王立強

(河北禹誠水利工程有限公司，河北 滄州 061000)

0 引 言

攔河土石壩是小規(guī)模梯級水利發(fā)電項目兼具灌溉功能的重要水利設(shè)施，因為土石壩的工程力學(xué)特征，對運行中土石壩進行實時監(jiān)測，是確保其運行安全性和可靠性的重要保障措施。當(dāng)前技術(shù)條件下，使用激光點云法對土石壩壩頂曲線進行實時測量，從而獲得壩體應(yīng)變，進一步推測壩體應(yīng)力，是一種低成本壩體監(jiān)測方法。而通過預(yù)埋式應(yīng)力測試系統(tǒng)測試壩體應(yīng)力，也是一種常見的應(yīng)力監(jiān)測方法。

本文研究中，擬使用上述兩種監(jiān)測方法并行，通過分析數(shù)據(jù)相關(guān)性，在時域數(shù)據(jù)變化特征的分析模型下，對壩體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進行更細(xì)致、更可靠的監(jiān)測。

1 監(jiān)測方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 壩體應(yīng)變監(jiān)測方案

最初應(yīng)用無人機機載平臺的激光點云設(shè)備，利用多角度的激光點云數(shù)據(jù)，在Smart3D大數(shù)據(jù)引擎的支持下，實時構(gòu)建監(jiān)測對象的DEM模型。在壩體監(jiān)測過程中，利用固定在壩體兩側(cè)山體的高位激光點云探頭，對個案壩體進行監(jiān)測，也可以達到無人機激光點云監(jiān)測的效果。而且因為固定激光點云設(shè)備可以持續(xù)對壩體進行照射監(jiān)測，有效避免以往無人機監(jiān)測過程中需要等無人機落地后再進行數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)實時性不足的問題。固定探頭因為拍攝角度有限，拍攝距離偏遠(yuǎn)，所以也需要使用無人機進行補充測量，以提升壩體DEM模型的精度。詳見圖1。

圖1 基于激光點云DEM模型的應(yīng)變-應(yīng)力分析數(shù)據(jù)流圖

圖1中，使用上述方法獲得DEM模型后，一定周期的DEM模型會被存儲到數(shù)據(jù)庫中，新生成的DEM模型會與數(shù)據(jù)庫中的以往各周期DEM模型進行比較分析，最終獲得壩體的應(yīng)變特征，進一步通過應(yīng)變-應(yīng)力傳導(dǎo)函數(shù)，推測壩體應(yīng)力。該傳導(dǎo)函數(shù)見式(1)：

(1)

式中：F為壩體的總受力；L為壩體長度；H為壩體高度；Si為壩體位置i處的形變；ηi為壩體位置i處的應(yīng)變-應(yīng)力傳導(dǎo)系數(shù)；y(x)為壩體高度與壩體位置之間的逼近函數(shù)；ρ為水體密度；γx為壩體位置x處的水壓傳導(dǎo)系數(shù)。

1.2 壩體應(yīng)力監(jiān)測方案

通過在壩體內(nèi)直接埋入應(yīng)力探頭的方式，獲得壩體應(yīng)力檢測結(jié)果。式(1)獲得的壩體受力情況除以壩體淹水面面積獲得的壩體應(yīng)力(MPa)與壩體應(yīng)力探頭獲得的壩體應(yīng)力檢測結(jié)果(MPa)之間會形成曲線對應(yīng)關(guān)系。

個案中，壩體長度為935 m，壩體最大高度42 m，最大庫容量12.7×104m3，最大設(shè)計蓄水深度39.5 m，此時可以獲得壩體的最大根部應(yīng)力約為0.405 MPa。但因為水流環(huán)境、動壓環(huán)境、滲流環(huán)境等影響，該應(yīng)力會發(fā)生較顯著變化。而且因為壩體蠕性形變和彈性形變的對應(yīng)關(guān)系，該應(yīng)力-應(yīng)變分布曲線也有變化。所以，通過式(1)雙向推導(dǎo)壩體的應(yīng)力應(yīng)變特征，會獲得壩體的時域數(shù)據(jù)特征，對壩體穩(wěn)定性作出評價。

2 實測數(shù)據(jù)的時域空間分析

在935 m的壩體總長度中，應(yīng)力探頭的埋設(shè)距離設(shè)定為60 m，則整個壩體埋設(shè)探頭數(shù)量為15個?？疾旖孛鏀?shù)據(jù)，其應(yīng)力及應(yīng)變分布情況見表1。

