SAA阵列式位移计在面板挠度监测中的应用

卞晓卫，田保明，彭 浩，李 映，易 伟

(1.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081；2.新疆新华叶尔羌河流域水利水电开发有限公司，新疆 喀什 844000)

混凝土面板作为大坝防渗体系中极为重要的结构，一旦发生变形破坏将直接导致大坝出现渗漏问题，从而对整个大坝的安全构成严重威胁，为及时了解和掌握其变形情况，准确评价大坝运行安全，对其进行挠度监测工作十分必要。传统的监测手段有活动测斜仪、固定式测斜仪、电平器、光纤陀螺仪等，但均存在一定的不足[1]，活动测斜仪在大角度工作时无法满足观测精度要求，且在长期的使用过程中无法保证长期数据的精准性；固定式测斜仪安装质量不易保证，蓄水后测值效果差；电平器单点式布置，观测成果精度取决于测点仪器布置密度，而且多测点仪器电缆集中后成束直径大，对面板结构有一定影响，且在铺盖回填及蓄水后极易损坏失效；光纤陀螺仪存在测量路线不唯一、管道占用空间、管道与面板变形不协调等问题，而且成本太高，数据解算复杂，后处理分析难度大，难以大范围推广应用。

加拿大Measurand工程科技公司生产的SAA阵列式位移计，是一种可以被放置在一个钻孔或嵌入结构内的变形监测传感器，可以实时监测出物体x-y-z三维位移，实现实时立体监测的高精度，反应灵敏，运行可靠。近年来，SAA阵列式位移计被引入国内，应用于路基沉降、堆积体变形、心墙坝变形、隧洞围岩收敛等方面的监测，取得良好效果。为准确监测阿尔塔什水利枢纽工程混凝土面板在各阶段的挠度变形情况，工程采用SAA阵列式位移计对混凝土面板的挠度进行监测，通过4年多监测数据和资料的整理和研究表明，SAA阵列式位移计能够准确反映混凝土面板在各阶段的挠度变形情况，且监测数据连续性、完整性较好。

1 SAA阵列式位移计

相对于传统的变形监测手段，SAA阵列式位移计在变形监测中具有以下优点：①高精度，累积误差小，长度32m的SAA，连续进行3年的稳定性试验累积误差小于±1.5mm；②高稳定性，监测数据稳定，长度52m的SAA在毛家河水电站滑坡体监测中应用，监测数据从2013年6月埋设初始至今都极为稳定；③重复利用，对传感器绝妙的设计和特殊的埋设方式，使SAA可以轻易实现重复利用；④大量程，可保证20cm以上的变形量程，在此量程范围内SAA可以在确保功能不受损的情况下拔出，实现重复利用。

阵列式位移计是一种可以被放置在一个钻孔或嵌入结构内的变形监测传感器。它由3段连续轴组成。每段轴有一个已知的长度，每段转角测量标称精度为±0.5°%，全长变形精度±1.5mm/32m，通过检测各部分的重力场，计算出各段轴之间的弯曲角度，然后根据其已知的各段轴长度，计算出变形。将阵列式位移计安装在堆石坝面板内部，使之与面板同步协调变形，即可得到面板的变形，计算原理如图1所示。

图1 实施方法原理图

图1中，参数d表示三维轴线中(x、y、z)单个测量单元相对基准的变形值；参数L表示单个测量单元的长度(0.3m、0.5m、1m)；参数θ表示单个测量单元对应轴与重力方向之间的夹角。

每个测量单元安装有3个加速度传感器，通过测量传感器的加速度值来计算出对应轴与重力方向的夹角θ，通过计算出对应轴与重力方向的夹角θ来计算对应测量单元的位移量(d=L·sinθ)，每个测量单元长度为L，则第i个测量单元在重力方向的坐标系中对应的坐标长度为d=L·sinθi，对应的第i个测量单元在整体坐标系中的坐标为第1个测量单元到第i个测量单元的累加值D=∑L·sinθi。

2 SAA阵列式位移计在阿尔塔什工程中应用

2.1 SAA阵列式位移计布置

阿尔塔什水利枢纽工程为大(1)型Ⅰ等工程，拦河坝为混凝土面板砂砾石堆石坝，建筑物级别为1级，最大坝高164.8m、坝顶长795.0m、坝顶宽12.0m、抗震设计烈度9度，建在最大深度94m的冲积砂卵砾石覆盖层上。混凝土面板底部厚度0.96m、顶部厚度0.4m，坡度为1∶1.7，最长的面板斜长达320m，分三期施工，其中一期面板顶部高程为1715m、二期面板顶部高程为1776m、三期面板顶部高程为1822m。

