韓 記

(阜陽市潁泉水利建筑有限公司，安徽 阜陽 236000)

1 概述

我國已有各種大壩18600多座，其中100m以上的14座均為混凝土壩[1- 2]。我國大壩大多建于20世紀(jì)50—70年代，近些年來新建大壩較少，老化逐漸成為我國混凝土壩面臨的重要病害問題之一[3- 5]，因此延長現(xiàn)有混凝土壩的使用壽命或更換方案成為當(dāng)前水利工程管理中亟待解決的一項(xiàng)重要課題。大壩建設(shè)必須滿足行業(yè)指南和大壩安全法規(guī)規(guī)定的要求[6]，并且需要相關(guān)人員在現(xiàn)場持續(xù)監(jiān)測其狀況。目前，關(guān)于揚(yáng)壓力的監(jiān)測多應(yīng)用模型進(jìn)行分析。王曉蕾等[7]在實(shí)測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上建立了壩基揚(yáng)壓力與相關(guān)因子的逐步回歸模型，結(jié)果證明建立的模型模擬程度較好。劉冬臨[8]利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型定量研究各因子對揚(yáng)壓力的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該模型無法對非線性系統(tǒng)進(jìn)行模擬，預(yù)測精度難以保證。喻涵[9]利用逐步回歸分析、遺傳算法、模糊邏輯推理等方法對大壩統(tǒng)計(jì)模型進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)采用遺傳算法優(yōu)化的模型在擬合精度和預(yù)測精度上都要優(yōu)于逐步回歸模型。本文利用集成自動(dòng)監(jiān)測大壩揚(yáng)壓力，大大縮短了前期獲得實(shí)測數(shù)據(jù)的時(shí)間，再以混凝土壩結(jié)構(gòu)監(jiān)測為背景，給出了基于時(shí)域反射法(TDR)監(jiān)測揚(yáng)壓力的實(shí)例，并將揚(yáng)壓力應(yīng)用于基于概率模型的大壩結(jié)構(gòu)評估中。

研究使用設(shè)備是TDR100脈沖發(fā)生器和SDMX50同軸多路復(fù)用器。250mV的發(fā)射脈沖上升時(shí)間≤0.3ns，脈沖長度為14μs。一般來說，脈沖發(fā)生器的主要缺點(diǎn)是在預(yù)定義時(shí)間間隔內(nèi)對自動(dòng)測量的支持有限，而TDR100在一定程度上可以實(shí)現(xiàn)該功能。本研究主要目標(biāo)是開發(fā)軟件來控制揚(yáng)壓力監(jiān)測，并將其集成到常規(guī)的過程數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)中。

2 試驗(yàn)方法

2.1 結(jié)構(gòu)可靠性分析

常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和評估是基于總安全系數(shù)[10]，而不是基于對結(jié)構(gòu)行為和荷載不確定性的理解。這些設(shè)計(jì)概念的區(qū)別在于處理不確定性的方式。在常規(guī)設(shè)計(jì)過程中，必須使用較大的安全系數(shù)來確保實(shí)際達(dá)到所需的安全水平，從而導(dǎo)致資源的不經(jīng)濟(jì)使用。分項(xiàng)系數(shù)法考慮了荷載的可變性，在具有較高自然變化的荷載中使用較大的安全系數(shù)，使得設(shè)計(jì)更經(jīng)濟(jì)。

概率模型是通過監(jiān)測實(shí)際荷載和強(qiáng)度以及分析模型中的不確定性中獲得的信息引入決策過程。這對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)提供了更高的利用率，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不再是通用的，而是特定于對象的。結(jié)構(gòu)基于概率模型的評估提供了良好的決策支持，這是因?yàn)榭梢酝ㄟ^敏感性分析確定重要參數(shù)，剩余使用壽命可以表示為所需使用壽命的生存概率，而不是通過確定性分析得到是或否的答案。使用可靠性方法可以用于計(jì)算和評估現(xiàn)有大壩結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2.2 揚(yáng)壓力

