王 平, 陳 渝
(四川二灘國(guó)際工程咨詢有限責(zé)任公司,四川 成都 610072)
三河口水利樞紐大壩工程為碾壓混凝土雙曲拱壩,拱壩中心線方向?yàn)镹E52.57°,拱壩壩頂高程為646 m,壩底高程501 m,最大壩高145 m,壩頂寬9 m,拱冠壩底厚37 m;壩頂上游弧長(zhǎng)472.153 m,最大中心角92.04°,位于602 m高程;最小中心角45.06°,位于501 m高程。拱圈中心軸線在拱冠處的最大曲率半徑在左岸為204.209 m,在右岸為201.943 m;其最小曲率半徑在左岸為103.500 m,在右岸為98.902 m。拱壩厚高比為0.26。碾壓混凝土拱壩壩身共設(shè)置4條誘導(dǎo)縫和5條橫縫,均為徑向布置。拱壩上下游面及止水槽共設(shè)22道銅片止水,均為曲線。
體型特征:水平和豎向雙向彎曲,在同一高程面上,壩體上下游外輪廓線分別由兩條不同圓心、不同半徑的曲線(拋物線)組成,且中心線和半徑隨高程變化而不斷變化,壩體在空間上形成一個(gè)雙向曲面型體。雙曲拱壩平面和拱冠梁剖面見(jiàn)圖1、2。
圖1 雙曲拱壩平面示意
(1)由于拱壩高度大,體型復(fù)雜,參數(shù)多,計(jì)算量大,精度高等特征,如何準(zhǔn)確計(jì)算和校核放樣參數(shù),是技術(shù)準(zhǔn)備階段工作的難點(diǎn)。
應(yīng)對(duì)措施:采用計(jì)算機(jī)編制正算和反算程序,分別用不同的方法計(jì)算和校核放樣參數(shù)。
(2)拱壩施工快速,連續(xù)上升,如何快速進(jìn)行施工放樣和模板偏差檢測(cè),從體型控制測(cè)量方面確保工程進(jìn)度是施工階段拱壩體型控制工作的難點(diǎn)。
應(yīng)對(duì)措施:從控制網(wǎng)的建立,施工放樣,模板檢測(cè),及時(shí)測(cè)量竣工體型數(shù)據(jù),以及持續(xù)改進(jìn)等各個(gè)環(huán)節(jié)建立一套完整的、行之有效的拱壩體型控制體系,滿足拱壩又快又準(zhǔn)、連續(xù)上升的要求。
在施工過(guò)程中,通常需要建立與主要建筑物主軸線平行或垂直,以便用直角坐標(biāo)法進(jìn)行建筑物的放樣的坐標(biāo)系稱之為施工坐標(biāo)系。主要優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、直觀,方便使用。本工程施工坐標(biāo)系見(jiàn)圖1。施工坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換公式如下:
x=cosR×(X-X0)+sinR×(Y-Y0)
y=-sinR×(X-X0)+cosR×(Y-YO)
式中 (x,y)——施工坐標(biāo),x表示樁號(hào)、y表示偏距;
(X0,Y0)——施工坐標(biāo)系坐標(biāo)原點(diǎn)在大地坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值;
(X,Y)—— 待轉(zhuǎn)換點(diǎn)的大地坐標(biāo);
R——方位角。
拱冠梁是拱壩的鉛直對(duì)稱面形成的梁,只要確定了拱冠梁的上游面曲線和拱冠梁厚度,就可以得到拱冠梁下游面的曲線,從而確定了拱冠梁的斷面形狀。拱冠梁參數(shù)變量為Z(高程),拱冠梁剖面見(jiàn)圖2,計(jì)算公式如下。
圖2 拱冠梁剖面示意
(1)拱壩上游面曲線方程為Z坐標(biāo)的多項(xiàng)式:
Y(SZ)=A1+B1Z+C1Z2+D1Z3
按照公式中Z(高程)變量計(jì)算拱冠梁上游面設(shè)計(jì)坐標(biāo)。
(2)拱冠梁厚度公式為Z坐標(biāo)的三次多項(xiàng)式:
T(C)=A2+B2Z+C2Z2+D2Z3
