翟行東

(浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002)

水庫(kù)大壩在水力發(fā)電、防洪排澇等方面起到的作用十分重大，其建設(shè)工程也越來(lái)越多[1]。在為人類創(chuàng)造顯著社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固工程的安全事故頻發(fā)，對(duì)民眾的生命財(cái)產(chǎn)安全造成了很大影響。新中國(guó)成立后，先后發(fā)生石漫灘水庫(kù)、板橋水庫(kù)等大型水庫(kù)的大壩除險(xiǎn)加固施工安全事故，造成了嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。通過(guò)分析總結(jié)，發(fā)現(xiàn)大壩除險(xiǎn)加固施工安全事故的發(fā)生原因一是施工管理不到位，工程管理水平不高，特別是缺少經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)人員；二是安全監(jiān)測(cè)體系不夠完善，在施工安全監(jiān)測(cè)中沒(méi)有應(yīng)用先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備[2]。事實(shí)上，水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固施工安全問(wèn)題不僅與大壩除險(xiǎn)加固效果有關(guān)，更與大壩的安全以及下游人民的安全息息相關(guān)，甚至與上下游生態(tài)環(huán)境相關(guān)[3]。因此，對(duì)水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固施工安全進(jìn)行監(jiān)測(cè)有著非凡的意義。各國(guó)一直都非常重視水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固施工安全監(jiān)測(cè)問(wèn)題的研究，在研究中應(yīng)用了多種技術(shù)，包括無(wú)人機(jī)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、GPS技術(shù)等，并進(jìn)行了多方面的實(shí)踐。通過(guò)實(shí)施水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固施工安全監(jiān)測(cè)，能夠保障除險(xiǎn)加固施工取得良好的施工效果，有著長(zhǎng)遠(yuǎn)的意義。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法由于監(jiān)測(cè)效果差并且需要大量人力，已逐漸被新型監(jiān)測(cè)方法取代?，F(xiàn)借鑒已有研究成果，應(yīng)用可靠性理論，設(shè)計(jì)一種新的監(jiān)測(cè)方法。

1 基于可靠性理論的水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固施工安全監(jiān)測(cè)方法設(shè)計(jì)

1.1 施工安全數(shù)據(jù)采集

采集水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固施工安全數(shù)據(jù)，具體包括施工環(huán)境量數(shù)據(jù)與施工中的壩體變形數(shù)據(jù)[4]。其中施工環(huán)境量數(shù)據(jù)的采集過(guò)程具體如下：

通過(guò)自動(dòng)監(jiān)測(cè)方式實(shí)施水位數(shù)據(jù)的采集，在大壩尾水處與進(jìn)水口處各安裝1個(gè)液位傳感器，實(shí)時(shí)采集1天中的大壩水位數(shù)據(jù)。

通過(guò)人工方式采集船閘與壩頂?shù)拇髿鉁囟?，每天進(jìn)行3次溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集。

施工中的壩體變形數(shù)據(jù)采集過(guò)程具體如下：于壩頂對(duì)視準(zhǔn)線進(jìn)行布設(shè)，在該視準(zhǔn)線上布設(shè)多個(gè)測(cè)點(diǎn)并進(jìn)行編號(hào)，保證各測(cè)點(diǎn)之間有著相同的距離[5]。通過(guò)記錄測(cè)點(diǎn)的水位數(shù)據(jù)，獲取壩體水平位移數(shù)據(jù)。

在壩頂水平位移數(shù)據(jù)的獲取中，使用的觀測(cè)儀器為RTS-852全站儀，具體觀測(cè)步驟如下。

(1)在中間測(cè)點(diǎn)對(duì)儀器進(jìn)行架設(shè)，架設(shè)位置為觀測(cè)基墩上面的強(qiáng)制對(duì)中裝置上。首先對(duì)圓水準(zhǔn)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，使儀器實(shí)現(xiàn)粗平，接著對(duì)管水準(zhǔn)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，使儀器實(shí)現(xiàn)精平。調(diào)平儀器后，使豎盤(pán)位于觀測(cè)者左邊，開(kāi)啟儀器的角度測(cè)量模式，照準(zhǔn)大壩尾部的工作基點(diǎn)，對(duì)該方向進(jìn)行設(shè)置，記錄水平度盤(pán)讀數(shù)。

