混凝土壩裂縫轉(zhuǎn)異診斷方法研究

馮 燕

(江西省撫州市臨川區(qū)水利局，江西 撫州 344100)

混凝土壩裂縫轉(zhuǎn)異診斷方法研究

馮 燕

(江西省撫州市臨川區(qū)水利局，江西 撫州 344100)

應(yīng)用小波理論從裂縫的歷史實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中提取時(shí)效變形，通過對(duì)時(shí)效變形的分析，判斷了裂縫在混凝土壩運(yùn)行過程中是否發(fā)生失穩(wěn)轉(zhuǎn)異以及失穩(wěn)轉(zhuǎn)異發(fā)生的時(shí)間，指出由于裂縫發(fā)生了失穩(wěn)轉(zhuǎn)異，裂縫也就從一種性態(tài)過渡到另一種性態(tài)，以最后一次轉(zhuǎn)異之后的相對(duì)穩(wěn)定的性態(tài)為研究對(duì)象，對(duì)裂縫的進(jìn)一步研究具有重要的意義。

裂縫，混凝土壩，轉(zhuǎn)異診斷

1 概述

對(duì)于運(yùn)行多年，經(jīng)歷過各種荷載組合的帶縫運(yùn)行的混凝土壩，其壩體上的裂縫可能因遭受過不利荷載組合等因素而發(fā)生過失穩(wěn)擴(kuò)展[1-4]。裂縫擴(kuò)展后，裂縫尖端向結(jié)構(gòu)內(nèi)部延伸，裂縫長度也發(fā)生了變化，因此裂縫的性態(tài)也發(fā)生了變化，從發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展前到失穩(wěn)擴(kuò)展后，裂縫從一種性態(tài)過渡到另一種性態(tài)。如果裂縫監(jiān)測(cè)仍以整個(gè)時(shí)間序列作為研究對(duì)象，那么勢(shì)必造成研究結(jié)果的失真。因此，筆者認(rèn)為，計(jì)算和預(yù)測(cè)裂縫的臨界開度等研究應(yīng)以裂縫當(dāng)前的開裂性態(tài)為準(zhǔn)。

本文首先應(yīng)用小波理論提取裂縫的時(shí)效變形，再通過對(duì)裂縫的時(shí)效變形進(jìn)行分析，據(jù)此確定裂縫失穩(wěn)擴(kuò)展發(fā)生的時(shí)間。

2 確定最近一次裂縫轉(zhuǎn)異的時(shí)間

混凝土壩裂縫開度是一個(gè)隨時(shí)間變化的隨機(jī)過程，同時(shí)是一個(gè)長期的發(fā)展過程[5,6]，裂縫開度的時(shí)間效應(yīng)特性在一定程度上反映了裂縫開度隨時(shí)間變化發(fā)展的趨勢(shì)，表征了裂縫失穩(wěn)轉(zhuǎn)異的特征，因此可以根據(jù)裂縫開度的時(shí)效變化來研究裂縫的失穩(wěn)轉(zhuǎn)異。混凝土壩裂縫開度的時(shí)效變形主要有三種基本形式：1)裂縫時(shí)效變形以不斷變小的速率增大并逐漸趨于穩(wěn)定；2)隨運(yùn)行時(shí)間的延長，裂縫時(shí)效變形以恒定的速率增大；3)裂縫時(shí)效變形以不斷增大的速率增大。

運(yùn)行中的混凝土裂縫，若裂縫開度或裂縫深度隨時(shí)間變化的趨勢(shì)為以上第一種基本形式，表明裂縫沒有發(fā)生失穩(wěn)轉(zhuǎn)異，即裂縫處于穩(wěn)定的狀態(tài)，此時(shí)的裂縫對(duì)大壩運(yùn)行安全影響較小；若裂縫開度或裂縫深度隨時(shí)間變化的趨勢(shì)為以上第2)，3)種基本形式時(shí)，表明裂縫已經(jīng)發(fā)生失穩(wěn)轉(zhuǎn)異，即裂縫處于非穩(wěn)定的狀態(tài)，大壩的工作性態(tài)向惡化方向發(fā)展，有可能危及大壩的安全。

