任 律，彭 浩，卞曉衛(wèi)

(1.水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120；2.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)

隨著我國水利水電資源開發(fā)的蓬勃發(fā)展，面板堆石壩因其良好的工程適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性而被廣泛采用[1-2]。面板堆石壩主要由堆石體和防滲系統(tǒng)組成，包括趾板、面板、墊層、過渡層、主堆石區(qū)、次堆石區(qū)。其中，面板[3]為堆石壩重要的防滲結(jié)構(gòu)之一，其與堆石體之間變形的不協(xié)調(diào)，往往會(huì)引起面板開裂、脫空、撓度過大而斷裂等不利情況發(fā)生，從而導(dǎo)致大壩的防滲體系出現(xiàn)問題，對大壩的安全構(gòu)成威脅。因此，在面板壩的整個(gè)生命周期內(nèi)對面板的變形進(jìn)行監(jiān)測，掌握面板的工作狀態(tài)，是一項(xiàng)必不可少的工作。本文對國內(nèi)外現(xiàn)有面板壩面板變形的監(jiān)測手段進(jìn)行了總結(jié)，并提出采用在面板內(nèi)部布置柔性測斜儀(SAA)對其三維變形進(jìn)行監(jiān)測的新方法，該方法已在某大型水利項(xiàng)目成功實(shí)施，獲得了有效的監(jiān)測數(shù)據(jù)，可為同類工程借鑒。

1 面板撓度變形現(xiàn)有監(jiān)測方法

1.1 活動(dòng)式測斜儀

活動(dòng)式測斜儀[4]整套裝置包括測斜儀探頭、電纜、測斜管和讀數(shù)儀。通常需要人工將測斜儀探頭沿測斜管內(nèi)勻速移動(dòng)，以0.5 m的固定間距測出各段處發(fā)生位移后測斜管相較于其初始狀態(tài)時(shí)的夾角，然后計(jì)算該段處的位移，從而可以得到各段處的相對位移、絕對位移和累計(jì)位移等隨孔深的變化情況。將測斜管埋設(shè)安裝在面板內(nèi)，即可通過測斜儀測量出面板全長范圍內(nèi)的連續(xù)變形情況。

用于面板撓度監(jiān)測的活動(dòng)式測斜儀通常為經(jīng)過改造的斜測斜儀，即將其內(nèi)置的加速度計(jì)旋轉(zhuǎn)一定角度以適應(yīng)面板斜坡面的傾角。因此，在大角度、長線路時(shí)無法實(shí)現(xiàn)正反測自校，需要通過現(xiàn)場標(biāo)定來消除誤差。采用高精度測斜儀低精度使用的方法來代替斜測斜儀雖然可行，但在大角度工作時(shí)，無法滿足觀測精度要求，且在長期的使用過程中，難以避免零點(diǎn)偏移誤差、角度定位旋轉(zhuǎn)誤差、深度測量誤差以及測斜管導(dǎo)槽自身扭轉(zhuǎn)誤差等影響，無法保證長期數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性。同時(shí)測斜管是一段一段連接起來的，過程中必須保證各段測斜管的導(dǎo)槽對正且最終安裝方向與所測變形的方向平行或垂直，施工及保護(hù)難度較大。另外，長期使用過程中，若測斜管發(fā)生較大的變形、管內(nèi)淤積或被雜物堵塞，導(dǎo)致測斜儀探頭無法在測斜管內(nèi)自由通行，將無法進(jìn)行觀測。

1.2 固定式測斜儀

固定式測斜儀[4]是將單個(gè)測斜儀固定在測斜管內(nèi)，測量該位置的夾角變化，計(jì)算該位置的位移，特點(diǎn)是一個(gè)傳感器只能測一個(gè)位置。因此，沿面板坡向5～15 m間距串聯(lián)布置多個(gè)傳感器，即可得到面板的變形情況。

相較于活動(dòng)式測斜儀，固定式測斜儀易于實(shí)現(xiàn)連續(xù)、實(shí)時(shí)自動(dòng)化觀測，但是由于測點(diǎn)固定，一套測斜管需要安裝多個(gè)傳感器才能夠較為完整地反映被測結(jié)構(gòu)的變形，造價(jià)高，傳感器損壞后難以維修。

1.3 電平器

電平器[4]也是一種單點(diǎn)傾角計(jì)，傳感器靈敏度高，體積小，可通過支架直接固定在被測結(jié)構(gòu)內(nèi)部或表面，施工簡單快捷，儀器不受角度限制，運(yùn)行期易于實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化監(jiān)測。國內(nèi)最早由天生橋一級(jí)水電工程[5]引進(jìn)應(yīng)用巴西里約熱內(nèi)盧天主教大學(xué)的電平器，目前已成為面板撓度監(jiān)測方面最廣泛應(yīng)用的一種儀器，但是多年來的實(shí)際使用效果并不佳。

