丰满大坝厂房加固安全监测系统观测资料分析

李作光

（丰满发电厂,吉林 吉林 132108）

丰满发电厂是我国第一座大型水电站,一期厂房位于右岸,为坝后式厂房,20世纪80年代后,工程经多次改造和扩建,发电厂房进行了二、三期的扩建。2009年1月12日,一期厂房7号、8号机附近的2号、3号钢屋架下弦杆出现无预兆断裂破坏,个别腹杆发生断裂及压弯破坏。同时1～4号钢屋架之间的垂直支撑由于屋架下沉造成个别杆件弯曲,情况十分危急。需对厂房排架以及排架柱结构进行监测,及时查明和预警厂房加固过程中及运行期间的安全隐患,分析预报厂房施工期和运行期安全。

1 安全监测项目

a.排架结构的应力应变监测

监测厂房排架结构中杆件的应力应变增量变化,了解排架的受力情况,为厂房安全运行监控提供依据。

b.厂房边墙和排架立柱相对变形监测

监测厂房排架所在的上下游边墙（上下游立柱）之间的相对位移量,分析厂房运行期的变形过程和整体稳定情况。

c.外包钢加固后杆件的应力应变监测

监测厂房立柱加固后的应力应变状态,及时分析加固后排架立柱的运行稳定情况。

d.厂房立柱倾斜角度监测

监测厂房排架立柱和边墙的倾斜变形情况,分析厂房结构的安全稳定状态。

e.锚索张拉力及应力监测

监测锚索的受力情况和应力松弛状况,分析厂房结构的安全稳定状态,及时调整和控制锚索的张拉力。

f.施工期收敛监测

厂房共有20个排架,其中有14个排架没有进行安全监测,考虑厂房结构安全,需要在锚索施工张拉期间进行厂房边墙变形监测,分析在锚索张拉期间厂房结构稳定情况。

2 监测系统

a.锚索应力监测

本次加固的主要方案是通过锚索来承受载荷,因此,准确及时掌握锚索的内力及其变化特征,可以推测厂房结构受力变化。

b.变形监测

结构变形是结构状态改变最灵敏、最精确的反映,因此,对结构变形的监测能够更准确地把握结构恒载内力状态改变。另外,部分结构损伤也将导致变形情况的异常,通过对变形的监测也可识别出这些损伤。因此结构变形的监测对于内力状态及损伤识别均有重要意义。

c.应力应变监测

结构应力是判断结构安全最直接的指标,因此,对于应力异常变化应给予足够重视,并结合环境、变形等其它监测结果来综合判定结构状态是否处于安全及可控的应变范围。

d.倾斜监测

由于厂房上下游边墙属于高边墙结构,在锚索张拉及施工运行期间,厂房排架立柱和边墙的倾斜应给予高度重视,并结合变形及应力监测结果互相验证,综合判定结构状态是否处于安全稳定状态。

e.温度监测

结构温度对结构的应力和变形具有显著的影响,是监测的重要内容。通过实时监测厂房内外的环境温度、厂房各主要构件的温度及温度梯度等数据,为分析结构的受力和变形、分析结构状态参数的相关性提供依据。

3 监测仪器布置

根据加固设计方案与厂房实际破坏情况,以及应急监测成果,监测一期厂房1～8号机之间的厂房结构安全,监测仪器布置在1号、3号、4号、11号、16号排架上,如图1～图3所示,共布置5个断面进行监测。在厂房下列位置布置仪器。

a.排架的应变监测

在1～8号机组之间选择5个排架,布置在1号、3号、4号、11号和16号排架上。在选择的每个排架上布置12支应变计,以上游侧的上弦杆和下弦杆为主,斜拉杆为辅,共计选择5个排架进行监测,布置60支应变计。