表1 壩體應(yīng)力及應(yīng)變分布情況表

表1中，經(jīng)過應(yīng)力探頭反推應(yīng)變與應(yīng)變實測結(jié)果，以及應(yīng)變探頭反推應(yīng)力結(jié)果與應(yīng)變實測結(jié)果，數(shù)據(jù)兩兩之間的評價區(qū)間存在一定的差異性，但其均值關(guān)系基本一致。表明在一般狀態(tài)下，該兩套系統(tǒng)基本可以獨立完成應(yīng)力及應(yīng)變的監(jiān)測過程。

對上述數(shù)據(jù)進行可視化，以實測結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)值，分析兩套數(shù)據(jù)的反推誤差，其分布情況見圖2。

圖2 數(shù)據(jù)反推誤差分布情況圖

由圖2中發(fā)現(xiàn)，靠近壩體中央位置的反推數(shù)據(jù)中，二者均出現(xiàn)了正向誤差；靠近壩體兩端位置的反推數(shù)據(jù)中，二者均出現(xiàn)了逆向誤差。且盈利反推應(yīng)變的過程誤差率高于應(yīng)變反推盈利過程。

因為該誤差產(chǎn)生機理較為穩(wěn)定，可以認(rèn)定該誤差為系統(tǒng)誤差。所以，在進行壩體穩(wěn)定性評價的過程中，應(yīng)利用基于激光點云監(jiān)測數(shù)據(jù)的應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果和基于預(yù)埋式應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果給出壩體穩(wěn)定性評價系數(shù)，該系數(shù)為100倍應(yīng)力(MPa)與應(yīng)變(mm)的熵值，單位MPa/mm。

考察該穩(wěn)定性在全年數(shù)據(jù)中的時域表現(xiàn)，其分布曲線見圖3。

圖3 壩體穩(wěn)定性時域變化規(guī)律

由圖3中可知，每年3月份開始，穩(wěn)定性系數(shù)出現(xiàn)較陡的上升沿；至6-7月份，該值上升到峰值；而至10月份之后，該值在低位拉平且低位保持至次年的2-3月份。該趨勢與當(dāng)?shù)氐慕邓植记闆r基本保持一致，即可認(rèn)為當(dāng)穩(wěn)定性系數(shù)增大時，壩體穩(wěn)定性受到挑戰(zhàn)；反之，壩體穩(wěn)定性增加。鑒于該穩(wěn)定性系數(shù)分布規(guī)律，考察水庫水位與穩(wěn)定性系數(shù)之間的關(guān)系，詳見圖4。

圖4 水庫水位與壩體穩(wěn)定性系數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系圖

由圖4中可知，隨著水庫最大蓄水位升高，穩(wěn)定性系數(shù)幾乎呈線性關(guān)系升高，且曲線略有下彎。即壩體穩(wěn)定性系數(shù)隨著水庫水位升高而線性升高的同時，其升速也隨之加快。但當(dāng)庫容量為40 m，其穩(wěn)定性系數(shù)升高速率沒有出現(xiàn)收斂和失穩(wěn)狀態(tài)，可以認(rèn)為該土石壩當(dāng)前狀態(tài)，支持水庫的最大蓄水條件下的壩體穩(wěn)定性，即該土石壩在水庫達到最大蓄水量時，其穩(wěn)定性仍具備工程學(xué)意義。該土石壩面臨的覆壩風(fēng)險遠(yuǎn)大于潰壩風(fēng)險。

3 結(jié) 論

通過對壩體應(yīng)力應(yīng)變特征進行基于物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的時域分析，可以得出以下結(jié)論：

1) 壩體中部署的基于固定激光點云探頭結(jié)合無人機激光點云探頭的壩體應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)、壩體中部署的預(yù)埋式壩體應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)，均可提供高可靠、高可用的應(yīng)力、應(yīng)變時域數(shù)據(jù)，二者進行應(yīng)力-應(yīng)變雙向反推的監(jiān)測結(jié)果，最大誤差率小于±1.0%，符合工程大數(shù)據(jù)需求。

2) 基于應(yīng)力應(yīng)變整合數(shù)據(jù)進行的壩體穩(wěn)定性系數(shù)監(jiān)測結(jié)果，證實在時域空間上壩體的低穩(wěn)定性狀態(tài)集中在每年夏秋季，該峰值分布情況與當(dāng)?shù)亟邓糠逯捣植记闆r基本一致。

3) 通過將壩體穩(wěn)定性系數(shù)與庫容量之間進行關(guān)聯(lián)分析，壩體穩(wěn)定性在時域空間上表現(xiàn)出的分布特征，其本質(zhì)是壩體庫容量與壩體穩(wěn)定性系數(shù)之間的統(tǒng)計學(xué)關(guān)系。該關(guān)系符合工程力學(xué)特征。