揚(yáng)壓力通常是混凝土壩的主要荷載之一。上世紀(jì)30年代，揚(yáng)壓力被納入大壩設(shè)計(jì)中，但揚(yáng)壓力只能在有限點(diǎn)測量，難以進(jìn)行量化，因此設(shè)計(jì)假設(shè)趨于保守。本文采用理論模型來描述揚(yáng)壓力分布，結(jié)合相關(guān)混凝土壩揚(yáng)壓力測量值，發(fā)現(xiàn)將灌漿帷幕和排水孔線相結(jié)合，可以有效地降低揚(yáng)壓力。排水是減少揚(yáng)壓力的最有效方法，揚(yáng)壓力模型通常通過減少揚(yáng)壓力線性變化來處理排水溝的存在。然而，排水溝對裂縫中揚(yáng)壓力的影響尚不清楚。而灌漿帷幕對揚(yáng)壓力的影響需要結(jié)合后續(xù)措施，一旦缺失，灌漿帷幕降低揚(yáng)壓力的效果并不顯著。

目前，揚(yáng)壓力模型是基于巖體表現(xiàn)為多孔介質(zhì)假設(shè)的[11]。如果巖體存在裂縫，則通常認(rèn)為揚(yáng)壓力是均勻的，并與裂縫口處的揚(yáng)壓力相等。其次，研究表明裂縫內(nèi)的揚(yáng)壓力是裂縫張開度的函數(shù)，并且沿裂縫過程帶，該壓力從全儲(chǔ)層壓力降至零。在無裂縫區(qū)域，揚(yáng)壓力從大壩上游面的源頭到下游面的尾水呈線性變化。

隨著水庫水位的增加，揚(yáng)壓力呈指數(shù)變化。在不同的季節(jié)熱負(fù)荷和較高的水庫水位下，排水效率和相應(yīng)的揚(yáng)壓力分布無法以任何置信度來預(yù)測?？諝夂退募竟?jié)性溫度變化會(huì)給混凝土重力壩施加熱負(fù)荷，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)移到基礎(chǔ)層面，造成張力的變化?？傊?，水庫負(fù)荷和熱負(fù)荷會(huì)可能導(dǎo)致?lián)P壓力偏離大壩設(shè)計(jì)時(shí)的預(yù)期值。荷載變化對揚(yáng)壓力的影響程度主要取決于壩下形成流道的巖石節(jié)理的滲透性和地基處理的類型和程度。

2.3 用于監(jiān)測揚(yáng)壓力的TDR

TDR脈沖發(fā)生器以電壓隨時(shí)間變化快速上升階躍函數(shù)的形式生成脈沖，當(dāng)脈沖被傳輸?shù)酵S電纜時(shí)，能量會(huì)從沿其路徑的所有阻抗變化中反射出來。特定點(diǎn)處阻抗變化的量度是反射系數(shù)(ρ)，表示為入射階躍(Vi)上反射脈沖的幅度(Vr)。通過序列采樣建立了反射圖，以每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)上疊加測量值來平均信號(hào)，并增加測量時(shí)間抑制噪聲。

在水位應(yīng)用中，傳感器可以當(dāng)作空氣介質(zhì)電纜，允許水在內(nèi)部導(dǎo)體和屏蔽層之間的充氣空間上下移動(dòng)。在空氣-水界面處遇到的強(qiáng)反射導(dǎo)致了反射圖(如圖1所示)中出現(xiàn)一個(gè)尖銳的負(fù)向彎曲。隨著水位變化，反射圖沿x軸平行移動(dòng)與水位變化相等的距離。在本案例中，表觀水位是通過對測量特征應(yīng)用閾值方法來確定的，如圖1所示。該方法具有自動(dòng)化簡單、避免噪聲影響等優(yōu)點(diǎn)。在分析中，閾值與x軸平行，計(jì)算線與反射圖之間的交叉點(diǎn)被作為根據(jù)基準(zhǔn)采樣點(diǎn)校準(zhǔn)的表觀水位。

