三峡垂直提升升船机荷载试验及原型监测成果

李红霞,张 灏,耿 俊,张文胜

(1.葛洲坝测绘地理信息技术公司,湖北宜昌443133；2.北京邮电大学信通学院,北京100876；3.中国长江三峡集团公司三峡枢纽运行管理局,湖北宜昌443133；4.长江勘测规划设计研究院,湖北武汉430010)

三峡垂直提升升船机荷载试验及原型监测成果

李红霞1,张 灏2,耿 俊3,张文胜4

(1.葛洲坝测绘地理信息技术公司,湖北宜昌443133；2.北京邮电大学信通学院,北京100876；3.中国长江三峡集团公司三峡枢纽运行管理局,湖北宜昌443133；4.长江勘测规划设计研究院,湖北武汉430010)

对三峡升船机施工期安装的各种仪器进行同步、实时、跟踪原型测试,并和施工期监测成果进行比对分析,取得了独立负荷原型试验数据,掌握了高薄壁塔柱长周期温度荷载和日温差影响变形规律。监测结果表明：试验前后,塔柱主承力钢筋应力变化在10 Mpa内,平衡重导轨一二期混凝土接缝开度稳定,升船机弹性工作状态良好；即便在日照同侧、不同工程部位,受热辐射、介质传导影响,仍存在微量温差变形,对局部高精密部件,其影响不容忽视。

垂直提升升船机； 荷载试验； 原型监测；成果分析；三峡水电站

1 工程概述

三峡升船机为全平衡齿轮齿条爬升垂直提升升船机,作为三峡工程通航建筑物的组成部分,升船机布置在枢纽左岸,主要为客货轮和特种船舶提供快速过坝通道,与已建成的双线五级船闸联合调度运行,加大枢纽航运通过能力和保障枢纽通航的质量。升船机由上游引航道、上闸首、船厢室段、下闸首和下游引航道组成。主要技术特性指标如下：过船规模3 000 t级,最大提升高度113 m,上游通航水位变幅30 m,下游通航水位变幅11.8 m,承船厢尺寸132 m×23 m×10 m,三峡升船机是当今世界上规模最大的升船机。

2 荷载试验的目的和原型监测的内容

模拟升船机正常运行工况和极端工况,通过对升船机内施工期安装的遥测垂线坐标仪、伸缩仪、钢筋计等监测仪器进行同步、实时跟踪原型监测,以检验正常运行工况和极端工况对升船机结构的影响,保证升船机运行全工况下的安全可靠性,同时,为后续运行和管理提供技术参照和积累经验。

升船机荷载试验主要包括船厢体荷载、船厢加水3.5 m、模拟沉船工况试验、水泄空试验等,监测内容包括塔柱变形、应力应变等。升船机结构的复杂性、设备的高精密度、以及运行的高同步要求,对原型安全监测提出了极高的要求。

3 原型监测成果分析

3.1 塔柱水平位移

塔柱水平位移采用正、倒垂线遥测坐标仪进行观测,每小时采集1次数据,试验期间,获取了大量的原型监测数据,可以全面反映塔柱长周期温度影响和日温差变形影响。

3.1.1 施工期塔柱水平位移变化特点

水平位移主要随气温呈年周期性变化,降温时X向上游塔柱向下游位移、下游塔柱向上游位移;Y向左侧塔柱向右位移、右侧塔柱向左位移,升温时则相反。低温季节1～2月份塔柱间距离减小；高温季节8～10月份塔柱间距离增大。

表1 塔柱1荷载试验水平位移监测成果

3.1.2 日温差对塔柱变形的影响

监测数据也反映,塔柱变形受日温差影响,左右岸方向变形大于上下游方向。高程越高,影响越大。受日照、热辐射不均匀等因素影响,即便是日照同侧面,同高程不同的工程部位,其达到日变形峰值的时间也略有差异,因此,对于局部高精密度部件,考虑日温差变形影响不容忽视。

3.1.3 荷载试验期间水平位移

荷载试验共分为4个阶段进行,即：工况1,船厢体荷载试验;工况2,船厢加水3.5 m试验;工况3,沉船试验;工况4,船厢水泄空试验。

荷载试验期间,1号塔柱原型监测数据见表1。

船厢加载后,相当于加荷6 824.87 t, 1、4号塔柱表现为向右岸方向位移,最大值分别为-4.35 mm 和-5.19 mm；2、3号塔柱基本变现为向左岸方向位移,最大位移增量为3.15 mm和2.21 mm。

船厢加水3.5 m,相当于增加荷载8 750 t,1、4号塔柱产生向左岸方向位移,最大位移增量分别为2.63 mm和2.39 mm；2、3号塔柱产生向右岸方向位移,最大位移增量分别为-1.28 mm和-2.51 mm,工况1和工况2均为加载试验,却产生位移方向相反的结果,其原因是工况2试验时间较长,受温度影响所致。工况1平均气温11.2 ℃,温度增量7.0 ℃,工况2平均气温近21.7 ℃,说明温度荷载影响远大于水荷载影响。

模拟沉船工况试验期间,水平位移变化不大,上下游最大向下游位移2.34 mm,为4号塔柱175 m高程测点；最大向上游位移-1.29 mm,为2号塔柱84.5 m高程测点。左右岸向左岸最大位移2.31 mm,位于3号塔柱175 m高程；向右岸最大位移4.01 mm,位于2号塔柱175 m高程。与施工期监测数据进行比对,模拟沉船工况试验期间变形值所占比例较小,表明温度是塔柱变形的主要因素,船厢荷载加载而引起的塔柱变形较小。