(3)拱壩上游面曲線及拱冠梁厚度得到拱壩下游面曲線公式:
Y(XZ)=Y(SZ)+T(C)
按照公式中Z(高程)變量計(jì)算拱冠梁下游面設(shè)計(jì)坐標(biāo)。
(4)拱壩中心曲線公式(拱圈中心軸線在拱冠處的y坐標(biāo)):Y(ZZ)=Y(SZ)+T(C)/2
(5)通過(guò)高程確定的其它拱壩體型參數(shù)方程:
拱圈中心軸線在拱冠處的曲率半徑Rl、Rr如下:
Rl=A5+B5Z+C5Z2+D5Z3
Rr=A6+B6Z+C6Z2+D6Z3
拱圈厚度如下:
左拱端厚度:Tl=A2+B2Z+C2Z2+D2Z3
拱冠厚度:Tc=A3+B3Z+C3Z2+D3Z3
右拱端厚度:Tr=A4+B4Z+C4Z2+D4Z3
水平拱圈的幾何形狀是確定壩體上下游的曲線方程,大壩以Y軸為界分左、右半拱;X指向左、右岸方向。任一高程拱圈平面示意見(jiàn)圖3,參數(shù)計(jì)算公式如下。
圖3 任一高程拱圈平面示意
(1)各高程左右半拱圈的中心線為拋物線,其直角坐標(biāo)系參數(shù)方程:
XC=RCtanα;
YC=YB+RCtan2α/2;
式中YB——拱圈中心軸線在拱冠處的Y坐標(biāo);
RC——左右拱圈中心軸線在拱冠處曲率半徑;
α——拱圈中心軸線上相應(yīng)點(diǎn)之曲率半徑與拱圈中心線Y軸的夾角。
(2)拱圈上游曲線直角坐標(biāo)系參數(shù)方程為:
XU=XC+(Tsinα)/2
YU=YC-(Tcosα)/2
式中T——拱圈厚度。
(3)拱圈下游曲線的直角坐標(biāo)系參數(shù)方程為:
Xd=XC-(Tsinα)/2
Yd=YC+(Tcosα)/2
式中T——拱圈厚度。
(4)拱圈厚度變化公式:
Ti=Tc+(Ta-Tc)/(Si/Sa)2
式中Tc——拱冠梁處的拱厚;
Ta——拱端厚度;
Ti——中心線弧長(zhǎng)為Si(從拱冠梁起算)處厚度;
Sa——拱端處的中心線弧長(zhǎng)(從拱冠梁起算)。
表1 拱壩體型主要控制曲線方程系數(shù)
表2 拱壩體型主要幾何參數(shù)
拱壩平切圖是任一高程切面的上下游輪廓線,由3條曲線組成,即拱壩中心軸線及上、下游輪廓線。同一高程拱壩中心線參數(shù)綜合考慮了該高程面上所有的平面曲線要素,不同高程中心線參數(shù)綜合考慮了拱壩豎向所有曲線要素。拱壩體型控制實(shí)質(zhì)上就是對(duì)任一高程拱圈中心線的控制,上下游曲線根據(jù)拱厚內(nèi)插值推算。 繪制拱壩平切圖的過(guò)程就是確定需要繪制的任一高程中心線及上下游曲線坐標(biāo)的過(guò)程。拱壩中心線及上下游線平切圖采用Excel電子表格編程計(jì)算坐標(biāo)與CAD繪圖功能繪制,平切圖的主要用途是校核體型參數(shù)和計(jì)算工程量。
壩身共設(shè)置4條誘導(dǎo)縫和5條橫縫,均為徑向布置。徑向縫面位置的確定需要充分理解拱壩體型數(shù)學(xué)模型。下面以1號(hào)誘導(dǎo)縫530 m高程縫面徑向線位置確定的過(guò)程為例,對(duì)分縫線定位情況進(jìn)行描述,大壩分縫示意見(jiàn)圖4,縫面位置確定步驟如下。
圖4 大壩分縫示意
(1)確定壩頂分縫線(設(shè)計(jì)院提供),根據(jù)壩頂EL646 m上游拱圈線長(zhǎng)度將拱壩分成10塊(基本等分);
(2)確定1號(hào)誘導(dǎo)縫壩頂線(或者其延長(zhǎng)線)與EL530 m拱壩中心線的交點(diǎn)D點(diǎn)坐標(biāo);
(3)確定D點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的拱圈上下游坐標(biāo)A點(diǎn)和B點(diǎn)坐標(biāo);
