振弦式测缝计在碾压混凝土坝段接缝位移监测中的应用

程浩， 张忠举

(1.南京理工大学，江苏 南京 210094； 2.南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012)



振弦式测缝计在碾压混凝土坝段接缝位移监测中的应用

程浩1， 张忠举2

(1.南京理工大学，江苏 南京 210094； 2.南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012)

水利工程中大坝多采用分坝段施工方式，毛滩河三层岩大坝采用分块、碾压、填筑方式施工，在不同坝段接缝处采用灌浆处理，其灌浆方式及施工质量影响坝体的整体性和坝体荷载的传递方式，因此在施工和运行期间需对接缝进行监测。为有效掌握各坝段接缝处质量，控制接缝相对位移，采用振弦式测缝计进行施工期间的接缝位移安全监测。根据测缝计工作的基本原理，提出了毛滩河三层岩大坝坝段接缝位移监测布设方案。依据布设方案进行测缝计的安装埋设，并在施工期间进行数据采集。对监测资料统计分析表明，各坝段接缝处开合度在要求范围内，坝体整体结合度良好。此次该测缝计在实际工程中的成功使用为其在相似工程中的应用提供参考依据。

毛滩河大坝；测缝计；接缝位移；安全监测

水利工程中混凝土大坝由于体积当量庞大，多采用分段浇筑施工方式，不同坝段之间采用灌浆等处理方式实现坝体的整体胶合，但坝体面板仍会存在接缝。接缝质量受温度、湿度、灌浆质量等的影响，且随着时间的推移，接缝处可能会产生相对位移，影响坝体的整体性，因此，需对坝体接缝处施工期及蓄水期的质量进行控制。接缝处质量控制最重要的指标即接缝位移量。分析接缝位移量随时间的变化规律，可有效控制接缝质量，并对坝体整体性做出科学评估。

水工建筑结构中主要采用测缝计监测裂缝。在控制的接缝位置布设测缝计，用于量测裂缝开合度、温度等参数。工程中广泛应用的测缝计主要有滑动电阻式、振弦式和差动电阻式3种[1]。水工建筑结构由于其所处环境条件较为恶劣，易受水文条件、气候条件影响，对于监测仪器的使用条件要求较高，如需抗干扰、耐腐蚀、耐久性好、精度高等[2]。振弦式测缝计适合长期埋设于混凝土结构中，接线容易，传输距离长，电缆绝缘要求低，结构原理简单，稳定性好，且后期易于自动化集成，因此在水利工程中得到广泛应用。

文中结合毛滩河三层岩水电站大坝坝段接缝位移监测工程实例，在测缝计基本工作原理的基础上，提出测缝计的布设方案，对施工期该测缝计的监测数据进行整理分析，研究坝段接缝的位移变化规律，对坝体结构整体性做出评估。

1　工程概况

毛滩河为七曜山脉以东郁江右岸的一级支流，属乌江流域，发源于重庆市石柱县金铃乡七曜山袁家湾，向南流经金铃、金竹、新乐等乡，于新乐乡九蟒村吴家湾流入湖北省利川市文斗区域，再向南偏东于龙口处汇入郁江。河长27 km，流域面积231 km2，河口流量6.63 m3/s。石柱县境内河长22 km，流域面积185.35 km2。

三层岩水电站坝址位于石柱县新乐乡九蟒村附近毛滩河滴水潭峡谷，坝址以上控制流域面积158.63 km2，河长18.75 km，河道平均比降29.50‰。

混凝土拱坝采用混凝土抛物线变厚度双曲拱坝，左右岸不对称布置，拱坝中心线顺河床布置。最低建基面高程588.0 m，坝顶高程644.0 m，最大坝高56 m，拱坝拱冠梁处底厚13.0 m，厚高比0.23，坝顶宽3.5 m。大坝顶拱拱端中心角88.04°，坝顶轴线弧长136.26 m，拱端最大半中心角46.91°，最小半中心角30.49°。坝体由6条横缝分为7个坝段。毛滩河三层岩水电站观测平面布置如图1所示。

图1　毛滩河三层岩水电站观测平面布置(单位：mm)