b.厂房边墙和排架立柱相对变形监测

在选择的5个排架所在的监测断面,每个监测断面靠近排架下部布置1套振弦式收敛计,监测厂房边墙和排架立柱运行期间的相对位移变化,共计布置5套振弦式收敛计。

c.外包钢的应变监测

在工程排架所在的监测断面,上下游立柱外包钢外侧布置2支应变计,共布置4支应变计。

d.锚索拉力监测

因原排架材质性能指标较低,材料呈脆性老化,考虑厂房排架安全,在厂房5个排架10束锚索布置40支钢索测力计,共计40支钢索测力计。

e.厂房立柱倾斜角度监测

在10号、14号排架所在的小立柱和大立柱上布置倾斜仪,小立柱上布置1支,大立柱上布置1支,每个断面4支,共布置2个断面8支倾斜仪。其中2号、3号、4号排架应急监测时已安装倾斜仪,本次监测不再安装。

f.温度监测

在厂房3号排架上下游小立柱边墙内外侧各布置2个温度计,共布置4个。

4 安全监测自动化

根据本工程规模和特点,自动化监测系统由监测仪器、数据采集装置（MCU）、通信装置、监测计算机及外部设备、数据采集软件、信号及控制线路、通信光缆及电源线路等组成。

为便于集中管理,将自动化监测采集装置（MCU）均就近布置在相应的排架附近,MCU采集信号无线传输到丰满发电厂大坝监测中心,根据采集软件所设置的传输方式传输至数据分析计算机,对监测数据进行实时整理、分析。

图1 1号、3号排架测点布置图

图2 4号、11号排架测点布置图

图3 16号排架测点布置图

5 观测资料分析

5.1 锚索拉力监测资料分析

2009年10月18日～20日,由丰满发电厂水检工程处对所有锚索进行二次张拉,此后每周五进行1次观测,观测成果见表1。

二次张拉前,每根锚索力测值在15 kN左右,经过张拉后保持在22 kN左右。从表1数据可看出：

表1 锚索拉力监测成果表kN

a.16号桁架出现25 kN左右的均值,经分析由厂房内吊车停放的位置引起某桁架索力增大,属于正常现象;

b.在本段观测期内,各个桁架锚索力值变幅在6.490 51～7.535 55 kN变化,变化幅度不到1 t（10 kN）。

由此可见,从2009年10月到2010年4月这段时间的锚索力测值处于正常范围内,锚索加固效果良好。

5.2 温度监测资料分析

由于观测数据无线传输调试的原因,温度观测从2010年4月7日才开始有观测数据,观测数据见表2。

由表2可看出,该段观测时期室内外温差最大为14.1℃,丰满地区冬季的最低温度在1月份,室外最低可达-32℃左右,室内外温差最大值接近40℃,这将使厂房上下游侧外墙体向外收缩,使厂房钢屋架下弦杆产生最不利的拉力,所以每年冬季应特别关注厂房室内外温度监测。

表2 温度观测成果表℃

表3 排架的应变监测及外包钢的应变监测资料统计

5.3 排架应变监测及外包钢应变监测资料分析

应变监测结果见表3。

由表3可看出：该观测时段内的各排架应变值的最大值在46.3～69.7范围内,最小值在40.6～55.5范围内,变幅在5.68～24.9范围内,没有发生异常。

5.4 厂房边墙和排架立柱相对变形监测资料分析

布置振弦式收敛计,用于锚索张拉时,监测厂房边墙和排架立柱运行期间的相对位移变化,为临时监测项目,从监测资料可看出：锚索张拉过程中,厂房边墙和排架立柱间的相对位移无异常变化。

5.5 厂房立柱倾斜角度监测资料分析

为应急监测时的项目,从监测资料可看出：锚索张拉过程中,厂房立柱倾斜角度无异常变化。

6 结论

通过对丰满大坝一期厂房加固安全监测自动化系统2009年10月～2010年4月的观测资料进行分析,可得出如下结论。

a.锚索力测值处于正常范围内,锚索加固效果良好。

b.丰满大坝一期厂房的室内外温差最大值接近40℃,使厂房钢屋架下弦杆产生最不利的拉力,每年冬季应特别关注厂房室内外温度监测。

c.排架的应变及外包钢的应变观测值没有发生异常的变化。

d.锚索张拉过程中,厂房边墙和排架立柱间的相对位移无异常变化。

e.锚索张拉过程中,厂房立柱倾斜角度无异常变化。

李作光（1966—）,硕士,高级工程师,长期从事大坝安全监测工作。