三峽垂直提升升船機荷載試驗及原型監測成果

李紅霞,張 灝,耿 俊,張文勝

(1.葛洲壩測繪地理信息技術公司,湖北宜昌443133；2.北京郵電大學信通學院,北京100876；3.中國長江三峽集團公司三峽樞紐運行管理局,湖北宜昌443133；4.長江勘測規劃設計研究院,湖北武漢430010)

三峽垂直提升升船機荷載試驗及原型監測成果

李紅霞1,張 灝2,耿 俊3,張文勝4

(1.葛洲壩測繪地理信息技術公司,湖北宜昌443133；2.北京郵電大學信通學院,北京100876；3.中國長江三峽集團公司三峽樞紐運行管理局,湖北宜昌443133；4.長江勘測規劃設計研究院,湖北武漢430010)

對三峽升船機施工期安裝的各種儀器進行同步、實時、跟蹤原型測試,并和施工期監測成果進行比對分析,取得了獨立負荷原型試驗數據,掌握了高薄壁塔柱長周期溫度荷載和日溫差影響變形規律。監測結果表明：試驗前后,塔柱主承力鋼筋應力變化在10 Mpa內,平衡重導軌一二期混凝土接縫開度穩定,升船機彈性工作狀態良好；即便在日照同側、不同工程部位,受熱輻射、介質傳導影響,仍存在微量溫差變形,對局部高精密部件,其影響不容忽視。

垂直提升升船機； 荷載試驗； 原型監測；成果分析；三峽水電站

1 工程概述

三峽升船機為全平衡齒輪齒條爬升垂直提升升船機,作為三峽工程通航建筑物的組成部分,升船機布置在樞紐左岸,主要為客貨輪和特種船舶提供快速過壩通道,與已建成的雙線五級船閘聯合調度運行,加大樞紐航運通過能力和保障樞紐通航的質量。升船機由上游引航道、上閘首、船廂室段、下閘首和下游引航道組成。主要技術特性指標如下：過船規模3 000 t級,最大提升高度113 m,上游通航水位變幅30 m,下游通航水位變幅11.8 m,承船廂尺寸132 m×23 m×10 m,三峽升船機是當今世界上規模最大的升船機。

2 荷載試驗的目的和原型監測的內容

模擬升船機正常運行工況和極端工況,通過對升船機內施工期安裝的遙測垂線坐標儀、伸縮儀、鋼筋計等監測儀器進行同步、實時跟蹤原型監測,以檢驗正常運行工況和極端工況對升船機結構的影響,保證升船機運行全工況下的安全可靠性,同時,為后續運行和管理提供技術參照和積累經驗。

升船機荷載試驗主要包括船廂體荷載、船廂加水3.5 m、模擬沉船工況試驗、水泄空試驗等,監測內容包括塔柱變形、應力應變等。升船機結構的復雜性、設備的高精密度、以及運行的高同步要求,對原型安全監測提出了極高的要求。

3 原型監測成果分析

3.1 塔柱水平位移

塔柱水平位移采用正、倒垂線遙測坐標儀進行觀測,每小時采集1次數據,試驗期間,獲取了大量的原型監測數據,可以全面反映塔柱長周期溫度影響和日溫差變形影響。

3.1.1 施工期塔柱水平位移變化特點

水平位移主要隨氣溫呈年周期性變化,降溫時X向上游塔柱向下游位移、下游塔柱向上游位移;Y向左側塔柱向右位移、右側塔柱向左位移,升溫時則相反。低溫季節1～2月份塔柱間距離減小；高溫季節8～10月份塔柱間距離增大。

表1 塔柱1荷載試驗水平位移監測成果

3.1.2 日溫差對塔柱變形的影響

監測數據也反映,塔柱變形受日溫差影響,左右岸方向變形大于上下游方向。高程越高,影響越大。受日照、熱輻射不均勻等因素影響,即便是日照同側面,同高程不同的工程部位,其達到日變形峰值的時間也略有差異,因此,對于局部高精密度部件,考慮日溫差變形影響不容忽視。

3.1.3 荷載試驗期間水平位移

荷載試驗共分為4個階段進行,即：工況1,船廂體荷載試驗;工況2,船廂加水3.5 m試驗;工況3,沉船試驗;工況4,船廂水泄空試驗。

荷載試驗期間,1號塔柱原型監測數據見表1。

船廂加載后,相當于加荷6 824.87 t, 1、4號塔柱表現為向右岸方向位移,最大值分別為-4.35 mm 和-5.19 mm；2、3號塔柱基本變現為向左岸方向位移,最大位移增量為3.15 mm和2.21 mm。

