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        激光靜力水準(zhǔn)技術(shù)在土石壩沉降測(cè)量中應(yīng)用

        2020-06-29 02:58:34田志剛宋厚源
        山東水利 2020年5期
        關(guān)鍵詞:測(cè)量

        田志剛 ,宋厚源 ,郭 鵬

        (1.山東省水利科學(xué)研究院,山東 濟(jì)南 250014;2.平陰縣水務(wù)局,山東 平陰 250400)

        土石壩因土體自身固結(jié)及外荷載作用下會(huì)產(chǎn)生正常沉降,速率逐漸降低并趨于穩(wěn)定。在非正常情況下如滑坡、滲透變形等情況下也會(huì)發(fā)生較大的沉降,在這種情況下垂向位移的速率是逐漸增大的,直至發(fā)生突變。壩基在土壓力作用下也會(huì)發(fā)生沉降,表現(xiàn)為壩頂?shù)某两?。土壩垂直位移測(cè)量主要采用幾何水準(zhǔn)法和三角高程測(cè)量法,該方法測(cè)量精度受到人為因素、儀器精度的影響較大,無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),測(cè)量頻次很低,大部分一年數(shù)次,無法根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)分析。衛(wèi)星觀測(cè)法是近年來隨著全球衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展而形成的測(cè)量方法,影響其測(cè)量精度的因素很多,尤其是垂直位移的測(cè)量精度,主要受對(duì)流層[1]和電離層折射[2]以及區(qū)域性似大地基準(zhǔn)面精度的影響。而差分技術(shù)不能消除這種影響。在大尺度測(cè)量中,衛(wèi)星觀測(cè)法有足夠的精度,但在小尺度垂直位移測(cè)量中實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量則需要進(jìn)一步探討。

        近年來,靜力水準(zhǔn)法在水工建筑物沉降測(cè)量中開始使用。該方法原理明晰,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠,因而測(cè)量結(jié)果可靠。隨著位移傳感技術(shù)的迅速發(fā)展,其精度越來越高。可以預(yù)見該技術(shù)將在水利行業(yè)有較為廣泛的應(yīng)用。將激光測(cè)量技術(shù)和靜力水準(zhǔn)原理結(jié)合起來,實(shí)現(xiàn)高精度自動(dòng)實(shí)時(shí)沉降測(cè)量,可以達(dá)到±0.1mm,本系統(tǒng)沉降測(cè)量中的控制精度是±1mm,滿足規(guī)范±3mm的要求且穩(wěn)定性好、頻次高;可以根據(jù)位移變化速率,預(yù)判壩體所處的穩(wěn)定狀態(tài)。

        1 激光靜力水準(zhǔn)工作原理及計(jì)算方法

        1.1 理論依據(jù)

        根據(jù)伯努利原理,理想流體在恒定流狀態(tài)時(shí),單位體積所具有的能量(動(dòng)能、勢(shì)能、壓強(qiáng)能)為一常量,對(duì)于兩個(gè)流動(dòng)要素恒定的斷面,其方程表達(dá)式為:

        式中:Z1、Z2為計(jì)算斷面的中心位置的高程;P1/γ、P2/γ 為計(jì)算斷面的壓強(qiáng)高度/2g為計(jì)算斷面的流速水頭;為兩斷面間的水頭損失。對(duì)于靜止液體,u=0,則有:

        該式表明:連通液體在靜止?fàn)顟B(tài)下各點(diǎn)的單位勢(shì)能守恒,所有液面位置的勢(shì)高度相等,在自由液面上壓力相等的情況下,液面水平,這是靜力水準(zhǔn)的理論基礎(chǔ)。激光位移傳感可對(duì)液位變化進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量,通過簡(jiǎn)單幾何關(guān)系計(jì)算即可得出位移變化量,這個(gè)原理可用于物體垂直位移測(cè)量。

        1.2 激光靜力水準(zhǔn)基本結(jié)構(gòu)及測(cè)量方法

        激光靜力水準(zhǔn)沉降儀通過管道連通測(cè)筒,內(nèi)充液體,在測(cè)筒頂部固定安裝激光位移傳感器,傳感器測(cè)量測(cè)筒內(nèi)液位到傳感器起測(cè)點(diǎn)的距離。在遠(yuǎn)離壩體的穩(wěn)定地基上設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn),在待測(cè)沉降點(diǎn)上設(shè)觀測(cè)點(diǎn),將測(cè)筒分別安裝在基準(zhǔn)點(diǎn)0和觀測(cè)點(diǎn)1(觀測(cè)點(diǎn)可以是n個(gè))上,用管道相互連通,測(cè)筒內(nèi)注入液體至適當(dāng)高度。