2　振弦式测缝计的基本原理

2.1振弦式测缝计的结构

振弦式测缝计由前后端座、保护筒、观测电缆、振弦及激振电磁线圈等组成[3]。其埋设结构如图2所示。

图2　测缝计埋设结构示意图(单位：mm)

2.2振弦式测缝计的测量原理

当被测结构物发生变形时将会带动测缝计沿轴向产生拉力(压力)变化，通过前、后端座传递给振弦使其产生应力变化，使振弦的振动频率改变。电磁线圈激振振弦并测量其振动频率，频率信号经观测电缆传输至读数装置，即可测出被测结构物的变形量[4]，同时可同步测量埋设点的温度值。

2.3测缝位移的计算公式

1)当外界温度恒定，振弦式测缝计仅受到轴向变形影响时，其变形量J与输出的频率模数ΔF具有如下的线性关系：

J=kΔF,

(1)

ΔF=F-F0。

(2)

式中：J为测缝计的测量值，mm；k为测缝计的测量灵敏度；ΔF为测缝计实时测量值相对于基准值的变化量,mm；F为测缝计的实时测量值,mm；F0为测缝计的基准值,mm。

2)当测缝计不受外力作用时(仪器两端标距不变)，当温度增加ΔT时，测缝计有一个输出量ΔF′，这个输出量仅仅是由温度变化引起的，因此在计算时ΔF′应给予扣除，ΔF′与ΔT具有如下线性关系：

J=kΔF+bΔT=0，

(3)

kΔF′=-bΔT，

(4)

ΔT=T-T0。

(5)

式中:b为测缝计的温度修正系数，mm/℃；ΔT为温度实时测量值相对于基准值的变化量，℃；T为温度的实时测量值，℃；T0为温度的基准值，℃。

3)布设在混凝土结构物或其他材料结构物内及表面上的测缝计，受到的是变形和温度的双重作用，因此测缝计计算变形量的公式为：

JM=kΔF+bΔT=k(F-F0)+b(T-T0)。

(6)

式中JM为被测结构物的变形量，mm。

3　方案设计

3.1布点位置设计

文中振弦式测缝计用于观测的接缝对象有2种：一种为坝段横缝位移，另一种为坝基接缝位移。横缝中设置有14个测点，分别设置于7个坝段之间的接缝处，坝段之间连接处分不同高程设置测点，每个高程对称布设有2支振弦式测缝计用于位移和温度的量测，共计布设28支，如图3所示。坝基接缝设置有5个测点，分别沿600.00 m、620.00 m及632.00 m高程对称设置，588.00 m高程设置有一个测点，另需10个测缝计。本文只研究坝段接缝处位移，因此仅对坝段接缝埋设的28支测缝计的测量结果进行分析。

图3　毛滩河三层岩水电站大坝测缝计布置图

3.2测缝计的安装埋设

由于水电站大坝属于碾压混凝土坝，施工方式为分坝段分层混凝土碾压，故测缝计的安装埋设需与施工方同步协调进行，具体步骤如下：

1)当两部分混凝土施工完成，按照设计高程及传感器埋设位置，选择表面较为平整、清洁处安装测缝计支座，予以固定。

2)测缝计进行初始预拉后，固定在支座上。

3)安装完毕后进行现场初值测量并记录。

4　监测数据分析

毛滩河三层岩大坝面板坝横缝处共安装28支振弦式测缝计，在施工过程中损坏3支，其设计编号为JD9、JD16、JD18。监测时间从2013年11月开始至2015年1月结束。具体各振弦式测缝计特征值统计结果见表1。

从表1中可以看出，在振弦式测缝计监测期间，最大开合度测点位于2号断面623.00 m高程处，测缝计为JD7，其受到拉力作用，最大开合度数值为3.240 mm。其余测缝计开合度值介于2.678 mm和-0.987 mm之间。

表1　坝体测缝计特征值统计

续表

为了掌握裂缝开合度随时间的变化规律，以2处开合度达到特征值峰值的测点的开合度-时间变化曲线(图4和图5)进行分析，分别为受到最大拉应力作用的2号断面623.00 m高程处的JD7，受到最大压应力作用的5号断面638.00 m高程处的JD23。

