縫計(jì)監(jiān)測(cè)裂縫。在控制的接縫位置布設(shè)測(cè)縫計(jì)，用于量測(cè)裂縫開(kāi)合度、溫度等參數(shù)。工程中廣泛應(yīng)用的測(cè)縫計(jì)主要有滑動(dòng)電阻式、振弦式和差動(dòng)電阻式3種[1]。水工建筑結(jié)構(gòu)由于其所處環(huán)境條件較為惡劣，易受水文條件、氣候條件影響，對(duì)于監(jiān)測(cè)儀器的使用條件要求較高，如需抗干擾、耐腐蝕、耐久性好、精度高等[2]。振弦式測(cè)縫計(jì)適合長(zhǎng)期埋設(shè)于混凝土結(jié)構(gòu)中，接線容易，傳輸距離長(zhǎng)，電纜絕緣要求低，結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，且后期易于自動(dòng)化集成，因此在水利工程中得到廣泛應(yīng)用。

文中結(jié)合毛灘河三層巖水電站大壩壩段接縫位移監(jiān)測(cè)工程實(shí)例，在測(cè)縫計(jì)基本工作原理的基礎(chǔ)上，提出測(cè)縫計(jì)的布設(shè)方案，對(duì)施工期該測(cè)縫計(jì)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，研究壩段接縫的位移變化規(guī)律，對(duì)壩體結(jié)構(gòu)整體性做出評(píng)估。

1　工程概況

毛灘河為七曜山脈以東郁江右岸的一級(jí)支流，屬烏江流域，發(fā)源于重慶市石柱縣金鈴鄉(xiāng)七曜山袁家灣，向南流經(jīng)金鈴、金竹、新樂(lè)等鄉(xiāng)，于新樂(lè)鄉(xiāng)九蟒村吳家灣流入湖北省利川市文斗區(qū)域，再向南偏東于龍口處匯入郁江。河長(zhǎng)27 km，流域面積231 km2，河口流量6.63 m3/s。石柱縣境內(nèi)河長(zhǎng)22 km，流域面積185.35 km2。

三層巖水電站壩址位于石柱縣新樂(lè)鄉(xiāng)九蟒村附近毛灘河滴水潭峽谷，壩址以上控制流域面積158.63 km2，河長(zhǎng)18.75 km，河道平均比降29.50‰。

混凝土拱壩采用混凝土拋物線變厚度雙曲拱壩，左右岸不對(duì)稱布置，拱壩中心線順河床布置。最低建基面高程588.0 m，壩頂高程644.0 m，最大壩高56 m，拱壩拱冠梁處底厚13.0 m，厚高比0.23，壩頂寬3.5 m。大壩頂拱拱端中心角88.04°，壩頂軸線弧長(zhǎng)136.26 m，拱端最大半中心角46.91°，最小半中心角30.49°。壩體由6條橫縫分為7個(gè)壩段。毛灘河三層巖水電站觀測(cè)平面布置如圖1所示。

圖1　毛灘河三層巖水電站觀測(cè)平面布置(單位：mm)

2　振弦式測(cè)縫計(jì)的基本原理

2.1振弦式測(cè)縫計(jì)的結(jié)構(gòu)

振弦式測(cè)縫計(jì)由前后端座、保護(hù)筒、觀測(cè)電纜、振弦及激振電磁線圈等組成[3]。其埋設(shè)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　測(cè)縫計(jì)埋設(shè)結(jié)構(gòu)示意圖(單位：mm)

2.2振弦式測(cè)縫計(jì)的測(cè)量原理

當(dāng)被測(cè)結(jié)構(gòu)物發(fā)生變形時(shí)將會(huì)帶動(dòng)測(cè)縫計(jì)沿軸向產(chǎn)生拉力(壓力)變化，通過(guò)前、后端座傳遞給振弦使其產(chǎn)生應(yīng)力變化，使振弦的振動(dòng)頻率改變。電磁線圈激振振弦并測(cè)量其振動(dòng)頻率，頻率信號(hào)經(jīng)觀測(cè)電纜傳輸至讀數(shù)裝置，即可測(cè)出被測(cè)結(jié)構(gòu)物的變形量[4]，同時(shí)可同步測(cè)量埋設(shè)點(diǎn)的溫度值。

2.3測(cè)縫位移的計(jì)算公式

1)當(dāng)外界溫度恒定，振弦式測(cè)縫計(jì)僅受到軸向變形影響時(shí)，其變形量J與輸出的頻率模數(shù)ΔF具有如下的線性關(guān)系：

J=kΔF,

(1)

ΔF=F-F0。

(2)