从水平位移分布来看,沿高程方向,塔柱产生微量S形变形,此种情况与塔柱在高程196 m处为一个连接结构整体,船厢荷载在中部高程施压,使得塔柱结构发生变形,与理论计算规律相一致的。实测水漏空试验前后塔柱变形在1 mm以内。

3.2 垂直位移

3.2.1 施工期垂直位移特点

在船厢室底板和顶部机房布设了水准测点,塔柱侧壁安装了伸缩仪。船厢室底板沉降值随塔柱浇筑高度上升而增大,升船机房平台合拢,底板沉降范围为3.08～3.88 mm。2015年11月辅助设备、船厢室等安装后,基础沉降范围为4.45～5.39 mm。

机房高程各测点最大累计沉降量41.97～43.54 mm,主要随气温呈年周期变化,年变幅约40 mm,一般2月沉降值最大,8月沉降值最小,各测点沉降测值基本一致,最大沉降差为1.47 mm。

根据底板和顶部机房垂直位移监测成果可以判断,机房顶部的沉降并非为塔柱整体的基础沉降,而是塔身混凝土受温度变化影响的伸缩变形,水准测量成果和伸缩仪监测成果表现规律性一致。

3.2.2 荷载试验垂直位移

试验前,升船机顶部机房底板各测点累计沉降21.48～22.19 mm之间；相对沉降在-0.71～0.20 mm之间；试验后,各测点累计沉降在20.96～21.86 mm之间,相对沉降在1 mm以内。各测点相对变形在试验前后变化均较小。

船厢试验未对塔柱产生不均匀沉降。

3.3 结构应力应变

3.3.1 钢筋应力

3.3.1.1 施工期特点

塔柱各测点钢筋应力在-51.87～28.61 MPa之间,横梁钢筋应力约在-51.30～29.97 MPa之间,多数测点钢筋表现为受压。

大部分钢筋拉应力在50 MPa以内,较大钢筋应力在混凝土浇筑后一个月左右出现,之后钢筋应力没有超过浇筑初期应力,后期应力主要随温度呈年变化,与温度负相关。

3.3.1.2 荷载试验期间钢筋应力变化

沉船试验前后,各钢筋应力增量在-9.70～7.60 MPa之间,平均增量为-0.15 MPa；水泄空试验前后,各钢筋应力增量在-3.50～0.40 MPa之间,平均增量为-0.47 MPa。总的看来,试验的铅直向荷载变化对塔柱钢筋应力影响很小,荷载试验期间,各测点钢筋应力前后变化量小于10 MPa。

3.3.2 混凝土开度监测

在塔柱平衡重轨道处宽槽,布置了测缝计,监测宽槽一二期混凝土接缝情况。

实测牛腿一二期混凝土接缝开度在-0.05～0.25 mm之间,开度测值基本不受温度影响,升船级荷载试验、联合调试阶段,筒体牛腿混凝土间开度无明显的增加。说明一二期混凝土胶合度良好,没有明显的裂缝。

4 结 语

(1)升船机塔柱为高薄壁结构,受温度影响明显,荷载试验中温度变形分量甚至超过船厢体、水体荷载变形,采用遥测垂线坐标仪、伸缩仪实时原型监测,可以起到分离变形量的作用。

(2)荷载试验期间,升船机弹性工作状态良好,船厢加载和厢体充泄水对升船机结构变形和应力影响不明显；

(3)受日照、热辐射不均匀等多因素影响,即便在同侧不同工作部位,温度变形存在微弱差异,对于局部高精密度部件,其变形影响不容忽视。

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(责任编辑 高 瑜)

Loading Test and Prototype Monitoring Result Analysis of Three Gorges Vertical Ship Lift

LI Hongxia1, ZHANG Hao2, GENG Jun3, ZHANG Wensheng4

(1. Gezhouba Surveying and Mapping Geographic Information Technology Co., Ltd., Yichang 443133, Hubei, China;2. School of Communication, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China;3. Operation and Management Bureau of the Three Gorges Project of China Three Gorges Corporation, Yichang 443133,Hubei, China; 4. Yangtze River Survey Planning and Design Research Institute, Wuhan 430010, Hubei, China)

The instruments installing in the construction of Three Gorges ship lift are used to carry out synchronous and real-time prototype test, and the monitoring data are compared with the results during the construction period. The independent prototype loading test data are obtained and the deformation laws of high and thin pillar under the action of long cycle temperature load and daily temperature difference are understood. The monitoring results show that the stress change of main bearing steel bar of pillar is within 10 MPa before and after the test, the joint opening of Phase I and II concrete of counterbalance guide is stable and the working elasticity of ship lift is in good condition. As the influencing of heat radiation and conduction medium, slight temperature deformation still exists on the same side of sunshine and some parts. So for local high precision components, the impact cannot be ignored．

vertical ship lift; loading test; prototype monitoring; result analysis; Three Gorges Hydropower Station

2016- 07- 16

李红霞(1971—),女,湖北麻城人,高级工程师,主要从事水利水电工程施工、科研和管理等工作．

U642

A

0559- 9342(2017)03- 0081- 03