阿布都沙拉木·托爾遜,曹 銳
(新疆額爾齊斯河流域開(kāi)發(fā)工程建設(shè)管理局,新疆 烏魯木齊 830000)
某水庫(kù)是尾部調(diào)節(jié)平原水庫(kù),位于阜康與米泉市交接處,距阜康市城西北10.0 km,水庫(kù)工程主要由大壩、放水(兼放空)涵洞、入庫(kù)建筑物組成,水庫(kù)總庫(kù)容2.81億m3,屬大(2)型水庫(kù),工程等別為二等。
放水兼放空洞布置在中壩段上,為壩下埋管。進(jìn)水口為開(kāi)敞式進(jìn)水口,洞身段為城門(mén)洞型雙孔,縱坡為1/200,單孔設(shè)計(jì)流量為25 m3/s,為無(wú)壓涵洞。由進(jìn)口引渠段、閘井段、洞身段、明槽、陡坡段、消力池段、供退水閘、退水渠等組成。涵洞坐落在低液限粉土地基上,為改善地基承載力,減少結(jié)構(gòu)物沉降,設(shè)計(jì)采用了礫質(zhì)土換填方案。閘井段換土深度10 m,洞身段換土深度11 m,礫質(zhì)土換填厚度沿壩軸線(xiàn)方向用緩坡過(guò)度,解決了在壩軸線(xiàn)方向的不均勻沉降。涵洞洞身段樁號(hào)為洞0+023.5~洞0+093.5,全長(zhǎng)為70 m,洞底板設(shè)計(jì)高程為480.00 m~479.65 m,底板縱坡為1/200。采用180°頂拱,直墻高3.3 m的城門(mén)洞形斷面。洞0+023.5~洞0+030.5段,孔口尺寸3 m×5.3 m~3 m×4.8 m; 洞 0+030.5~洞 0+093.5段,孔口尺寸3 m×4.8 m。 洞身段每7 m設(shè)一道結(jié)構(gòu)縫,縫寬3 cm,內(nèi)設(shè)一道紫銅止水和一道橡膠止水,相鄰洞身結(jié)構(gòu)分縫處下設(shè)基礎(chǔ)墊梁(圖1)。
圖1 放水(兼放空)涵洞縱剖面圖
考慮到涵洞的特殊性并結(jié)合工程實(shí)際,本工程設(shè)置了涵洞與壩體接觸部位變形觀(guān)測(cè)、結(jié)構(gòu)縫變形監(jiān)測(cè)、滲透壓力觀(guān)測(cè)、土壓力觀(guān)測(cè)等觀(guān)測(cè)項(xiàng)目(圖2)。
圖2 放水涵洞監(jiān)測(cè)儀器布置圖
涵洞滲流觀(guān)測(cè),是監(jiān)測(cè)沿涵洞軸線(xiàn)方向的滲流情況,在沿涵洞軸線(xiàn)重點(diǎn)的結(jié)構(gòu)縫周?chē)荚O(shè)了6個(gè)觀(guān)測(cè)斷面,每個(gè)觀(guān)測(cè)斷面上有6支孔隙水壓力計(jì),共計(jì)36支GKD型振弦式孔隙水壓力計(jì)。(在涵洞斷面上、下、左、右和左右上角各一支)。目前實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè),每日進(jìn)行兩側(cè)監(jiān)測(cè)。
孔隙水壓力計(jì)的工作原理:GKD型振弦式孔隙水壓力表由透水板、承壓膜、鋼絲繩、支架、線(xiàn)圈、殼體和傳輸電纜組成。振弦式孔隙水壓力計(jì)將振弦與敏感的壓力膜片相連。當(dāng)孔隙水壓力通過(guò)可滲透板傳遞到儀器的內(nèi)腔并作用在壓力膜片上時(shí),壓力膜片和振弦會(huì)一起變形。振弦固有頻率的變化可以將液壓轉(zhuǎn)換成等效頻率信號(hào)并進(jìn)行測(cè)量。
式中:U—孔隙水壓力,KPa;
K-傳感器系數(shù),其數(shù)值與承壓膜和振弦的尺寸及材料性質(zhì)有關(guān),由室內(nèi)標(biāo)定給出,KPa/Hz2;
f0—零大氣壓力下振弦的振動(dòng)頻率,Hz;