式中：J為測(cè)縫計(jì)的測(cè)量值，mm；k為測(cè)縫計(jì)的測(cè)量靈敏度；ΔF為測(cè)縫計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)量值相對(duì)于基準(zhǔn)值的變化量,mm；F為測(cè)縫計(jì)的實(shí)時(shí)測(cè)量值,mm；F0為測(cè)縫計(jì)的基準(zhǔn)值,mm。

2)當(dāng)測(cè)縫計(jì)不受外力作用時(shí)(儀器兩端標(biāo)距不變)，當(dāng)溫度增加ΔT時(shí)，測(cè)縫計(jì)有一個(gè)輸出量ΔF′，這個(gè)輸出量?jī)H僅是由溫度變化引起的，因此在計(jì)算時(shí)ΔF′應(yīng)給予扣除，ΔF′與ΔT具有如下線性關(guān)系：

J=kΔF+bΔT=0，

(3)

kΔF′=-bΔT，

(4)

ΔT=T-T0。

(5)

式中:b為測(cè)縫計(jì)的溫度修正系數(shù)，mm/℃；ΔT為溫度實(shí)時(shí)測(cè)量值相對(duì)于基準(zhǔn)值的變化量，℃；T為溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量值，℃；T0為溫度的基準(zhǔn)值，℃。

3)布設(shè)在混凝土結(jié)構(gòu)物或其他材料結(jié)構(gòu)物內(nèi)及表面上的測(cè)縫計(jì)，受到的是變形和溫度的雙重作用，因此測(cè)縫計(jì)計(jì)算變形量的公式為：

JM=kΔF+bΔT=k(F-F0)+b(T-T0)。

(6)

式中JM為被測(cè)結(jié)構(gòu)物的變形量，mm。

3　方案設(shè)計(jì)

3.1布點(diǎn)位置設(shè)計(jì)

文中振弦式測(cè)縫計(jì)用于觀測(cè)的接縫對(duì)象有2種：一種為壩段橫縫位移，另一種為壩基接縫位移。橫縫中設(shè)置有14個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別設(shè)置于7個(gè)壩段之間的接縫處，壩段之間連接處分不同高程設(shè)置測(cè)點(diǎn)，每個(gè)高程對(duì)稱布設(shè)有2支振弦式測(cè)縫計(jì)用于位移和溫度的量測(cè)，共計(jì)布設(shè)28支，如圖3所示。壩基接縫設(shè)置有5個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別沿600.00 m、620.00 m及632.00 m高程對(duì)稱設(shè)置，588.00 m高程設(shè)置有一個(gè)測(cè)點(diǎn)，另需10個(gè)測(cè)縫計(jì)。本文只研究壩段接縫處位移，因此僅對(duì)壩段接縫埋設(shè)的28支測(cè)縫計(jì)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析。

圖3　毛灘河三層巖水電站大壩測(cè)縫計(jì)布置圖

3.2測(cè)縫計(jì)的安裝埋設(shè)

由于水電站大壩屬于碾壓混凝土壩，施工方式為分壩段分層混凝土碾壓，故測(cè)縫計(jì)的安裝埋設(shè)需與施工方同步協(xié)調(diào)進(jìn)行，具體步驟如下：

1)當(dāng)兩部分混凝土施工完成，按照設(shè)計(jì)高程及傳感器埋設(shè)位置，選擇表面較為平整、清潔處安裝測(cè)縫計(jì)支座，予以固定。

2)測(cè)縫計(jì)進(jìn)行初始預(yù)拉后，固定在支座上。

3)安裝完畢后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)初值測(cè)量并記錄。

4　監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

毛灘河三層巖大壩面板壩橫縫處共安裝28支振弦式測(cè)縫計(jì)，在施工過(guò)程中損壞3支，其設(shè)計(jì)編號(hào)為JD9、JD16、JD18。監(jiān)測(cè)時(shí)間從2013年11月開(kāi)始至2015年1月結(jié)束。具體各振弦式測(cè)縫計(jì)特征值統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1中可以看出，在振弦式測(cè)縫計(jì)監(jiān)測(cè)期間，最大開(kāi)合度測(cè)點(diǎn)位于2號(hào)斷面623.00 m高程處，測(cè)縫計(jì)為JD7，其受到拉力作用，最大開(kāi)合度數(shù)值為3.240 mm。其余測(cè)縫計(jì)開(kāi)合度值介于2.678 mm和-0.987 mm之間。

表1　壩體測(cè)縫計(jì)特征值統(tǒng)計(jì)

續(xù)表

為了掌握裂縫開(kāi)合度隨時(shí)間的變化規(guī)律，以2處開(kāi)合度達(dá)到特征值峰值的測(cè)點(diǎn)的開(kāi)合度-時(shí)間變化曲線(圖4和圖5)進(jìn)行分析，分別為受到最大拉應(yīng)力作用的2號(hào)斷面623.00 m高程處的JD7，受到最大壓應(yīng)力作用的5號(hào)斷面638.00 m高程處的JD23。