圖1 根據(jù)TDR數(shù)據(jù)確定表觀水位

為了評估水位傳感器是否適合現(xiàn)場安裝，并為軟件開發(fā)提供信息，本文在實(shí)驗(yàn)室中模擬了立管中測量的揚(yáng)壓力。一個(gè)垂直的有機(jī)玻璃管連接到分流供水系統(tǒng)中，建立揚(yáng)壓力模擬設(shè)置。剛性21.4mm固體屏蔽空氣介質(zhì)同軸電纜傳感器是最適合本研究的傳感器。電纜的相對傳播速度為0.92，從管的頂部開口端插入，并連接到TDR100。在實(shí)驗(yàn)中，先充水至基準(zhǔn)面，然后升高，再降低至基準(zhǔn)時(shí)進(jìn)行TDR監(jiān)測。實(shí)際水位由手動(dòng)標(biāo)尺讀數(shù)確定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)中測量水位(WL)的結(jié)果

初始水位下的測量結(jié)果如圖2所示，隨后在降低水位下進(jìn)行測量，然后再次升高至初始水位。每個(gè)數(shù)據(jù)集代表一個(gè)由4次重復(fù)測量疊加而成的信號(hào)，反射系數(shù)為-0.1時(shí)對應(yīng)的交點(diǎn)處解釋了試驗(yàn)空氣-水界面反射的距離。基于112次測量下3種不同水位的變異系數(shù)(COV)≤0.0020m。將相對水位變化與標(biāo)尺讀數(shù)從基準(zhǔn)面到低水位，以及從低水位回到基準(zhǔn)面進(jìn)行比較，結(jié)果差值分別為-0.4mm和+1.2mm(見表1)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法適用于水位自動(dòng)測定，精度<2mm。對于揚(yáng)壓力測量，這種精度是足夠的。

圖2 基于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的TDR數(shù)據(jù)自動(dòng)解釋水位的結(jié)果

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

本案例研究位于丹江口135m長的重力壩，如圖3所示，大壩建在傾斜的花崗巖表面上。在進(jìn)行混凝土施工前，沿大壩上游面設(shè)置2排灌漿帷幕以降低揚(yáng)壓力。調(diào)查僅限于15根混凝土柱中的1根，這些混凝土柱都通過泄水閘連接。立柱的上游面高度為6.8m。

揚(yáng)壓力采樣點(diǎn)是基于與混凝土結(jié)構(gòu)隔離的開放式立管系統(tǒng)，如圖3(b)所示，立管中的水僅代表地基水流量。立管有一個(gè)填沙器，從混凝土-巖石界面延伸到巖石中約0.5m。安裝的塑料管起到立管(φ30mm)的作用，將取樣點(diǎn)與潛在的混凝土水通量隔離，管材和混凝土之間的空隙被膠結(jié)。

圖3 (a)丹江口大壩的總圖；(b)揚(yáng)壓力采樣點(diǎn)的主要設(shè)計(jì)；(c)被調(diào)查柱的橫截面(單位：m)

包括水庫水位監(jiān)測在內(nèi)，調(diào)查共涉及5個(gè)采樣點(diǎn)。最靠近立柱下游側(cè)的點(diǎn)表示為BH1，其次是BH2、BH3和BH4點(diǎn)，BH4點(diǎn)靠近上游面。第5點(diǎn)是1根立管，直接放入到水庫中并固定在柱子上。使用TDR100脈沖發(fā)生器每隔15min進(jìn)行測量(在某些時(shí)間段中每30min進(jìn)行1次)，立管中觀測的水位代表某一時(shí)刻的揚(yáng)壓力。鉆孔垂直于水庫(沿著立柱中心線)，鉆孔位置設(shè)置了2個(gè)測點(diǎn)，這2個(gè)測點(diǎn)對揚(yáng)壓力分布的影響最大，如圖3(c)所示。當(dāng)巖石表面傾斜時(shí)，鉆孔深度隨著與儲(chǔ)層的距離而增加。鉆孔顯示整體混凝土質(zhì)量較高。