2.1 裂縫時(shí)效變形的小波提取

通過對(duì)裂縫的時(shí)效變形進(jìn)行分析，由此而判斷裂縫是否發(fā)生過失穩(wěn)轉(zhuǎn)異以及失穩(wěn)轉(zhuǎn)異發(fā)生的時(shí)間，在這個(gè)過程中，首先必須提取出裂縫的時(shí)效變形。以往在確定時(shí)效變形時(shí)通常采用的方法一般是事先人為選好一定形式的時(shí)效因子，將其代入統(tǒng)計(jì)模型，在通過用線性最小二乘回歸的方法求出回歸系數(shù)的基礎(chǔ)上確定時(shí)效分量。該方法不但包含一定的人為因素，而且因子間也會(huì)存在較大程度的線性相關(guān)，從而導(dǎo)致回歸分析的結(jié)果變得不準(zhǔn)確，分離出的時(shí)效變得不可靠。為了提取裂縫的時(shí)效變形，利用小波理論來對(duì)裂縫實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)而提取時(shí)效變形。

在混凝土壩裂縫開度數(shù)據(jù)的小波分析中[7]，所采用的小波母函數(shù)Ψ(t)是一個(gè)平方可積函數(shù)，并且滿足如下的允許條件：

(1)

將小波母函數(shù)Ψ(t)進(jìn)行伸縮和平移后，就得到小波基函數(shù)：

(2)

其中，a為尺度因子；b為位移因子。

對(duì)一個(gè)信號(hào)f(t)的小波變換即為：

(3)

其中，<·，·>為內(nèi)積。

可將混凝土壩裂縫開度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為實(shí)測(cè)信號(hào)，用小波變換對(duì)裂縫開度的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在式(3)所示的連續(xù)小波變換中，尺度因子a和位移因子b是連續(xù)變化的，但在混凝土壩裂縫開度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)小波分析的實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中不可能對(duì)尺度因子a和位移因子b的所有取值都進(jìn)行計(jì)算，因此需要對(duì)尺度因子和位移因子的取值按照一定方式進(jìn)行離散小波變換，其離散化處理過程為：

此時(shí)Ψa,b(t)變?yōu)椋?/p>

(4)

在混凝土壩裂縫開度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)小波分析的實(shí)際當(dāng)中可取a0=2，b0=1，此時(shí)，Ψa,b(t)變?yōu)椋?/p>

Ψj,k(t)=2-j/2Ψ(2-jt-k)

(5)

對(duì)實(shí)測(cè)信號(hào)f(t)的離散小波變換即為：

(6)

函數(shù)Ψj,k(t)=2-j/2Ψ(2-jt-k)在不同尺度j下，隨著k的變化，形成了不同的尺度空間{Vj}j∈Z。若子空間Wj+1與尺度空間Vj和Vj+1之間滿足如下關(guān)系：

Vj=Wj+1?Vj+1Wj+1⊥Vj+1

(7)

則Wj+1為Vj的正交補(bǔ)空間，則有：

V0=W1?V1=W1?W2?V2=W1?…?Wj?Vj

(8)

也就是說，空間V0可以用有限個(gè)子空間來逼近。

混凝土壩裂縫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是一個(gè)實(shí)測(cè)數(shù)字信號(hào)，設(shè)其在V0上的投影為S，根據(jù)V0=W1?V1，信號(hào)在V1上的投影為其低頻部分，記為A1，在W1上的投影為其高頻部分，記為D1。根據(jù)Vj-1=Wj?Vj，信號(hào)在Vi上的投影為Aj，為其低頻，在Wi上的投影為Dj，為其高頻。由此可以將信號(hào)逐級(jí)分解，如圖1所示。