(4)A點(diǎn)和B點(diǎn)連線就是530 m高程1號(hào)誘導(dǎo)縫的徑向線,相鄰高程徑向線(一般3 m為一個(gè)控制單元)組成一個(gè)徑向縫面。相鄰高程徑向面的連線就構(gòu)成了全徑向縫面。全徑向縫面上游展示見(jiàn)圖5。
圖5 大壩全徑向縫面上游展示
通過(guò)對(duì)拱壩體型數(shù)學(xué)模型及體型圖的繪制流程可以看出,拱壩為一條近似的擬合曲線,拱壩體型圖的繪制精度取決于計(jì)算的點(diǎn)位密度,點(diǎn)位取值無(wú)限密,繪制的曲線則無(wú)限接近“真曲線”。施工過(guò)程中采用的鋼模板尺寸為3 m×3 m,所以實(shí)際施工的拱壩上下游面為3 m折線。體型數(shù)據(jù)是選擇模板的重要依據(jù),經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算,3 m×3 m模板對(duì)拱壩體型偏差影響最小值約3 mm(拱壩頂層),最大值約12 mm(拱壩底層),理論上滿足拱壩體型精度要求,但給施工過(guò)程中體型控制精度提出了更高的要求。拱壩由底部到頂部曲率逐漸變大,模板制作偏差對(duì)拱壩體型偏差的影響隨著高程的增加逐漸減小。
黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司在三河口水利樞紐施工區(qū)共布設(shè)了7個(gè)GPS二等平面和11個(gè)二等水準(zhǔn)點(diǎn),平面控制網(wǎng)點(diǎn)均采用強(qiáng)制歸心觀測(cè)墩,水準(zhǔn)點(diǎn)為地標(biāo)。平面控制網(wǎng)掛靠1954北京坐標(biāo)系的獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng),中央子午線108°,投影高程600 m;高程采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。首級(jí)控制網(wǎng)見(jiàn)圖6。
平面復(fù)測(cè):本次施工控制網(wǎng)測(cè)設(shè)前,承包人根據(jù)合同文件的規(guī)定對(duì)發(fā)包人提供的首級(jí)平面控制網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行了復(fù)測(cè),平面控制網(wǎng)復(fù)測(cè)通過(guò)已知兩點(diǎn)互算第三點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)已知控制點(diǎn)穩(wěn)定可靠,可以作為施工控制網(wǎng)起算依據(jù)。平面控制網(wǎng)示意見(jiàn)圖7,復(fù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。
圖6 首級(jí)平面及高程控制點(diǎn)
圖7 平面控制網(wǎng)網(wǎng)形示意
表3 已知點(diǎn)互算對(duì)比
高程復(fù)測(cè):首級(jí)高程控制網(wǎng)復(fù)測(cè)通過(guò)三點(diǎn)互算第四點(diǎn)高程偏差值對(duì)比,發(fā)現(xiàn)首級(jí)高程控制網(wǎng)點(diǎn)穩(wěn)定可靠,可以作為施工控制網(wǎng)起算依據(jù)。首級(jí)水準(zhǔn)網(wǎng)復(fù)測(cè)路線和復(fù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖8、表4。
圖8 首級(jí)水準(zhǔn)控制網(wǎng)復(fù)測(cè)路線示意