图4　JD7测缝计的开合度随时间的变化曲线

图5　JD23测缝计开合度随时间的变化曲线

从图4可以看出，测缝计的开合度从埋入时的零初值开始慢慢随着时间增加而增加，由于两侧混凝土相对偏移的趋势使测缝计产生了拉应力，自开始埋设时间2014年6月2日起近半年的时间内呈缓慢递增趋势，之后开合度稳定在3.240 mm，即缝隙达到稳定状态。

从图5可以看出，自埋设日期2014年1月3日起的半年时间内开合度保持稳定，但之后受到混凝土的挤压，测缝计产生压应力，开合度出现负值且其变化幅度明显，之后稳定在-0.987 mm。

由于此工程采用碾压混凝土施工的方法，使用的胶凝材料较少，并用粉煤灰代替部分水泥，因此水化热较常规混凝土低，图4和图5中反映出两处测点水化热最高温度均在30 ℃以下，随着时间推移水化热缓慢降低，温度曲线开始急剧上升。这是由于温度初值是在刚埋设未浇筑时采集的，处于外环境温度，而后组数据是在浇筑完成后采集的。结合其余测点观测数据可知，开合度在浇筑完成一段时间后均达到稳定状态，且变化幅度较小，表明接缝结合良好，坝体整体性较好。

5　结语

水利水电工程中大坝常采用分坝段施工，而坝段之间的连接是否良好，接缝处施工质量是否合格，将影响大坝主体整体性和荷载的传递规律[7]。本文以毛滩河三层岩大坝建设工程为依托，在接缝处合理布设振弦式测缝计来实现坝段之间接缝开合度的量测，并分析了各测点开合度随时间的变化趋势，得出了开合度在浇筑碾压完成一定时间后均达到稳定状态的结论，且稳定状态下的数值较小，表明接缝质量优良，坝体整体性好。

[1]李楠.测缝计在三峡大坝安全监测中的应用[J].实验技术与管理,2004,21(4):23-27，35.

[2]黄海龙,龚瑞瑞,覃勇勇.差阻式测缝计在大坝安全监测中的发展和应用[J].水利科技与经济,2011,17(2):82-84.

[3]李振强,罗志唐,顾雪冬.差动电阻式测缝计在砌石重力坝加高中的应用[J].广东水利水电,2014,112(3):65-69.

[4]尚剑宝.面板堆石坝接缝位移的自动监测及分析[J].太原理工大学学报,2015,46(4):470-473，479.

[5]水利部大坝安全管理中心，南京水利科学研究院.大坝安全监测仪器检验测试规范:SL 530—2012[S].北京：中国水利水电出版社，2012：351-362.

[6]南京水利水文自动化研究所，国网南京自动化研究院，国家电力公司南京电力自动化设备总厂，等.大坝监测仪器测缝计:GB/T 3410.1—2008[S].北京：中国标准出版社,2008:25-31.

[7]周克明.测缝计在大坝变形观测中的应用[J].红水河，2003,22(3):66-68，72.Application of Crack Meter in RCC Dam Joint Displacement Monitoring

(责任编辑：杜明侠)

CHENG Hao1， ZHANG Zhongju2

(1.Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China；2.Nanjing Water Conservancy and Hydrology Automation Research Institute, Nanjing 010012, China)

The sub-dam construction method is usually used to the dam constructionin the water conservancy project. The method is applied to the Maotanhe river dam construction. The grouting process is used to deal with the joint, so the way of grouting process and the quality of construction have a great influence to the dam. And it is needed to focus on the joints during construction and operation. To effectively grasp the quality of each dam seams, control the relative displacement of joints, the vibrating wire crack meteris used as the safety monitoring of joint displacement during construction.According to the basic working principle of the crack meter, a joint displacement monitoring layout scheme of Maotanhe river dam section is proposed. Based on layout program,some crack metersare installed and buried, and are used to collect the data during the construction period. Statistical analysis of monitoring data shows that the opening degree at the joints of each dam section is within a required range, and the dam totally has a good combination. The use of crack meter can provide a reference for the relevant engineering applications.

Maotanhe river dam; crack meter; joint displacement; safety monitoring

2016-06-27

程浩(1991—),男,陕西西安人,硕士研究生,主要从事水工结构安全监测方面的研究。E-mail:443633420@qq.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2016.05.013

TV642.2

A

1002-5634(2016)05-0072-04