(2)照準(zhǔn)離尾部工作基點(diǎn)最近的測(cè)點(diǎn)，對(duì)目標(biāo)的水平度盤(pán)讀數(shù)進(jìn)行讀取，實(shí)現(xiàn)該點(diǎn)的半個(gè)測(cè)回。此時(shí)兩讀數(shù)的差值是盤(pán)左位置的對(duì)應(yīng)半測(cè)回角值。

(3)對(duì)全站儀進(jìn)行縱向轉(zhuǎn)動(dòng)，使豎盤(pán)位于觀測(cè)者右邊，照準(zhǔn)該測(cè)點(diǎn)，對(duì)讀數(shù)進(jìn)行記錄。

(4)接著照準(zhǔn)尾部的工作基點(diǎn)，對(duì)讀數(shù)進(jìn)行讀取與記錄。此時(shí)兩讀數(shù)的差值是盤(pán)右位置的對(duì)應(yīng)半測(cè)回角值。

由此完成該測(cè)點(diǎn)的第1個(gè)測(cè)回。此時(shí)取兩個(gè)半測(cè)回角值的平均值，獲取第1測(cè)回的對(duì)應(yīng)1測(cè)回角值。對(duì)該測(cè)點(diǎn)進(jìn)行4個(gè)測(cè)回并取4次的平均值，獲取該點(diǎn)的偏離角度。通過(guò)同樣的方法對(duì)各個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行依次觀測(cè)[6]。

接著實(shí)施距離測(cè)量：將全站儀在該點(diǎn)棱鏡中心照準(zhǔn)安置，按儀器測(cè)距鍵，通過(guò)儀器獲取平距讀數(shù)。共進(jìn)行4次測(cè)量，取其平均值。通過(guò)同樣的方法對(duì)各個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行依次測(cè)量。

根據(jù)各測(cè)點(diǎn)測(cè)得的偏離角度與平距讀數(shù)數(shù)據(jù)對(duì)壩頂水平位移數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

在船閘邊墻實(shí)際水平位移數(shù)據(jù)的獲取中，于船閘左右邊墻上對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)稱布設(shè)[7]。同樣使用RTS-852全站儀作為觀測(cè)儀器，以某監(jiān)測(cè)點(diǎn)為例，具體觀測(cè)步驟如下。

(1)該觀測(cè)需要通過(guò)2個(gè)工作基點(diǎn)來(lái)完成，在大壩堅(jiān)硬基巖上對(duì)該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的2個(gè)觀測(cè)工作基點(diǎn)進(jìn)行埋設(shè)，用XH13、XH10來(lái)表示。

(2)在XH13觀測(cè)工作基點(diǎn)上架設(shè)全站儀，在強(qiáng)制對(duì)中裝置上正確安裝儀器后，調(diào)節(jié)儀器使其實(shí)現(xiàn)粗平和精平。通過(guò)同樣的方式獲取盤(pán)左位置和盤(pán)右位置的對(duì)應(yīng)半測(cè)回角值。

(3)由此實(shí)現(xiàn)第1個(gè)測(cè)回，取2個(gè)半測(cè)回角值的平均值作為第1個(gè)測(cè)回的對(duì)應(yīng)測(cè)回角值。獲取該監(jiān)測(cè)點(diǎn)4次測(cè)回的平均值，從而獲取其偏離角度，將該值轉(zhuǎn)化為弧度值。

(4)以前方交會(huì)法為依據(jù)，還需要對(duì)另1個(gè)觀測(cè)工作基點(diǎn)XH10進(jìn)行4次測(cè)回，并將4次測(cè)試的平均值轉(zhuǎn)化為弧度值。

(5)實(shí)施距離測(cè)量后對(duì)船閘邊墻水平位移數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

1.2 施工三維模型構(gòu)建

采用Abaqus有限元軟件構(gòu)建大壩除險(xiǎn)加固施工三維模型[8]。模型構(gòu)建流程具體如下。

(1)獲取大壩除險(xiǎn)加固施工圖紙，確定大壩幾何形狀，在Abaqus有限元軟件中導(dǎo)入其施工CAD圖紙。

(2)以大壩草圖部件和幾何形狀為依據(jù)，對(duì)大壩除險(xiǎn)加固施工三維模型進(jìn)行初步組裝和構(gòu)建，并對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行合理劃分。

(3)確定本構(gòu)和所建模型的關(guān)系，與工程實(shí)際相結(jié)合對(duì)材料參數(shù)進(jìn)行確定。根據(jù)材料參數(shù)和構(gòu)建的施工三維模型決定外在作用對(duì)模型的影響方式。