fi—某一個(gè)時(shí)刻的滲透水壓力U作用下的振弦的振動(dòng)頻率,Hz。
放水兼放空涵洞是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),用來(lái)輸水和放空水庫(kù),因?yàn)閯傂越ㄖ锎┻^(guò)壩體,放水涵洞與壩體接觸的部位容易產(chǎn)生差異變形,所以在涵洞軸線(xiàn)方向布設(shè)位移計(jì)觀(guān)測(cè)壩體和涵洞相對(duì)變形是很重要的一項(xiàng)觀(guān)測(cè)項(xiàng)目。根據(jù)涵洞結(jié)構(gòu),分別在洞0+037、洞0+058和洞0+079,設(shè)了3個(gè)觀(guān)測(cè)斷面,在每個(gè)觀(guān)測(cè)斷面設(shè)置4組雙向位移計(jì),共計(jì)24支位移計(jì),此外在涵洞0+079斷面增設(shè)一組兩支位移計(jì),其編號(hào)為 TS1-1、TS1-2~TS12-1、TS12-2, TS13-1 和TS13-2。
涵洞與壩體接觸部位的變形采用TS型位移計(jì)觀(guān)測(cè)。TS型位移計(jì)既可單支埋設(shè),亦可組合埋設(shè),可用于測(cè)量壩體內(nèi)任何方向的位移。涵洞與壩體接觸部分即采用兩支位移計(jì)成組埋設(shè)的方法來(lái)觀(guān)測(cè)涵洞與周?chē)馏w之間的水平位移和剪切位移。TS型位移計(jì)讀數(shù)測(cè)量可借助于TS型位移計(jì)讀數(shù)儀進(jìn)行。其位移量的計(jì)算公式如下:
式中:di—i時(shí)刻實(shí)測(cè)位移量,mm。
k—儀器系數(shù),mm/mV;
V0—埋設(shè)時(shí)電壓,mV;
Vi—i時(shí)刻的實(shí)測(cè)電壓,mV。
由于涵洞坐落在低液限粉土地基上,因地基變形而出現(xiàn)涵洞變形主要反映在涵洞結(jié)構(gòu)縫變形上,因此涵洞結(jié)構(gòu)縫變形觀(guān)測(cè)很有必要。沿涵洞軸線(xiàn)布設(shè)3個(gè)觀(guān)測(cè)斷面,每個(gè)斷面設(shè)有2個(gè)測(cè)點(diǎn),測(cè)縫計(jì)布置在結(jié)構(gòu)縫下面,共6支儀器,編號(hào)為J1~J6。斷面樁號(hào)分別為洞0+037.5、洞0+058.5和洞0+079.5
測(cè)縫計(jì)實(shí)際上就是單支埋設(shè)的TS型位移計(jì),埋設(shè)時(shí)將其兩端分別錨固于結(jié)構(gòu)縫兩側(cè)的鋼筋混凝土內(nèi),使其橫跨結(jié)構(gòu)縫,從而觀(guān)測(cè)結(jié)構(gòu)縫的張開(kāi)與閉合情況。其位移量的計(jì)算公式同前述TS型位移計(jì)。
土壓力監(jiān)測(cè)是指放水涵洞和周邊土體的接觸情況的監(jiān)測(cè),為了監(jiān)測(cè)涵洞和周?chē)馏w的接觸情況,沿涵洞軸線(xiàn)洞0+037、洞0+058和洞0+079這3個(gè)斷面布置了界面式土壓力計(jì),觀(guān)測(cè)斷面樁號(hào)和位移計(jì)相同,即每個(gè)斷面埋設(shè)6支土壓力計(jì),共計(jì)18支。
土壓力計(jì)的埋設(shè)方法是:在涵洞混凝土澆筑前預(yù)埋土壓力計(jì)模盒,模盒直徑略大于土壓力計(jì)直徑,埋設(shè)儀器前將模具取下,然后將土壓力計(jì)安裝就位,將承壓面朝向填土面,埋設(shè)時(shí)還應(yīng)注意保證土壓力計(jì)的承壓面與混凝土面齊平。