利用數(shù)碼相機(jī)測井，對所有4個(gè)鉆孔的混凝土-巖石部分進(jìn)行了成像測井。鉆孔和成像測井均顯示巖石破裂，這在上游最為明顯。4號(hào)孔(BH4)位于灌漿帷幕附近，預(yù)計(jì)會(huì)遇到灌漿。從BH4成像測井可以看出，巖石節(jié)理受到了淋濾的影響。在地基的下游，巖石質(zhì)量及其與混凝土的接觸都有改善的趨勢。該部分對已有裂縫仍采用水泥漿填充。測井曲線還顯示，竣工柱高度與施工圖紙不同，這對測量的揚(yáng)壓力有影響。

4 揚(yáng)壓力監(jiān)測結(jié)果

4.1 不同橫截面處的揚(yáng)壓力變化

前7個(gè)月的揚(yáng)壓力測量結(jié)果如圖4所示。由于在使用TDR100時(shí)遇到的實(shí)際問題，某些時(shí)期缺乏數(shù)據(jù)。立管中測得的表觀水位(以立柱頂部為基準(zhǔn))已根據(jù)電傾角計(jì)手動(dòng)測量的結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)。此后，利用鉆孔和鉆孔成像的數(shù)據(jù)將距離轉(zhuǎn)換為水位高程，得到一個(gè)代表采樣點(diǎn)真實(shí)揚(yáng)壓力的值。在圖4中，揚(yáng)壓力也考慮了不斷變化的上游水位，并以水位的百分比表示。圖中未顯示BH1的揚(yáng)壓力數(shù)據(jù)，這是由于測量的揚(yáng)壓力始終為零。

圖4 7個(gè)月內(nèi)BH2、BH3和BH4揚(yáng)壓力監(jiān)測結(jié)果

考慮到標(biāo)準(zhǔn)模型假設(shè)從上游面到下游側(cè)的揚(yáng)壓力呈線性下降，BH4的揚(yáng)壓力最高，BH3和BH2的揚(yáng)壓力值較低。此設(shè)置在10月的幾天內(nèi)是正確的，但在立柱的中心部分(BH2)發(fā)現(xiàn)最高揚(yáng)壓力時(shí)，則相反。這是因?yàn)椋孩傺貎A斜基巖不斷增加會(huì)產(chǎn)生額外的揚(yáng)壓力。②盡管帷幕深8m，但仍存在與儲(chǔ)層接觸的巖石裂縫，其影響明顯受溫度控制。

與BH3和BH4相比，BH2的揚(yáng)壓力相對穩(wěn)定，BH3和BH4從6月開始出現(xiàn)顯著的低揚(yáng)壓力，之后隨著氣溫的降低，在秋季出現(xiàn)穩(wěn)定增加。8月中旬，在高氣溫之后，揚(yáng)壓力會(huì)出現(xiàn)短暫的下降。在12月和1月，出現(xiàn)了上升波動(dòng)。觀測結(jié)果表明，冬季揚(yáng)壓力的COV隨著與水庫距離的增加而減小。

4.2 水庫水頭對揚(yáng)壓力的影響

通過在12:00、14:00和16:00打開溢流閘時(shí)揚(yáng)壓力的變化如圖5所示。在每次事件之后，溢流閘門打開大約30min，水頭慢慢穩(wěn)定在5.4m左右。從圖中可以看出，在第1個(gè)事件期間，水頭下降了0.4m，且測量間隔時(shí)間越短，壓力峰值可能越大。立柱中部的增幅大于其上游部分，這再次表明水庫和立柱的中間部分之間存在連接，而與立柱的上游部分沒有這種連接。第2個(gè)和第3個(gè)分接頭處的水頭下降較小，相應(yīng)的揚(yáng)壓力變化幅度也較小。在17:00時(shí)，揚(yáng)壓力穩(wěn)定下來。