運(yùn)行期混凝土壩裂縫開度變化的影響因素可以歸結(jié)為水壓、溫度和時(shí)效三個(gè)主要部分，而實(shí)際測(cè)得的裂縫開度數(shù)據(jù)中還會(huì)夾雜有一定的觀測(cè)誤差。裂縫開度實(shí)測(cè)值序列可以看成一系列的數(shù)字信號(hào)，該數(shù)字信號(hào)由不同頻率的信號(hào)成分組成。其中，受隨機(jī)因素或者觀測(cè)誤差影響的部分表現(xiàn)為高頻信號(hào)，受水位和溫度因素影響的部分表現(xiàn)為明顯周期性變化規(guī)律，亦表現(xiàn)為高頻信號(hào)，而裂縫時(shí)效變形部分則表現(xiàn)為低頻率信號(hào)，因此，根據(jù)三個(gè)不同組成部分?jǐn)?shù)字信號(hào)頻率的表現(xiàn)不同，用小波方法對(duì)裂縫開度測(cè)值序列進(jìn)行分解，高頻率部分，剩下的低頻部分就代表著裂縫測(cè)值序列的發(fā)展趨勢(shì)，即為裂縫的時(shí)效變形。

2.2 裂縫時(shí)效轉(zhuǎn)異點(diǎn)的識(shí)別

裂縫開度的時(shí)效變化是裂縫系統(tǒng)發(fā)展演變的表征，反映了裂縫在各種影響因素作用下的演變情況。對(duì)裂縫開度的時(shí)效變化進(jìn)行分析，可以了解裂縫的發(fā)展演化規(guī)律，分析裂縫的失穩(wěn)轉(zhuǎn)異情況。

本文根據(jù)裂縫開度時(shí)效的大小、變化的速率以及加速度等變化特征來分析混凝土壩裂縫的演變規(guī)律，判別裂縫的轉(zhuǎn)異情況。混凝土裂縫的時(shí)效變形包括裂縫尖端的塑性變形、混凝土自身體積變形以及混凝土徐變等，可以用一階非線性微分方程表示：

(9)

在本文研究過程中，重點(diǎn)考察裂縫時(shí)效的變化速率以及加速度來建立判斷準(zhǔn)則，其時(shí)效轉(zhuǎn)異點(diǎn)判斷準(zhǔn)則為：

(10)

根據(jù)以上對(duì)裂縫時(shí)效進(jìn)行的分析，可以判斷出裂縫在運(yùn)行過程中是否發(fā)生過失穩(wěn)轉(zhuǎn)異以及失穩(wěn)轉(zhuǎn)異發(fā)生的時(shí)間。由于裂縫失穩(wěn)轉(zhuǎn)異后性態(tài)發(fā)生變化，因此應(yīng)根據(jù)裂縫最后一次失穩(wěn)轉(zhuǎn)異時(shí)間以后的開度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來擬定裂縫當(dāng)前狀態(tài)下的警戒值。下面重點(diǎn)研究裂縫開度警戒值的擬定過程。

3 實(shí)例分析

以某混凝土重力拱壩為例，該壩壩頂高程126.3 m，最大壩高76.3 m，自左向右共分為28個(gè)壩段。大壩設(shè)計(jì)洪水位122.2 m，校核洪水位124.6 m，保壩水位127.7 m，正常蓄水位119.0 m，汛期限制水位117.0 m。水庫總庫容為28.25億m3，為多年調(diào)節(jié)水庫。主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有：平面網(wǎng)、高程網(wǎng)、沉陷觀測(cè)、正倒垂線、揚(yáng)壓力、繞壩滲流、內(nèi)部儀器、水質(zhì)分析等九項(xiàng)。其中，垂線、水位、氣溫、裂縫和接縫、庫水溫以及混凝土溫度觀測(cè)項(xiàng)目共109個(gè)測(cè)點(diǎn)已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化觀測(cè)。

以下游面105 m高程裂縫測(cè)點(diǎn)18-Ⅰ 為例，取1979年—2007年約28年的裂縫開度實(shí)測(cè)值，過程線見圖4。

對(duì)裂縫開度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行小波分析，濾去其分解得到的高頻部分，剩下的低頻部分作為裂縫開度變化的時(shí)效，提取出的時(shí)效變化過程線如圖5所示。

從圖4中可以看出該裂縫的開度在1976年—1978年間和1987年分別經(jīng)歷了兩個(gè)突然性的變化階段，在小波分析提取出的時(shí)效變形過程線上也明顯地反映出這兩個(gè)突然性的變化。