土壓力計(jì)的傳感器為振弦式儀器,計(jì)算方法可參考上述振弦式孔隙水壓力計(jì)的計(jì)算方法:
土壓力監(jiān)測(cè)原理
式中:σs—土壓力計(jì)實(shí)測(cè)的應(yīng)力,MPa;
fs—土壓力計(jì)的最小讀數(shù)(靈敏度);
ΔZ—以變形前所觀(guān)測(cè)的電阻比Z0為起點(diǎn)計(jì)算的變形引起的電阻比增量,ΔZ=Z-Z0;
ΔT—以變形前所觀(guān)測(cè)的溫度測(cè)值T0為起點(diǎn)計(jì)算的變形后的溫度增量,ΔT=T-T0;
bs—差動(dòng)儀器的溫度修正系數(shù)(溫度補(bǔ)償系數(shù))。
按下式計(jì)算溫度
式中:T—差動(dòng)儀器埋設(shè)點(diǎn)的溫度;
RT—差動(dòng)儀器的電阻值,通常稱(chēng)為溫度電阻,Ω;
α'—差動(dòng)儀器0 ℃以上的溫度常數(shù);
α"—差動(dòng)儀器0 ℃以下的溫度常數(shù);
R0'—差動(dòng)儀器0 ℃時(shí)的計(jì)算電阻。
(1)根據(jù)滲流監(jiān)測(cè)資料,所有壩體上游側(cè)的滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)得出,壩體各斷面滲流基本穩(wěn)定,隨著庫(kù)水位的變化而變化,與庫(kù)水位成正相關(guān),變化有一定的滯后時(shí)間,基本符合壩體內(nèi)部滲流水頭逐漸減小的趨勢(shì),壩體排水通暢。
圖3 滲流觀(guān)測(cè)(2016-4-1~2021-5-1)
(2)經(jīng)滲流計(jì)算,壩體下游壩坡坡腳排水體最大破壞比降為0.07,小于允許的破壞比降0.1;壩基最大破壞比降為0.11,小于允許的破壞比降0.45;出逸點(diǎn)滲透比降均小于根據(jù)試驗(yàn)成果給出的允許滲透比降,即大壩壩體不會(huì)發(fā)生滲透破壞。壩基滲透比降也均小于壩基允許比降,即壩基不會(huì)發(fā)生滲透破壞??梢猿醪脚袛鄩误w滲透破壞的可能性相對(duì)較小。
(3)大壩年滲漏量在20.9萬(wàn)~34.5萬(wàn)m3之間。經(jīng)滲流計(jì)算,大壩年滲流總量為52.22萬(wàn)m3,占總庫(kù)容的0.19%,水庫(kù)滲漏量較小,大壩滲流穩(wěn)定、正常;放水涵洞沒(méi)有滲水現(xiàn)象。
多年來(lái),施工期及蓄水初期涵洞與壩體接觸部位位移計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)增長(zhǎng)較大,運(yùn)行后期測(cè)值穩(wěn)定,具體成果分析如下:
(1)施工期,各位移計(jì)的測(cè)值都隨涵洞周?chē)钔恋纳仙龃?,位移?jì)測(cè)值過(guò)程線(xiàn)與填筑過(guò)程線(xiàn)相關(guān)性良好。無(wú)論是剪切位移還是水平位移,在相同斷面和相同高度的涵洞兩側(cè)的兩個(gè)位移計(jì)所測(cè)量的位移都比較接近。一方面,表明涵洞兩側(cè)的土壤位移的對(duì)稱(chēng)性,另一方面,也表明測(cè)量值的可靠性。
(2)大壩施工完成后,每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的位移過(guò)程線(xiàn)趨于穩(wěn)定,但水庫(kù)開(kāi)始蓄水后的前3年,大部分位移計(jì)的測(cè)值出了不同程度的增長(zhǎng)量,這表明水庫(kù)蓄水對(duì)涵洞與周?chē)馏w之間的變形影響比較明顯。3年后,位移計(jì)變化很小,說(shuō)明涵洞與周?chē)馏w之間的變形受庫(kù)水位的影響變小,基本保持穩(wěn)定。