圖5 3次反復(fù)降低和增加水庫水頭時(shí)對揚(yáng)壓力的影響

在采樣點(diǎn)之間，揚(yáng)壓力響應(yīng)沒有隨時(shí)間變化的趨勢，即對水庫水位變化的響應(yīng)在所有3個(gè)點(diǎn)都是即時(shí)的。揚(yáng)壓力數(shù)據(jù)序列之間的相關(guān)分析表明，BH3和BH4的相關(guān)系數(shù)為96%，BH2和BH4的相關(guān)系數(shù)為70%。值得注意的是，水庫水位與揚(yáng)壓力沒有很好的相關(guān)性(10～20%)，因?yàn)樗^降低對揚(yáng)壓力有相反的影響(如圖5—6所示)。在秋季和冬季，揚(yáng)壓力變化幅度偶爾會(huì)出現(xiàn)快速變化。隨著氣溫的降低，BH3和BH4的揚(yáng)壓力變化穩(wěn)步增加。在11月22日達(dá)到峰值的同時(shí)，BH2的揚(yáng)壓力突然從2m降至略低于1.5m，與這種情況相對應(yīng)的是氣溫的上升。BH3和BH4的揚(yáng)壓力相對穩(wěn)定地下降了近1個(gè)月，而BH2的揚(yáng)壓力保持不變，直到12月初再次突然跳回較高的揚(yáng)壓力水平。這是因?yàn)楫?dāng)應(yīng)力狀態(tài)超過閾值時(shí)，基巖中節(jié)理的溫度控制開啟和關(guān)閉改變了節(jié)理的水流狀態(tài)。

4.3 不同揚(yáng)壓力分布情況

綜上所述，使用目前模型估計(jì)的揚(yáng)壓力與現(xiàn)場實(shí)際測量的壓力之間沒有相關(guān)性。存在差異是出于安全考慮，但不適用于由于灌漿帷幕導(dǎo)致?lián)P壓力減少50%的假設(shè)。敏感性分析結(jié)果表明，揚(yáng)壓力分布對結(jié)構(gòu)的安全性有很大影響。所研究的極限狀態(tài)分為傾覆狀態(tài)和滑動(dòng)狀態(tài)，并建立了極限狀態(tài)方程，如下：

MR-MS<0

(1)

(2)

式中，MR—阻力，N；MS—驅(qū)動(dòng)力矩，N/m；tanδg—摩擦系數(shù)；H、V—產(chǎn)生的水平力、垂直力，N；θ—滑動(dòng)面的角度，(°)。滑動(dòng)的極限狀態(tài)方程直接取自我國大壩設(shè)計(jì)要求，由于粘聚力特性存在很大的不確定性，因此不考慮巖石和混凝土之間的粘聚力。

圖6 11月中旬至1月中旬期間測量的水庫水位和氣溫變化

5種不同揚(yáng)壓力分布情況的分析比較如圖7所示。案例1：在設(shè)計(jì)中，假設(shè)揚(yáng)壓力呈線性遞減。但花崗巖的地基不滿足這一假設(shè)，因?yàn)槠洳皇嵌嗫捉橘|(zhì)。案例2：大壩下游地勢陡傾，下游水位低于壩趾約8m。在常規(guī)設(shè)計(jì)中，很少考慮壩趾以下的水位，但此案例假定揚(yáng)壓力從上游水位到下游水位呈線性變化，從而導(dǎo)致混凝土-巖石界面的揚(yáng)壓力在壩下的“零點(diǎn)”等于零，此情況也被稱為“下游水的真實(shí)位置”。案例3、4：同時(shí)考慮壩趾下游水位(3)及其實(shí)際位置(4)。案例5：分析了實(shí)際測量的揚(yáng)壓力。理想情況下，計(jì)算出的安全指數(shù)應(yīng)基于最大年度揚(yáng)壓力的統(tǒng)計(jì)分布。由于數(shù)據(jù)集較短，每個(gè)采樣點(diǎn)最大實(shí)測揚(yáng)壓力的正態(tài)分布被用作平均值，假設(shè)COV為20%。在案例1-4中假設(shè)該不確定性為對數(shù)正態(tài)分布，平均值為1，COV為0.15，見表2。在案例5(監(jiān)測結(jié)果)中，預(yù)計(jì)各鉆孔之間的揚(yáng)壓力呈線性變化。從安全的角度來看，所有鉆孔會(huì)同時(shí)出現(xiàn)高揚(yáng)壓力。