這是因?yàn)殡娖狡鞣从车氖墙嵌赛c(diǎn)位移，可以說是一種間接觀測，即通過對不連續(xù)的測點(diǎn)測值后得到擬合曲線的積分值。如果測點(diǎn)間距過大，擬合的效果就會(huì)很差，即整體精度很大程度上取決于儀器布置的疏密。此外，蓄水后，鋪蓋以下測點(diǎn)極易損壞，損壞后相應(yīng)的計(jì)算無法進(jìn)行且測點(diǎn)儀器無法修復(fù)，導(dǎo)致整套系統(tǒng)作廢。

文獻(xiàn)[6]指出目前廣泛采用的表面安裝電平器的形式，存在儀器保護(hù)困難及影響美觀的問題，提出將電平器內(nèi)置在混凝土面板內(nèi)部的埋設(shè)安裝新思路，并且在德澤水庫樞紐工程面板壩進(jìn)行了成功應(yīng)用。雖然此方法可行，但是仍然無法克服單支傳感器點(diǎn)測量的弊端，觀測成果精度依賴于傳感器布置的疏密程度，無法獲取面板的連續(xù)變形。同時(shí)，施工過程中傳感器可能會(huì)受到混凝土澆筑、鋼筋焊接等施工干擾而存在被損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

1.4 光纖陀螺儀

光纖陀螺儀[7]是一種基于薩格奈克效應(yīng)的敏感角速度傳感器。該儀器靈敏度高，受干擾小，可實(shí)現(xiàn)撓度線的連續(xù)性監(jiān)測，但是光纖陀螺易受振動(dòng)等外界因素干擾而引入測量噪聲，角速度存在漂移且會(huì)累積而導(dǎo)致測量錯(cuò)誤。同時(shí)，運(yùn)用在面板撓度監(jiān)測時(shí)，整體系統(tǒng)可動(dòng)部件多，每次測量時(shí)陀螺儀小車在圓形鋼管通道中拖動(dòng)距離長(水布埡拖動(dòng)800余米，且小車軌道缺乏唯一性)，對測量精度的重復(fù)性、穩(wěn)定性的不利影響因素較多。另外，整套系統(tǒng)的成本較高，使用率低，施工過程中需要在壩坡面上吊裝鋼管，存在安全隱患。

1.5 磁慣導(dǎo)系統(tǒng)

磁慣導(dǎo)系統(tǒng)[8]由磁通門傳感器、慣性傳感器和數(shù)據(jù)記錄儀組成。磁慣導(dǎo)系統(tǒng)監(jiān)測撓度變形是將管道埋設(shè)于面板下方，借助小車自重或適量的配重讓小車運(yùn)行至管底，然后拖拉小車至管口，完成整條管道各高程截面的位置監(jiān)測信息。通過在水布埡面板撓度監(jiān)測實(shí)踐成果來看，該方法是可行的，且經(jīng)濟(jì)性要明顯優(yōu)于光纖陀螺儀。但是受技術(shù)水平限制，在300 m之后測值精度下降，與光纖陀螺儀測值最大偏差竟達(dá)到30 mm以上，尚需改進(jìn)。

2 面板撓度變形SAA監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 柔性測斜儀SAA

柔性測斜儀[9-10](SAA)是一種可以被放置在一個(gè)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)軸和微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)加速度計(jì)組成。每段軸有一個(gè)已知的長度；通過檢測各部分的重力場，各段軸之間的彎曲角度便可以計(jì)算出來，利用計(jì)算得到的彎曲角度和已知各段軸長度，SAA的變形便可以完全確定出來。當(dāng)垂直安裝時(shí)，SAA可以用來確定三維變形；水平安裝時(shí)，SAA可以用來確定二維變形。當(dāng)SAA安裝與頂點(diǎn)角度達(dá)到60°時(shí)，便可以確定三維變形。

SAA傳感器為微機(jī)電加速度式(EMES)，每段轉(zhuǎn)角測量標(biāo)稱精度為±0.5°%，按每段長度30 cm和50 cm計(jì)，則每段變形測量精度分別為0.026 2、0.043 6 mm；全長變形精度±1.5 mm/32 m，即32 m累計(jì)變形測量誤差為1.5 mm；防水等級(jí)為100 m；動(dòng)態(tài)取樣速率70～100 Hz。

圖1 柔性測斜儀(SAA)

SAA通常安裝在聚氯乙烯管道中，然后將管道放在孔內(nèi)并進(jìn)行灌漿，任何變形都能夠通過測量SAA的形狀變化準(zhǔn)確得到。SAA可以重復(fù)使用，傳感器精度可以達(dá)到毫米級(jí)，關(guān)節(jié)能夠彎曲90°，故能承受較大的變形。同時(shí)，可以將測量數(shù)據(jù)無線發(fā)送到服務(wù)器進(jìn)行自動(dòng)化處理，獲得遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析。