圖4 移位監(jiān)測(cè)(2014-4-1~2021-5-1)
(3)剪切位移的增長(zhǎng)速率和量值都比水平位移大,說(shuō)明涵洞和周?chē)馏w間的位移以剪切為主。
由于涵洞坐落在低液限粉土地基上,地基變形的影響主要反映在涵洞結(jié)構(gòu)縫上,所以結(jié)構(gòu)縫觀(guān)測(cè)很有必要的。根據(jù)多年的結(jié)構(gòu)縫變形觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看,水庫(kù)蓄水后測(cè)縫計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比較小,蓄水對(duì)結(jié)構(gòu)縫變形影響很小,各測(cè)縫計(jì)測(cè)值變化甚微。J4與J6測(cè)縫計(jì)工作正常,全年變化不超過(guò)0.03 mm。涵洞各測(cè)點(diǎn)位移過(guò)程線(xiàn)在大壩填筑施工完后趨于穩(wěn)定。
施工期,土壓力測(cè)值隨上部填土厚度增大而增大,其測(cè)值和儀器上部填土厚度相關(guān)性明顯,表明土壓力測(cè)值和其上部填土荷載有關(guān)。從穩(wěn)定后的結(jié)果來(lái)看,3個(gè)斷面的土壓力值,均是埋設(shè)于底部監(jiān)測(cè)側(cè)向壓力的測(cè)點(diǎn)數(shù)值最小,頂部監(jiān)測(cè)上覆土體自重應(yīng)力的測(cè)點(diǎn)次之,而以中部?jī)A斜埋設(shè)的測(cè)點(diǎn)數(shù)值最大,這說(shuō)明土壓力測(cè)值受填土厚度和觀(guān)測(cè)方向綜合影響,結(jié)果符合一般規(guī)律。
圖5 涵洞測(cè)縫計(jì)(2016-4-1~2021-5-1)
圖6 洞0+037土壓力計(jì)監(jiān)測(cè)(2014-4-1~2021-5-1)
本文介紹了某坐落在低液限粉土地基上放水涵洞的工程特點(diǎn)并根據(jù)工程特點(diǎn)采取的滲流觀(guān)測(cè)、涵洞與壩體接觸部位變形、涵洞結(jié)構(gòu)縫變形、土壓力計(jì)監(jiān)測(cè)等安全監(jiān)測(cè)手段。并根據(jù)多年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行和巡視檢查等運(yùn)行管理數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析研究,初步判斷水庫(kù)大壩和放水涵洞運(yùn)行狀態(tài)。
根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看水庫(kù)滲漏量較小,大壩滲流穩(wěn)定、正常;放水涵洞沒(méi)有滲水現(xiàn)象;位移計(jì)變化很小,涵洞與周?chē)馏w之間的變形受庫(kù)水位的影響變小,基本保持穩(wěn)定;涵洞段結(jié)構(gòu)縫測(cè)縫計(jì)工作正常,全年變化不超過(guò)0.03 mm。
綜合以上分析,大壩監(jiān)測(cè)設(shè)備齊全,壩體的監(jiān)測(cè)資料齊全,監(jiān)測(cè)資料變化規(guī)律正常,測(cè)值在規(guī)定的允許值內(nèi),運(yùn)行過(guò)程中無(wú)異常情況,大壩安全性態(tài)正常。