(4)結(jié)合施工工程實(shí)際和構(gòu)建模型，考慮施工中的環(huán)境因素，對(duì)外荷載作用和邊界條件進(jìn)行確定。在土坡側(cè)面、土坡底部、壩體底部均采用3個(gè)方向?qū)?yīng)的唯一約束。

其中材料參數(shù)的確定具體如下：選用無(wú)厚度Goodman單元對(duì)施工中壩基與壩體之間的接觸關(guān)系進(jìn)行描述。壩體采用的混凝土材料為C15埋石[9]。

通過(guò)線彈性模型對(duì)壩體混凝土基座和基巖進(jìn)行計(jì)算[10]。其中線彈性模型中的計(jì)算參數(shù)取值具體見(jiàn)表1。

表1 線彈性模型中的計(jì)算參數(shù)取值

壩體材料和壩基地層滲透參數(shù)的取值具體見(jiàn)表2。

表2 壩體材料和壩基地層滲透參數(shù)的取值

就此完成大壩除險(xiǎn)加固施工三維模型的構(gòu)建，在模型中輸入采集的施工安全數(shù)據(jù)。

1.3 水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固施工安全監(jiān)測(cè)

設(shè)計(jì)一種水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固施工安全監(jiān)測(cè)平臺(tái)，平臺(tái)由5個(gè)模塊構(gòu)成，分別為應(yīng)用對(duì)象模塊、三維模型模塊、可靠性分析模塊、應(yīng)用軟件模塊、用戶層模塊[11]。

設(shè)計(jì)的水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固施工安全監(jiān)測(cè)平臺(tái)的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)的水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固施工安全監(jiān)測(cè)平臺(tái)

用戶層模塊面向3種群體，其中政府機(jī)構(gòu)可以對(duì)該地區(qū)水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固施工工程進(jìn)行安全監(jiān)管；大壩管理員可對(duì)施工中的問(wèn)題及質(zhì)量狀況進(jìn)行查看；平臺(tái)管理員可以對(duì)平臺(tái)的配置功能進(jìn)行使用[12]。

應(yīng)用軟件模塊通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)軟件與數(shù)據(jù)解析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理、分析，獲取施工安全監(jiān)測(cè)的相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)施工安全評(píng)估、決策預(yù)警等功能[13]。

可靠性分析模塊是基于可靠性理論設(shè)計(jì)的，其中大壩除險(xiǎn)加固施工安全可靠概率的計(jì)算公式具體如下：

(1)

式中，f(x1，x2，…，xi)—大壩除險(xiǎn)加固施工安全基本隨機(jī)變量的對(duì)應(yīng)概率函數(shù)[14]。

大壩除險(xiǎn)加固施工安全失效概率的計(jì)算公式具體如下：

(2)

施工安全可靠概率與施工安全失效概率呈互補(bǔ)關(guān)系，具體如下式所示：

Pa+Pf=1

(3)

三維模型模塊能夠與Abaqus有限元軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)互傳與三維交互，是平臺(tái)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模塊[15]。

應(yīng)用對(duì)象模塊主要是以水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固施工中的水位、變形、沉降以及其他環(huán)境的變化為監(jiān)測(cè)對(duì)象[16]。

2 施工安全監(jiān)測(cè)工程案例分析

2.1 工程情況

利用設(shè)計(jì)的基于可靠性理論的水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固施工安全監(jiān)測(cè)方法對(duì)某水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固工程進(jìn)行案例分析。該水庫(kù)的流域面積可達(dá)56.38km2，是一座主要職能為灌溉、兼?zhèn)漯B(yǎng)殖、防洪作用的中型水庫(kù)。

在大壩除險(xiǎn)加固施工中，對(duì)大壩加設(shè)了塑性砼防滲心墻，并對(duì)壩基再次實(shí)施帷幕灌漿。在上游壩坡加設(shè)干砌塊石進(jìn)行護(hù)坡，在82.30m高程處加設(shè)2.00m寬的馬道，在下游壩坡增加護(hù)坡草皮。該大壩已經(jīng)經(jīng)過(guò)了多次的除險(xiǎn)加固施工，并多次發(fā)生安全事故，因此展開(kāi)該大壩的除險(xiǎn)加固施工安全監(jiān)測(cè)。

2.2 大壩表面變形監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

利用設(shè)計(jì)的方法對(duì)該大壩實(shí)施表面變形監(jiān)測(cè)，首先對(duì)該大壩施工時(shí)8個(gè)壩段分縫處的接縫變形量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具體監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖2所示。