结合本工程特点，选定在河床覆盖层最深暨最大坝高处断面的混凝土面板内布置SAA阵列式位移计。考虑到混凝土面板分三期施工，且单条SAA阵列式位移计长度超过150m时存在加工运输难度大、现场未埋设部分需露天堆放难以保护等因素，在每期面板内布置1条SAA阵列式位移计，相邻两期面板内的SAA阵列式位移计采用专用夹扣搭接处理，最终形成1条完整的挠度测线。测线埋设于面板混凝土内部，底部第一个测点设置在水平趾板内，以保证其变形与水平趾板同步；顶部最末测点位于面板顶部，并预留一定的伸缩余量。

水平趾板下部的覆盖层厚度达94m，在坝前铺盖施工和水库蓄水过程中，水平趾板将不可避免的产生一定的沉降变形，无法为SAA阵列式位移计测线提供相对不动的观测基准点，因此在每期面板顶部布置一个临时垂直位移观测点，为SAA阵列式位移计提供观测基准。

(1)趾板→连接板→防渗墙段

以设计已布设的SJ23为基点，将SAA起始端固定在趾板混凝土内部，具体仪器布置情况如图2所示。

图2 面板SAA阵列式位移计布置示意图

考虑到外水压力对仪器的影响，整条SAA外套高强度PVC/PE管沿顺水流方向底层钢筋牵引至混凝土防渗墙，SAA终端采用钻孔方式放入防渗墙内部50cm，为防止连接板基础沉降导致SAA拉断，防渗墙内部SAA不做固定处理，如图2所示。

为防止混凝土结构缝变形导致SAA拉断，在SAA跨结构缝位置采用穿管过缝的保护措施。

(2)趾板→混凝土面板→坝顶防浪墙段

以临时表面位移测点为基点，将SAA起始端固定在趾板混凝土内部。

在面板混凝土施工浇筑前，将全段SAA外套高强度PVC/PE管沿面板底层钢筋上部牵引至坝顶(考虑到外水压力影响和后期可能发生的混凝土裂缝处理化学灌浆施工影响，SAA不应在面板上层钢筋位置牵引，另外考虑到挤压边墙与面板底部产生剪切变形影响，将SAA安装在底层钢筋上部)，SAA在一期混凝土面板1715m高程位置和二期混凝土面板1776m高程位置做搭接处理，搭接长度为2m，搭接方式严格安装厂家提供的技术标准执行。

为便于SAA监测数据基准值的选取，分别在趾板顶部，一、二期混凝土面板顶部做临时表面位移监测点，在防浪墙顶部做永久表面位移测点。

为防止混凝土面板发生变形后拉断SAA，在SAA终端预留2m长度SAA，采用Φ110mm镀锌钢管封闭保护。

为防止混凝土结构缝变形导致SAA拉断，在SAA跨结构缝位置采用穿管过缝的保护措施。

为防止施工破坏，面板、防浪墙混凝土浇筑期间全程派人对SAA实时看护。

工程选用的SAA阵列式位移计，其主要技术参数指标见表1。

表1 SAA阵列式位移计主要技术参数表

主要技术特点如下：实时、连续、全自动、高可靠性监测技术被广泛认可；高精度、高稳定性、高3D空间分辨力；安装简单、经济；综合现代微机电技术和通讯包括无线通信技术；安装可水平可采用水平、垂直、任意角度；微处理器阵列及自动数据采集；综合软件功能，低维护成本。

2.2 数据采集及计算

临时垂直位移观测点在施工期利用全站仪三角高程法测量，在运行期利用精密水准仪采用三等水准法测量。

SAA阵列式位移计在施工期通过仪器自带的通讯电缆现场连接笔记本电脑进行数据采集，在运行期接入配套的自动化采集设备，可通过远程通信方式(RS485、4G通讯网络、LAN等)定期采集数据至监测中心站。安装于笔记本电脑和监测中心站的数据采集软件可实时处理从CDS获取的变形测量数据、可视化变形曲线，并可将各传感器的三维坐标(x，y，z)导出为ASCII或MATLAB格式文件，以便进一步的数据处理。

由于SAA阵列式位移计的传感器类型为MEMS加速度计，对震动较为敏感，在数据采集时，应选择坝面无振动碾、挖掘机、运输车辆等大型机械作业和近坝库区无爆破作业的时间段，以免使得监测数据失真。