        初始安裝時(shí),根據(jù)伯努利原理,液面在同一水平面上,激光位移傳感器0、1分別測(cè)得液面距激光器起測(cè)點(diǎn)距離為h0、h1。經(jīng)過一段時(shí)間T1后的某一時(shí)刻t1,觀測(cè)點(diǎn)沉降量為d1,此時(shí)傳感器分別測(cè)得液面距起測(cè)點(diǎn)距離為 h′0、h′1,根據(jù)相對(duì)位置幾何關(guān)系,可以得出:

        因此,只要測(cè)出任一時(shí)刻基點(diǎn)及各測(cè)點(diǎn)液面到起測(cè)點(diǎn)的距離,即可得出測(cè)點(diǎn)相對(duì)于基點(diǎn)在T1時(shí)段內(nèi)的沉降量。若得出的數(shù)值為負(fù)值,說明該測(cè)點(diǎn)抬升了,如混凝土壩、閘墩等水工建筑物在夏季由于溫度的升高而上升。

        由于沉降量是實(shí)時(shí)觀測(cè)得到的,頻次高,可實(shí)時(shí)計(jì)算沉降量變化速率,即沉降速度,通過沉降速度變化可預(yù)測(cè)壩體可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)趨勢(shì)。

        1.3 可行性試驗(yàn)驗(yàn)證

        在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)根據(jù)測(cè)量原理要求制作了試驗(yàn)臺(tái),溫度恒定無風(fēng)。將4個(gè)頂部安裝有激光位移傳感器的測(cè)筒用管道連接起來,其中1個(gè)作為基點(diǎn)固定不動(dòng),其他3個(gè)測(cè)筒作為測(cè)點(diǎn),可以通過螺桿調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng),模擬測(cè)點(diǎn)的沉降或者上升,螺桿聯(lián)動(dòng)游標(biāo)卡尺以讀取位移數(shù)據(jù)。傳感器采用紅色半導(dǎo)體激光,型號(hào)為TP-L100CD,其主要參數(shù)為:線性精度為±0.1%FS、頻次 500μs、量程100mm。測(cè)筒內(nèi)有3D打印中空玻璃片漂浮在水面作為激光反射體。工作液體是蒸餾水加防腐劑,為了模擬滲漏、蒸發(fā)等因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,設(shè)置了加、放水閥。

        試驗(yàn)采用預(yù)設(shè)測(cè)點(diǎn)沉降量、傳感器實(shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行計(jì)算,直接輸出測(cè)點(diǎn)垂直位移變化量的方案。結(jié)果見表1。

        由表1可知,預(yù)設(shè)沉降值和測(cè)量值在誤差范圍內(nèi)。在試驗(yàn)中,通過放水閥放水,模擬可能發(fā)生的滲漏、蒸發(fā),發(fā)現(xiàn)對(duì)測(cè)量結(jié)果沒有影響;還試驗(yàn)了不同直徑的測(cè)筒對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,證明測(cè)筒直徑不同對(duì)測(cè)量結(jié)果沒有影響,和理論分析結(jié)果一致。試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性,可以應(yīng)用到實(shí)際工程中。

        2 應(yīng)用實(shí)例

        2.1 水庫概況

        垛莊水庫位于濟(jì)南市西巴漏河上游,控制流域面積56km2??値烊轂?.19×107m3,大壩為黏土心墻沙殼壩,壩長(zhǎng)468m,最大壩高37.50m,溢洪道在左岸,設(shè)3孔10m×6m平板鋼閘門。

        2.2 測(cè)點(diǎn)布置及測(cè)量數(shù)據(jù)

        壩體測(cè)量基點(diǎn)布置在大壩左岸,設(shè)鉆孔灌注樁至基巖形成穩(wěn)定點(diǎn),觀測(cè)點(diǎn)設(shè)在大壩測(cè)壓管觀測(cè)斷面的下游壩肩上,共3個(gè);在水閘的兩個(gè)中墩下游端頂部設(shè)2個(gè)觀測(cè)點(diǎn),在離閘室15m的基巖上設(shè)基點(diǎn)。觀測(cè)點(diǎn)及基點(diǎn)的設(shè)計(jì)安裝滿足土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范(SL551-2012)要求,并對(duì)基點(diǎn)及測(cè)點(diǎn)高程進(jìn)行人工標(biāo)定[3]。測(cè)量結(jié)果見表2。