圖2 接縫變形量監(jiān)測(cè)結(jié)果

根據(jù)圖2接縫變形量監(jiān)測(cè)結(jié)果，8個(gè)壩段分縫處的接縫變形量最小是0.10mm，最大是0.24mm?？梢园l(fā)現(xiàn)通過(guò)設(shè)計(jì)方法能夠?qū)崿F(xiàn)大壩除險(xiǎn)加固工程施工中的接縫變形量監(jiān)測(cè)，對(duì)于大壩表面變形監(jiān)測(cè)有積極意義。

接著監(jiān)測(cè)施工時(shí)大壩壩頂幾處重要位置的應(yīng)力變化數(shù)據(jù)，具體監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖3所示。

圖3 應(yīng)力變化監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖3應(yīng)力變化監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)大壩除險(xiǎn)加固工程在施工中應(yīng)力是呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)的，表明施工中存在大壩表面變形風(fēng)險(xiǎn)。說(shuō)明通過(guò)設(shè)計(jì)方法能夠?qū)崿F(xiàn)大壩除險(xiǎn)加固工程施工中的應(yīng)力變化監(jiān)測(cè)，說(shuō)明設(shè)計(jì)方法有著良好的安全監(jiān)測(cè)能力。

2.3 揚(yáng)壓力與滲壓水位監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

利用設(shè)計(jì)方法對(duì)實(shí)驗(yàn)大壩施工中壩段1橫向觀測(cè)面、壩段2橫向觀測(cè)面以及大壩縱向觀測(cè)面的楊壓力與滲壓水位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具體監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4 楊壓力與滲壓水位監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖4的楊壓力與滲壓水位監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)大壩施工中壩段1橫向觀測(cè)面、壩段2橫向觀測(cè)面的楊壓力與滲壓水位監(jiān)測(cè)值較低；大壩縱向觀測(cè)面的楊壓力與滲壓水位監(jiān)測(cè)值較高，表明施工中大壩橫向觀測(cè)面比縱向觀測(cè)面穩(wěn)定。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)方法能夠?qū)崿F(xiàn)大壩除險(xiǎn)加固施工中的楊壓力與滲壓水位監(jiān)測(cè)。

2.4 繞壩滲流滲壓監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

利用設(shè)計(jì)方法對(duì)大壩施工中繞壩滲流孔的繞壩滲流滲壓值進(jìn)行監(jiān)測(cè)。左右兩岸監(jiān)測(cè)值具體如圖5所示。

圖5 左右兩岸監(jiān)測(cè)值

根據(jù)左右兩岸的繞壩滲流滲壓值監(jiān)測(cè)值數(shù)據(jù)，大壩施工中左岸繞壩滲流滲壓值的平均值在112.36kPa左右，右岸繞壩滲流滲壓值的平均值在118.63kPa左右；左岸繞壩滲流滲壓值的變幅最大為達(dá)到78.63kPa，右岸繞壩滲流滲壓值的變幅最大達(dá)到77.23kPa。說(shuō)明通過(guò)設(shè)計(jì)方法能夠?qū)崿F(xiàn)大壩施工中繞壩滲流孔的繞壩滲流滲壓值的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。

綜合全部實(shí)驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)方法的安全監(jiān)測(cè)性能良好，能夠滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

3 結(jié)束語(yǔ)

水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固工程作為消除大壩本身的安全隱患，提高水利工程的運(yùn)行安全系數(shù)是十分必要的，我國(guó)在上一輪水利工程高潮期中所新建的各類水庫(kù)的運(yùn)行年限已十分久遠(yuǎn)，每年在水庫(kù)大壩安全鑒定中出現(xiàn)的不合格率逐年攀升，從而導(dǎo)致近年來(lái)水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固項(xiàng)目量激增。但是除險(xiǎn)加固工程在施工過(guò)程中難免會(huì)對(duì)大壩本體產(chǎn)生新的擾動(dòng)及其他不利影響，故施工行為進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)是必不可少的。本文在對(duì)水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固施工安全監(jiān)測(cè)問(wèn)題進(jìn)行研究的過(guò)程中，對(duì)以往方法進(jìn)行總結(jié)，設(shè)計(jì)了一種新的監(jiān)測(cè)方法，并對(duì)可靠性理論進(jìn)行了綜合應(yīng)用。今后在該研究成果基礎(chǔ)上，開(kāi)展更加深入、精細(xì)的研究。