SAA阵列式位移计采集到的监测数据为各传感器相对于基准传感器的三维坐标(x，y，z)，基准传感器和坐标方向可在采集软件中进行设置。结合本工程的监测目的，一般设置面板顶部的传感器为基准传感器，x为上下游方向，向上游为正；y为左右岸方向，向左岸为正；z为垂直方向，向下为正。各传感器的挠度值按下式计算。

din=(ΔH+Zin-Zi0)cosα-(Xin-Xi0)sinα

式中，ΔH—临时或永久垂直位移观测点的垂直位移量；din—第i个测点在第n次测量的挠度值；Zin—第i个测点在第n次测量的z方向坐标值；Zi0—第i个测点在z方向坐标基准值；Xin—第i个测点在第n次测量的x方向坐标值；Xi0—第i个测点在x方向坐标基准值；α—混凝土面板与下游水平方向的夹角。

2.3 监测成果分析

大坝混凝土面板分3期浇筑，分别于2018年5月底、2019年5月底和2020年5月底完成浇筑，在每期面板浇筑完成后24h左右选取挠度监测基准值。

2.3.1一期面板挠度监测成果

2018年6月至2019年1月，即一期面板浇筑完成至坝前盖重填筑施工前，由于水平趾板上方未施加荷载、而坝体尚在继续填筑，实测挠度呈自一期面板底部至顶部逐渐增大分布(如图3所示)，该阶段挠度变形主要受坝体自身沉降影响，面板顶部实测最大挠度值为37mm，与面板顶部变形观测墩所测的沉降量32.6mm较为接近。在此过程中，于2018年7月在分析实测监测数据时发现，面板中下部(距离底部48m)位置相邻2个测点出现了2mm错动变形，如图3所示。经现场查看，发现该位置有一条水平方向的混凝土裂缝。

图3 一期面板挠度分布示意图(2018年6月至2019年1月)

2019年1月至2019年6月坝前盖重的填筑至高程1715m的过程中，挠度分布从面板顶部至底部呈渐变式沉降变形、顶部最小、底部最大(如图4所示)，挠度变形趋势与盖重填筑高程有较好的相关性，利用SAA阵列式位移计计算出的底部相对沉降为33.9mm。

图4 一期面板挠度分布示意图(2019年1月至2019年6月)

2.3.2二期面板挠度监测成果

2019年6月至2020年5月，即二期面板浇筑完成至三期面板施工前，面板顶部和底部的挠度值分别为36mm和54mm，整体分布呈中部小、顶部和底部大(如图5所示)，主要原因是面板底部在坝前盖重和水库蓄水至1721m的作用下，二期面板顶部在坝体自身沉降作用下，均在持续发生沉降变形，而中部由于上部无荷载作用、下部堆石体沉降速率趋于减小等因素变形较小。

图5 一、二期面板挠度分布示意图(2019年6月至2020年5月)

2.3.3三期面板挠度监测成果

2020年5月底三期面板浇筑后至今，面板挠度分布整体呈中下部最大、底部次之、顶部最小的凹型分布(如图6所示)，主要原因是受库水位持续上升的影响。其中2021年5月至今，库水位基本稳定在1785～1795m之间，面板顶部变形趋于稳定，中下部面板挠度值持续增大、但挠度变形速率明显减小。

图6 一、二、三期面板挠度分布示意图(2020年6月至2022年5月)

3 结语

混凝土面板作为堆石坝防渗体系中极为重要的结构，一旦发生变形破坏将直接导致大坝出现渗漏问题，对其进行挠度监测工作十分必要。阿尔塔什水利枢纽工程通过在混凝土面板内埋设安装SAA阵列式位移计进行面板挠度变形监测的应用成果表明，在一、二、三期混凝土面板施工过程中，实测面板挠度的分布规律和变化情况均合理，并且相比国内外现有的混凝土面板挠度监测手段，SAA阵列式位移计内置于埋设在混凝土面板内部的保护管中，具有仪器体积小、安装快捷方便、对土建施工基本无干扰的特点，安装过程中不受混凝土施工影响、安装完成后可得到有效的保护，可靠地保证了仪器安装质量并显著延长其使用寿命；其监测数据更精细准确，图像稳定可靠，能够准确反映混凝土面板在各阶段的挠度变形情况，易于接入自动化监测系统、实现对面板连续变形的准分布式自动化监测，适用于各类大、中型堆石坝面板变形监测，工程应用优势明显，在面板挠度监测方面具备广阔的应用前景。