點(diǎn)號(hào)已知點(diǎn)高程復(fù)測(cè)高程平差計(jì)算值偏差值H/mH/m△H/mmSHK3A618.922 00618.921 9 0.1SHK4A610.563 00610.562 1 0.9SHK6A650.571 00650.571 5-0.5SHK7A654.058 00654.058 6-0.6
3.3.1 控制網(wǎng)等級(jí)的確定
根據(jù)工程規(guī)模和《水利水電工程測(cè)量規(guī)范》(SL197-2013)的規(guī)定,施工控制網(wǎng)按照三等精度測(cè)設(shè)。
3.3.2 布網(wǎng)原則
分級(jí)布網(wǎng)、逐級(jí)控制,有足夠的精度,有足夠的點(diǎn)位滿足施工測(cè)量需要,實(shí)現(xiàn)對(duì)拱壩進(jìn)行整網(wǎng)覆蓋,無(wú)視線盲區(qū)。平面控制網(wǎng)布設(shè)采用多種網(wǎng)形結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性分析,確定最佳網(wǎng)形方案。施工控制網(wǎng)網(wǎng)形示意見(jiàn)圖9。
圖9 施工控制網(wǎng)平面示意
3.3.3 選點(diǎn)和埋設(shè)
安全、穩(wěn)定、可靠,具有可操作性,觀測(cè)墩點(diǎn)位布設(shè)分上、中、下三層,滿足拱壩體型控制要求。全部采用墩標(biāo)+強(qiáng)制對(duì)中裝置以消除對(duì)中誤差,觀測(cè)墩布設(shè)如圖10所示。
圖10 觀測(cè)墩
3.3.4 觀測(cè)
觀測(cè)儀器采用徠卡TS50全站儀測(cè)量機(jī)器人,測(cè)角精度0.5″,儀器標(biāo)稱精度(0.5+1 ppm×D)mm。觀測(cè)過(guò)程中嚴(yán)格按照以下技術(shù)要求進(jìn)行觀測(cè)。光電測(cè)距三角高程測(cè)量觀測(cè)限差見(jiàn)表5,水平角方向觀測(cè)技術(shù)要求見(jiàn)表6。
表5 光電測(cè)距三角高程測(cè)量觀測(cè)限差
注:1.邊長(zhǎng)往返較差應(yīng)將斜距化算到同一水平面上方可進(jìn)行比較;2.(a+bD)為測(cè)距儀標(biāo)稱精度;3.D為測(cè)站間水平距離,km。
表6 水平角方向觀測(cè)技術(shù)要求 (″)
注:依據(jù)《水電水利工程測(cè)量規(guī)范》(SL197-2013)表4.3.4。
3.3.5 平差計(jì)算
平面數(shù)據(jù)處理:外業(yè)觀測(cè)成果經(jīng)過(guò)200%檢查復(fù)核后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。坐標(biāo)推算采用起算點(diǎn)為 HSP21、定向點(diǎn)為HSP19、檢核點(diǎn)為HSP25。本次觀測(cè)共形成閉合環(huán)9個(gè),角度閉合差均滿足限差要求,觀測(cè)距離經(jīng)過(guò)加乘常數(shù)、地球曲率、大氣折光,以及溫度和氣壓改正,最后投影到測(cè)區(qū)平均高程600 m進(jìn)行投影改算。承包人使用的平差軟件為“SYADJ—鐵四院工程測(cè)量平差軟件”,監(jiān)理人復(fù)核使用的平差軟件為“南方平差易2005”,平差均采用整網(wǎng)嚴(yán)密平差,平差結(jié)果滿足施工測(cè)量規(guī)范要求,成果可靠。坐標(biāo)平差值統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表7。
表7 坐標(biāo)平差結(jié)果統(tǒng)計(jì)