圖7 (a)大壩上的作用力；(b)揚(yáng)壓力分布

表2 可靠性分析中使用的最大實(shí)測揚(yáng)壓力和COV

使用一階可靠性方法和軟件計(jì)算安全指數(shù)。案例1—5在不同荷載條件下的安全指數(shù)見表3。

表3 安全指數(shù)計(jì)算結(jié)果

為了達(dá)到正確的目標(biāo)安全指數(shù)(β目標(biāo))，還需考慮所分析案例的發(fā)生概率。1級被認(rèn)為是“一直”狀態(tài)。2級可能是雷雨期間發(fā)電站機(jī)組停運(yùn)造成的回水，根據(jù)運(yùn)行人員的說法為“每年發(fā)生幾次”，因此P(2級)≈1/年。3級在20年內(nèi)發(fā)生過2次，因此P(3級)≈0.1/年。因此，得到的目標(biāo)安全指數(shù)為β目標(biāo)，正常=4.8，β目標(biāo)，異常=4.8和β目標(biāo)，極端=4.25。

結(jié)果表明，與考慮實(shí)測揚(yáng)壓力數(shù)據(jù)的情況(案例5)相比，常規(guī)揚(yáng)壓力分布(案例1)嚴(yán)重低估了穩(wěn)定性，即監(jiān)測增加了有價(jià)值的信息。此外，分析表明采用常規(guī)揚(yáng)壓力處理的竣工立柱在傾覆方面是安全的，但在滑動(dòng)方面不滿足安全要求?？紤]尾水位的情況下(案例2)，滑動(dòng)極限狀態(tài)計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果較為接近。但本研究結(jié)果表明，使用監(jiān)測結(jié)果，該柱仍然滿足要求。

顯然，揚(yáng)壓力分布的假設(shè)對穩(wěn)定性評估至關(guān)重要。為了從結(jié)構(gòu)可靠性分析中獲得可靠的輸出，需要改進(jìn)揚(yáng)壓力假設(shè)模型的不確定性。對于未滿足設(shè)計(jì)指南穩(wěn)定性要求的大壩結(jié)構(gòu)，使用特定對象信息進(jìn)行結(jié)構(gòu)可靠性分析可以表明該結(jié)構(gòu)足夠安全。長期監(jiān)測將提供揚(yáng)壓力值和揚(yáng)壓力變化的重要信息，在結(jié)構(gòu)可靠性分析中可以正確引入該信息。這些信息減少了不確定性，也有助于發(fā)現(xiàn)影響穩(wěn)定性的揚(yáng)壓力變化。

5 總結(jié)

本研究從開發(fā)自動(dòng)揚(yáng)壓力分析軟件，實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場的方法論證和提升數(shù)據(jù)集在可靠性安全分析中的應(yīng)用等3個(gè)方面的論證，得出以下結(jié)論：

(1)地基上的附加荷載可以在一定程度上封閉淺層裂縫系統(tǒng)，會(huì)導(dǎo)致大壩下游揚(yáng)壓力暫時(shí)增加。

(2)灌漿填充裂縫的最佳時(shí)期應(yīng)為秋季。

(3)與實(shí)測揚(yáng)壓力數(shù)據(jù)相比，常規(guī)的揚(yáng)壓力分布嚴(yán)重低估了穩(wěn)定性。

(4)長期監(jiān)測有利于獲得揚(yáng)壓力分布和變化的重要數(shù)據(jù)。

本文開發(fā)的基于TDR的揚(yáng)壓力監(jiān)測，在結(jié)構(gòu)可靠性分析中可正確提供大量的可用數(shù)據(jù)，為大壩工程決策提供了判斷依據(jù)。但仍出現(xiàn)異常情況的揚(yáng)壓力值，無法保證完全的準(zhǔn)確性。