船廂加水3.5 m,相當于增加荷載8 750 t,1、4號塔柱產生向左岸方向位移,最大位移增量分別為2.63 mm和2.39 mm；2、3號塔柱產生向右岸方向位移,最大位移增量分別為-1.28 mm和-2.51 mm,工況1和工況2均為加載試驗,卻產生位移方向相反的結果,其原因是工況2試驗時間較長,受溫度影響所致。工況1平均氣溫11.2 ℃,溫度增量7.0 ℃,工況2平均氣溫近21.7 ℃,說明溫度荷載影響遠大于水荷載影響。

模擬沉船工況試驗期間,水平位移變化不大,上下游最大向下游位移2.34 mm,為4號塔柱175 m高程測點；最大向上游位移-1.29 mm,為2號塔柱84.5 m高程測點。左右岸向左岸最大位移2.31 mm,位于3號塔柱175 m高程；向右岸最大位移4.01 mm,位于2號塔柱175 m高程。與施工期監測數據進行比對,模擬沉船工況試驗期間變形值所占比例較小,表明溫度是塔柱變形的主要因素,船廂荷載加載而引起的塔柱變形較小。

從水平位移分布來看,沿高程方向,塔柱產生微量S形變形,此種情況與塔柱在高程196 m處為一個連接結構整體,船廂荷載在中部高程施壓,使得塔柱結構發生變形,與理論計算規律相一致的。實測水漏空試驗前后塔柱變形在1 mm以內。

3.2 垂直位移

3.2.1 施工期垂直位移特點

在船廂室底板和頂部機房布設了水準測點,塔柱側壁安裝了伸縮儀。船廂室底板沉降值隨塔柱澆筑高度上升而增大,升船機房平臺合攏,底板沉降范圍為3.08～3.88 mm。2015年11月輔助設備、船廂室等安裝后,基礎沉降范圍為4.45～5.39 mm。

機房高程各測點最大累計沉降量41.97～43.54 mm,主要隨氣溫呈年周期變化,年變幅約40 mm,一般2月沉降值最大,8月沉降值最小,各測點沉降測值基本一致,最大沉降差為1.47 mm。

根據底板和頂部機房垂直位移監測成果可以判斷,機房頂部的沉降并非為塔柱整體的基礎沉降,而是塔身混凝土受溫度變化影響的伸縮變形,水準測量成果和伸縮儀監測成果表現規律性一致。

3.2.2 荷載試驗垂直位移

試驗前,升船機頂部機房底板各測點累計沉降21.48～22.19 mm之間；相對沉降在-0.71～0.20 mm之間；試驗后,各測點累計沉降在20.96～21.86 mm之間,相對沉降在1 mm以內。各測點相對變形在試驗前后變化均較小。

船廂試驗未對塔柱產生不均勻沉降。

3.3 結構應力應變

3.3.1 鋼筋應力

3.3.1.1 施工期特點

塔柱各測點鋼筋應力在-51.87～28.61 MPa之間,橫梁鋼筋應力約在-51.30～29.97 MPa之間,多數測點鋼筋表現為受壓。

大部分鋼筋拉應力在50 MPa以內,較大鋼筋應力在混凝土澆筑后一個月左右出現,之后鋼筋應力沒有超過澆筑初期應力,后期應力主要隨溫度呈年變化,與溫度負相關。

3.3.1.2 荷載試驗期間鋼筋應力變化

沉船試驗前后,各鋼筋應力增量在-9.70～7.60 MPa之間,平均增量為-0.15 MPa；水泄空試驗前后,各鋼筋應力增量在-3.50～0.40 MPa之間,平均增量為-0.47 MPa。總的看來,試驗的鉛直向荷載變化對塔柱鋼筋應力影響很小,荷載試驗期間,各測點鋼筋應力前后變化量小于10 MPa。

3.3.2 混凝土開度監測

在塔柱平衡重軌道處寬槽,布置了測縫計,監測寬槽一二期混凝土接縫情況。

實測牛腿一二期混凝土接縫開度在-0.05～0.25 mm之間,開度測值基本不受溫度影響,升船級荷載試驗、聯合調試階段,筒體牛腿混凝土間開度無明顯的增加。說明一二期混凝土膠合度良好,沒有明顯的裂縫。

4 結 語

(1)升船機塔柱為高薄壁結構,受溫度影響明顯,荷載試驗中溫度變形分量甚至超過船廂體、水體荷載變形,采用遙測垂線坐標儀、伸縮儀實時原型監測,可以起到分離變形量的作用。

(2)荷載試驗期間,升船機彈性工作狀態良好,船廂加載和廂體充泄水對升船機結構變形和應力影響不明顯；

(3)受日照、熱輻射不均勻等多因素影響,即便在同側不同工作部位,溫度變形存在微弱差異,對于局部高精密度部件,其變形影響不容忽視。

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(責任編輯 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

李紅霞(1971—),女,湖北麻城人,高級工程師,主要從事水利水電工程施工、科研和管理等工作．

U642

A

0559- 9342(2017)03- 0081- 03