高程數(shù)據(jù)處理:分別以首級(jí)水準(zhǔn)點(diǎn)SHK6A、SHK7A為高程起算點(diǎn),按照附和水準(zhǔn)路線傳遞至首級(jí)平面控制點(diǎn)SHP21,進(jìn)行嚴(yán)密平差,得到SHP21三等精度的高程值。其余控制網(wǎng)點(diǎn)高程以SHP21為基準(zhǔn)形成閉合水準(zhǔn)路線。用三角高程替代三等水準(zhǔn)高程,差限差按±4× √Lmm控制,進(jìn)行整網(wǎng)平差。水準(zhǔn)路線示意見(jiàn)圖11,高程平差值及精度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表8。
圖11 水準(zhǔn)路線示意
拱壩施工前依據(jù)拱壩體型設(shè)計(jì)圖及拱壩體型主要控制線曲線方程系數(shù)表、拱壩體型主要幾何參數(shù)表,利用計(jì)算機(jī)Excel表格計(jì)算出任意高程面拱壩平面幾何尺寸,與拱壩體型主要幾何參數(shù)表校核無(wú)誤,并與施工圖紙中各建筑物設(shè)計(jì)坐標(biāo)校核,以保證拱壩計(jì)算正確。
4.2.1 極坐標(biāo)放樣
由技術(shù)人員在立模放樣位置混凝土終凝前預(yù)埋水泥釘,現(xiàn)場(chǎng)采用CASIO fx-5800編程計(jì)算器計(jì)算模板安裝坐標(biāo)。模板上口位置通過(guò)鋼尺和錘球傳遞。
優(yōu)點(diǎn):該方法計(jì)算簡(jiǎn)單、直觀。
缺點(diǎn):因拱壩連續(xù)上升,上層模板攀升時(shí)已碾壓混凝土還沒(méi)有完全凝固,放在混凝土面上的樣點(diǎn)穩(wěn)定性較差,并且上層在模板安裝過(guò)程中,模板的位置要通過(guò)錘球、鋼尺間接傳遞后確定,過(guò)程較多,增加了誤差的來(lái)源,模板調(diào)試和檢測(cè)工作量較大,影響效率。
實(shí)用部位:沒(méi)有放樣參照物的碾壓混凝土基礎(chǔ)層、壩內(nèi)廊道、預(yù)留孔洞及左右拱端。
4.2.2 偏差放樣法
模板吊裝人員參照下層模板將待安裝模板基本就位。測(cè)量人員將每一塊模板編號(hào),直接測(cè)量模板頂口接縫處的三維坐標(biāo),采用計(jì)算器編程現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算模板偏差,模板調(diào)試人員根據(jù)模板偏差調(diào)試模板,反復(fù)進(jìn)行直到模板偏差滿足規(guī)范要求為止(偏差放樣原理見(jiàn)第5節(jié)模板偏差檢測(cè))。
優(yōu)點(diǎn):快速、精準(zhǔn)。
實(shí)用部位:有參照物的拱壩連續(xù)施工部位。
模板放樣、安裝后,最后一道程序進(jìn)行模板檢查和驗(yàn)收,準(zhǔn)確測(cè)量并計(jì)算出模板偏差是否滿足規(guī)范要求是模板偏差檢測(cè)的核心技術(shù)。下面簡(jiǎn)要介紹兩種偏差計(jì)算方法和原理。
基本思路:在安裝調(diào)試好的相鄰兩塊模板的接縫處測(cè)量實(shí)際安裝位置三維坐標(biāo)D(x,y,z),采用計(jì)算機(jī)計(jì)算實(shí)測(cè)高程面0.1 m間距上、下游拱壩拱圈理論坐標(biāo)值,計(jì)算實(shí)測(cè)點(diǎn)D與理論坐標(biāo)值的距離,最小距離值就是模板的實(shí)際偏差,最后根據(jù)最小距離值判斷模板是否滿足規(guī)范要求?;居?jì)算公式:Lmin=√(X-Xd)2+(Y-Yd)2,為減小計(jì)算量,通常采用分次擬合計(jì)算方法。偏差模擬原理過(guò)程示意見(jiàn)圖12~16。歷次擬合計(jì)算精度統(tǒng)計(jì)分析見(jiàn)表9。
圖12 1次擬合偏差計(jì)算示意
圖13 2次擬合偏差計(jì)算示意
圖14 3次擬合偏差計(jì)算示意
圖15 4次擬合偏差計(jì)算示意