        表1 試驗(yàn)記錄表 mm

        表2 垛莊水庫壩體及溢洪閘墩沉降測(cè)量值 mm

        該裝置使用山東省水利科學(xué)研究院開發(fā)的《大壩安全監(jiān)測(cè)及分析系統(tǒng)》,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)觀測(cè)、數(shù)據(jù)無線傳輸,使用數(shù)年來一直正常工作。2019年夏季,檢測(cè)系統(tǒng)突然報(bào)警,檢查后發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量超過預(yù)警值,由于是在汛期,技術(shù)人員迅速進(jìn)行檢查,其原因是壩頂瀝青路面鋪設(shè)振動(dòng)碾造成的沉降,這說明了該設(shè)備的靈敏度。

        2.3 人工校核

        人工校核用以檢驗(yàn)該設(shè)備檢測(cè)結(jié)果正確與否,采用幾何水準(zhǔn)法進(jìn)行人工校核測(cè)量,其結(jié)果驗(yàn)證了激光靜力水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果是正確的。

        3 精度影響因素

        3.1 溫度

        不均勻溫度場(chǎng)會(huì)影響液體密度,從而影響液柱高度,對(duì)測(cè)量結(jié)果有一定影響,需進(jìn)行修正。解決方法:在每一個(gè)測(cè)點(diǎn)及基點(diǎn)設(shè)溫度傳感器,實(shí)時(shí)測(cè)量液體溫度,根據(jù)液體體積(密度)隨溫度變化規(guī)律,統(tǒng)一到同一個(gè)溫度場(chǎng),以彌補(bǔ)因溫度不同引起的液面高度差。

        3.2 大氣壓力

        各測(cè)點(diǎn)液面所處位置的大氣壓強(qiáng)是不相等的;空氣在通氣孔附近的運(yùn)動(dòng)也會(huì)引起測(cè)量結(jié)果不穩(wěn)定。解決方法:連通空氣室并進(jìn)行封閉。

        3.3 滲漏和蒸發(fā)

        少量的蒸發(fā)和滲漏不影響測(cè)量結(jié)果的正確性,但是要防止大量滲漏造成測(cè)筒內(nèi)液位下降超出測(cè)量范圍。解決方法:設(shè)置傳感器報(bào)警距離,當(dāng)傳感器測(cè)量值大于某一長(zhǎng)度時(shí),即需要進(jìn)行檢查,處理滲漏點(diǎn)并添加液體。

        3.4 液體振蕩

        測(cè)點(diǎn)若突然下降,會(huì)引起連通器液體振蕩,其振蕩可以簡(jiǎn)化為一個(gè)單擺系統(tǒng),用一個(gè)線性阻尼器進(jìn)行模擬。不考慮外力輸入時(shí),靜力平衡條件下液面運(yùn)動(dòng)方程如下:

        式中:h為液面偏離平面位置的距離,m;β為液面振動(dòng)阻尼常數(shù);ω0為液面振動(dòng)固有頻率。

        根據(jù)初始條件即可對(duì)方程進(jìn)行求解,即可得到距離h隨時(shí)間t變化的解,可以計(jì)算重新達(dá)到平衡所需要的時(shí)間。根據(jù)式(5)的解,需要的時(shí)間較長(zhǎng),但是由于壩體沉降速度非常緩慢,液面變化非常小,因此可以認(rèn)為連通器的液位隨時(shí)處于平衡狀態(tài)[4]。突然的大幅度沉降引起的大振幅振蕩會(huì)被激光位移傳感器捕捉到而引起報(bào)警,這正是安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所需要的。

        4 應(yīng)用前景

        土石壩結(jié)構(gòu)及運(yùn)行環(huán)境非常復(fù)雜,有很多不確定因素,憑經(jīng)驗(yàn)無法準(zhǔn)確了解壩體工作狀態(tài)。壩體受力后所引起的外部變形是了解壩體安全狀態(tài)的一種方法,對(duì)土石壩來說,沉降是需要了解的重要指標(biāo)之一。激光靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便,實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)、實(shí)時(shí)、高頻次監(jiān)測(cè),可以實(shí)時(shí)分析沉降速率,替代了人工作業(yè),尤其是在汛期高水位運(yùn)行時(shí),可及時(shí)發(fā)現(xiàn)沉降量變化,預(yù)測(cè)變化趨勢(shì),以保證大壩安全運(yùn)行。

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