2.2 實(shí)施工藝流程

SAA面板撓度監(jiān)測系統(tǒng)布置見圖2。在施工前，需根據(jù)面板長度和設(shè)計(jì)布置要求來定制與之匹配的SAA傳感器，同時(shí)做好儀器的現(xiàn)場檢驗(yàn)工作，確保其各項(xiàng)性能滿足工程需求?，F(xiàn)場施工的工序主要分為以下幾步。

第一步，連接拼裝。在混凝土面板鋼筋施工的同時(shí)，將準(zhǔn)備好的測管分段通過伸縮節(jié)連接，接頭處做好防水密封處理，并用鐵絲預(yù)固定在鋼筋上。每段綁扎后，要檢查接頭和管身的穩(wěn)固性。循環(huán)上述步驟，直至面板頂部。整個(gè)過程中，保證測管的連接固定工作與面板鋼筋施工同步進(jìn)行。

第二步，套管填充。將SAA測量系統(tǒng)依次穿入保護(hù)管內(nèi)，然后將整套系統(tǒng)放入測管內(nèi)。緊接著，在陣列式三維測量系統(tǒng)與測管之間的空隙填充細(xì)砂，細(xì)砂的粒徑根據(jù)空隙實(shí)際大小確定。細(xì)砂的填充要緩慢勻速，同時(shí)為保證填充后細(xì)砂密實(shí)，過程中每填充一段后注入適量的水，使細(xì)砂自密實(shí)，直至填充至管頂即停止。

第三步，調(diào)試與數(shù)據(jù)采集。測量管口初始坐標(biāo)值，將SAA測量系統(tǒng)接入外部數(shù)據(jù)采集模塊，并檢驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和傳輸是否正常。

第四步，封閉保護(hù)及后續(xù)觀測。在管口外部澆筑混凝土保護(hù)墩，確保外部雜物或雨水等不對儀器造成影響。

最后，在保護(hù)墩同部位澆筑一個(gè)表面變形觀測墩，利用工程區(qū)外觀控制網(wǎng)取得表面變形觀測墩的坐標(biāo)值，后期利用表面變形觀測墩來校核管口坐標(biāo)值，以校核歷次觀測成果。

由于SAA測量系統(tǒng)測量自身適應(yīng)性強(qiáng)，將其埋設(shè)在混凝土面板內(nèi)部，可實(shí)現(xiàn)對面板三維變形的連續(xù)性觀測且可實(shí)現(xiàn)全過程的自動(dòng)化監(jiān)測。同時(shí)，系統(tǒng)自身在安裝過程中基本不受施工干擾影響，安裝完成后亦得到很好的保護(hù)，可大大提高安裝質(zhì)量和儀器使用壽命。另外，由于其與測管之間采用細(xì)砂填充，意味著其后期是可以取出的，因此具有可重復(fù)利用、可維修的優(yōu)點(diǎn)。

圖2 面板撓度變形SAA監(jiān)測系統(tǒng)布置示意

2.3 應(yīng)用效果

國內(nèi)某一等大(1)型水利樞紐工程擋水建筑物為混凝土面板堆石壩。選擇壩基覆蓋層最厚的部位作為主要監(jiān)測斷面布置柔性測斜儀系統(tǒng)，整條線路由水平連接板至面板頂部，使用的柔性測斜儀總長約323 m。后續(xù)將監(jiān)測電纜接入觀測房并納入自動(dòng)化觀測系統(tǒng)。目前已投入運(yùn)行6個(gè)月。根據(jù)其中一塊一期面板內(nèi)的SAA系統(tǒng)測量成果繪制面板撓度分布，見圖3。

圖3 SAA監(jiān)測一期面板撓度分布

由圖3可知：SAA系統(tǒng)測量的面板沿長度方向的變形是連續(xù)的，測值線順滑穩(wěn)定無突變點(diǎn)，分布規(guī)律主要為在一期面板澆筑后的初期，沿面板長度0～47 m范圍內(nèi)，面板主要表現(xiàn)為向上凸的微小變形；在沿面板長度48～101 m范圍內(nèi)，面板則基本無變形。隨著大壩填筑的進(jìn)行，一期面板主要表現(xiàn)為向下凹的變形，且沿面板長度方向緩慢增大，最大變形發(fā)生在一期面板的頂部。目前水庫尚未蓄水，面板變形主要受大壩堆石體沉降變形影響，測值無異常。

3 結(jié) 論

采用在面板內(nèi)部布置柔性測斜儀(SAA)對面板撓度變形進(jìn)行監(jiān)測，可實(shí)現(xiàn)全過程的自動(dòng)化監(jiān)測，所獲取的面板沿長度方向的變形是連續(xù)的，測值線順滑穩(wěn)定無突變點(diǎn)，分布規(guī)律較好，所獲取的面板撓度成果與實(shí)際情況相符，表明本文提出的方法是可行的。同時(shí)，較傳統(tǒng)監(jiān)測手段而言，具有易于保護(hù)，可重復(fù)利用，可維修的優(yōu)點(diǎn)，值得推廣應(yīng)用。