圖16 5次擬合偏差計(jì)算示意
擬合次數(shù)擬合點(diǎn)間距/m擬合點(diǎn)數(shù)偏差最小值/m精度/mm120947.139 425947.000 2311146.959 740.12146.957 650.05546.957 5139.240.52.10.1
通過(guò)精度對(duì)比分析可以看出,擬合至厘米級(jí)后精度變化值很小,已經(jīng)滿足規(guī)范要求的精度。
上述擬合計(jì)算所求得的偏差為實(shí)測(cè)模板坐標(biāo)與對(duì)應(yīng)高程的拱圈中心線的偏差值LDG,模板偏差P=LDG-T/2=46.957 5-24.969 2/2=34.472 9 m(T為對(duì)應(yīng)拱圈厚度),模板偏差計(jì)算示意見(jiàn)圖17。
圖17 模板擬合偏差計(jì)算示意
5.2.1 計(jì)算偏差問(wèn)題的提出
在模板驗(yàn)收時(shí),隨機(jī)測(cè)量任一塊模板接縫處的坐標(biāo)D(Dx,Dy,Z),此點(diǎn)不會(huì)完全位于雙曲拋物線上,必須調(diào)整模板位置,如果由上下游,左右岸兩個(gè)方向考慮模板位置的調(diào)整,那么模板偏差就是兩個(gè)分量△x和△y,根據(jù)兩個(gè)分量來(lái)調(diào)整模板位置肯定會(huì)導(dǎo)致模板的外形線條不平順,甚至凹凸。因此,必須建立該測(cè)量點(diǎn)與雙曲線法線的距離方程,求解該方程即可得出已知點(diǎn)對(duì)應(yīng)的拱圈軸線法線位置的x值,根據(jù)拱壩軸線方程解出測(cè)點(diǎn)D(Dx,Dy)與拱圈軸線距離最近點(diǎn)的平面坐標(biāo)值G(x,y)。最后根據(jù)前述數(shù)學(xué)模型參數(shù)計(jì)算出該測(cè)點(diǎn)偏離上下游面的徑向距離LDG,模板偏差P=LDG-T/2。計(jì)算采取CASIO fx-5800計(jì)算器編程序計(jì)算,計(jì)算偏差原理示意見(jiàn)圖18。
圖18 計(jì)算偏差原理示意
5.2.2 兩種偏差計(jì)算方法對(duì)比
擬合偏差計(jì)算原理簡(jiǎn)單、直觀,成果可靠,是類(lèi)似曲線工程體型控制基本的偏差計(jì)算方法。但計(jì)算量大,程序復(fù)雜,需采用計(jì)算機(jī)編程計(jì)算。
計(jì)算偏差法精準(zhǔn)、快速,是保證拱壩快速上升的一種最有效的檢測(cè)方法。該方法對(duì)數(shù)學(xué)理論知識(shí)要求較高,可采用計(jì)算器編程,現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算偏差值。
三河口雙曲拱壩主要采用計(jì)算偏差法進(jìn)行模板偏差檢測(cè),在技術(shù)準(zhǔn)備階段,兩種偏差計(jì)算方法均進(jìn)行了相互校核,上述兩種方法計(jì)算同一點(diǎn)模板偏差值分別為34.472 9 m和34.472 7 m,差值為0.2 mm,成果可靠,精度滿足規(guī)范要求。
在對(duì)拋物線、橢圓、緩和曲線、圓曲線等體型復(fù)雜的曲線工程體型控制過(guò)程中,建立科學(xué)的施工測(cè)量控制網(wǎng)體系、選用適合的施工放樣和檢測(cè)方法、編制精準(zhǔn)的算法程序、采取必要的校核手段,均是保證施工精度的重要基礎(chǔ)。三河口水利樞紐雙曲拱壩因其壩型特殊、快速施工特點(diǎn)對(duì)體型控制測(cè)量提出了更高的要求。大壩施工以來(lái),體型控制測(cè)量技術(shù)和管理體系運(yùn)行正常,拱壩穩(wěn)步上升,壩體外觀質(zhì)量滿足規(guī)范要求,證明體型測(cè)量控制措施是成功有效的。