圖4　JD7測(cè)縫計(jì)的開(kāi)合度隨時(shí)間的變化曲線

圖5　JD23測(cè)縫計(jì)開(kāi)合度隨時(shí)間的變化曲線

從圖4可以看出，測(cè)縫計(jì)的開(kāi)合度從埋入時(shí)的零初值開(kāi)始慢慢隨著時(shí)間增加而增加，由于兩側(cè)混凝土相對(duì)偏移的趨勢(shì)使測(cè)縫計(jì)產(chǎn)生了拉應(yīng)力，自開(kāi)始埋設(shè)時(shí)間2014年6月2日起近半年的時(shí)間內(nèi)呈緩慢遞增趨勢(shì)，之后開(kāi)合度穩(wěn)定在3.240 mm，即縫隙達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

從圖5可以看出，自埋設(shè)日期2014年1月3日起的半年時(shí)間內(nèi)開(kāi)合度保持穩(wěn)定，但之后受到混凝土的擠壓，測(cè)縫計(jì)產(chǎn)生壓應(yīng)力，開(kāi)合度出現(xiàn)負(fù)值且其變化幅度明顯，之后穩(wěn)定在-0.987 mm。

由于此工程采用碾壓混凝土施工的方法，使用的膠凝材料較少，并用粉煤灰代替部分水泥，因此水化熱較常規(guī)混凝土低，圖4和圖5中反映出兩處測(cè)點(diǎn)水化熱最高溫度均在30 ℃以下，隨著時(shí)間推移水化熱緩慢降低，溫度曲線開(kāi)始急劇上升。這是由于溫度初值是在剛埋設(shè)未澆筑時(shí)采集的，處于外環(huán)境溫度，而后組數(shù)據(jù)是在澆筑完成后采集的。結(jié)合其余測(cè)點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)可知，開(kāi)合度在澆筑完成一段時(shí)間后均達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，且變化幅度較小，表明接縫結(jié)合良好，壩體整體性較好。

5　結(jié)語(yǔ)

水利水電工程中大壩常采用分壩段施工，而壩段之間的連接是否良好，接縫處施工質(zhì)量是否合格，將影響大壩主體整體性和荷載的傳遞規(guī)律[7]。本文以毛灘河三層巖大壩建設(shè)工程為依托，在接縫處合理布設(shè)振弦式測(cè)縫計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)壩段之間接縫開(kāi)合度的量測(cè)，并分析了各測(cè)點(diǎn)開(kāi)合度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，得出了開(kāi)合度在澆筑碾壓完成一定時(shí)間后均達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的結(jié)論，且穩(wěn)定狀態(tài)下的數(shù)值較小，表明接縫質(zhì)量?jī)?yōu)良，壩體整體性好。

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[3]李振強(qiáng),羅志唐,顧雪冬.差動(dòng)電阻式測(cè)縫計(jì)在砌石重力壩加高中的應(yīng)用[J].廣東水利水電,2014,112(3):65-69.

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[7]周克明.測(cè)縫計(jì)在大壩變形觀測(cè)中的應(yīng)用[J].紅水河，2003,22(3):66-68，72.Application of Crack Meter in RCC Dam Joint Displacement Monitoring

(責(zé)任編輯：杜明俠)

CHENG Hao1， ZHANG Zhongju2

(1.Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China；2.Nanjing Water Conservancy and Hydrology Automation Research Institute, Nanjing 010012, China)

The sub-dam construction method is usually used to the dam constructionin the water conservancy project. The method is applied to the Maotanhe river dam construction. The grouting process is used to deal with the joint, so the way of grouting process and the quality of construction have a great influence to the dam. And it is needed to focus on the joints during construction and operation. To effectively grasp the quality of each dam seams, control the relative displacement of joints, the vibrating wire crack meteris used as the safety monitoring of joint displacement during construction.According to the basic working principle of the crack meter, a joint displacement monitoring layout scheme of Maotanhe river dam section is proposed. Based on layout program,some crack metersare installed and buried, and are used to collect the data during the construction period. Statistical analysis of monitoring data shows that the opening degree at the joints of each dam section is within a required range, and the dam totally has a good combination. The use of crack meter can provide a reference for the relevant engineering applications.

Maotanhe river dam; crack meter; joint displacement; safety monitoring

2016-06-27

程浩(1991—),男,陜西西安人,碩士研究生,主要從事水工結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)方面的研究。E-mail:443633420@qq.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2016.05.013

TV642.2

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1002-5634(2016)05-0072-04