從圖6中可以看出，曲線在A點(diǎn)處出現(xiàn)拐點(diǎn)，且在A點(diǎn)附近曲線的變化特征與圖3所示的裂縫發(fā)生失穩(wěn)轉(zhuǎn)異的典型變化特征相似，因此可以確定A點(diǎn)即為裂縫的時(shí)效失穩(wěn)轉(zhuǎn)異點(diǎn)，失穩(wěn)轉(zhuǎn)異的時(shí)間發(fā)生在1977年4月，從對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)資料序列可以看出，1977年4月大壩的裂縫開度突然增大，究其原因，該混凝土壩于1976年7月經(jīng)歷了高溫低水位，同年年底—1977年年初又經(jīng)歷了低溫低水位，1977年底—1978年初再次經(jīng)歷低溫低水位，1978年7月，再次經(jīng)歷高溫低水位，同年底至1979年年初第三次經(jīng)歷低溫低水位。從以上分析可知，1976年—1979年期間遭遇了兩次高溫低水位和三次低溫低水位的襲擊，使得該壩裂縫在1976年底—1977年初發(fā)生了不可逆的變化，也就是說裂縫在此階段發(fā)生了轉(zhuǎn)異。

此外，從實(shí)測(cè)過程線上還可以看出，在1987年裂縫開度也發(fā)生了顯著的變化，裂縫開度的年最小值有所增大，但是年最大值卻改變不太明顯，究其原因，該混凝土壩在1987年初對(duì)裂縫進(jìn)行了環(huán)氧灌漿，由于裂縫年最大值變化不大，因此，不認(rèn)為裂縫在此時(shí)刻發(fā)生了失穩(wěn)轉(zhuǎn)異。

4 結(jié)語

本文重點(diǎn)研究了混凝土壩裂縫轉(zhuǎn)異診斷的方法，以裂縫的時(shí)效變形為依據(jù)研究裂縫的失穩(wěn)轉(zhuǎn)異，首先從裂縫的歷史實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中提取裂縫的時(shí)效變形，進(jìn)而對(duì)裂縫的時(shí)效變形進(jìn)行分析，據(jù)此判斷裂縫在以往的運(yùn)行過程中是否發(fā)生過失穩(wěn)轉(zhuǎn)異以及失穩(wěn)轉(zhuǎn)異發(fā)生的時(shí)間。由于裂縫的轉(zhuǎn)異失穩(wěn)，裂縫也從一種性態(tài)過渡到另一種性態(tài)。以最后一次轉(zhuǎn)異之后相對(duì)穩(wěn)定的性態(tài)為研究對(duì)象，將對(duì)裂縫的進(jìn)一步研究具有重要的意義。

[1] 顧沖時(shí)，吳中如.大壩與壩基安全監(jiān)控理論和方法及其應(yīng)用[M].南京:河海大學(xué)出版社，2006.

[2] 吳中如，沈長松，阮煥祥.水工建筑物安全監(jiān)控理論及其應(yīng)用[M].南京:河海大學(xué)出版社，1990.

[3] 景 繼.混凝土壩裂縫開度預(yù)測(cè)及警戒值擬定方法研究[D].南京:河海大學(xué)，2010.

[4] 張煥敏，涂興懷.水工混凝土裂縫的成因及控制[J].混凝土，2005(10):73-76.

[5] 朱伯芳.混凝土拱壩運(yùn)行期裂縫與永久保溫[J].水力發(fā)電，2006(8):21-24.

[6] 黎展眉.普定碾壓混凝土拱壩裂縫成因探討[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2001(1):96-102.

[7] 徐洪鐘，吳中如，李雪紅，等.基于小波分析的大壩觀測(cè)數(shù)據(jù)異常值檢測(cè)[J].水電能源科學(xué)，2002(4):20-21.

The research of concrete dam crack abnormal diagnosis

Feng Yan

(JiangxiFuzhouLinchuanBureauofWaterResources,Fuzhou344100,China)

Based on the wavelet theory, the paper extracts the aging deformation of historical recorded data of concrete cracks and judges whether the concrete cracks turn abnormal and the relevant occurrence time during the operation of concrete dam. It is turned out that, under the function of instability of concrete cracks, the cracks transfer from one state to another. By taking the relatively stable state as the research object after the last abnormal variation would be of certain significance for the future research.

crack， concrete dam， abnormality diagnosis

1009-6825(2015)32-0217-03

2015-08-20

馮 燕(1970- )，女，工程師

TV642

A