面板堆石壩面板撓度監測方法研究

任 律，彭 浩，卞曉衛

(1.水電水利規劃設計總院，北京 100120；2.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

隨著我國水利水電資源開發的蓬勃發展，面板堆石壩因其良好的工程適應性和經濟性而被廣泛采用[1-2]。面板堆石壩主要由堆石體和防滲系統組成，包括趾板、面板、墊層、過渡層、主堆石區、次堆石區。其中，面板[3]為堆石壩重要的防滲結構之一，其與堆石體之間變形的不協調，往往會引起面板開裂、脫空、撓度過大而斷裂等不利情況發生，從而導致大壩的防滲體系出現問題，對大壩的安全構成威脅。因此，在面板壩的整個生命周期內對面板的變形進行監測，掌握面板的工作狀態，是一項必不可少的工作。本文對國內外現有面板壩面板變形的監測手段進行了總結，并提出采用在面板內部布置柔性測斜儀(SAA)對其三維變形進行監測的新方法，該方法已在某大型水利項目成功實施，獲得了有效的監測數據，可為同類工程借鑒。

1 面板撓度變形現有監測方法

1.1 活動式測斜儀

活動式測斜儀[4]整套裝置包括測斜儀探頭、電纜、測斜管和讀數儀。通常需要人工將測斜儀探頭沿測斜管內勻速移動，以0.5 m的固定間距測出各段處發生位移后測斜管相較于其初始狀態時的夾角，然后計算該段處的位移，從而可以得到各段處的相對位移、絕對位移和累計位移等隨孔深的變化情況。將測斜管埋設安裝在面板內，即可通過測斜儀測量出面板全長范圍內的連續變形情況。

用于面板撓度監測的活動式測斜儀通常為經過改造的斜測斜儀，即將其內置的加速度計旋轉一定角度以適應面板斜坡面的傾角。因此，在大角度、長線路時無法實現正反測自校，需要通過現場標定來消除誤差。采用高精度測斜儀低精度使用的方法來代替斜測斜儀雖然可行，但在大角度工作時，無法滿足觀測精度要求，且在長期的使用過程中，難以避免零點偏移誤差、角度定位旋轉誤差、深度測量誤差以及測斜管導槽自身扭轉誤差等影響，無法保證長期數據的精準性。同時測斜管是一段一段連接起來的，過程中必須保證各段測斜管的導槽對正且最終安裝方向與所測變形的方向平行或垂直，施工及保護難度較大。另外，長期使用過程中，若測斜管發生較大的變形、管內淤積或被雜物堵塞，導致測斜儀探頭無法在測斜管內自由通行，將無法進行觀測。

1.2 固定式測斜儀

固定式測斜儀[4]是將單個測斜儀固定在測斜管內，測量該位置的夾角變化，計算該位置的位移，特點是一個傳感器只能測一個位置。因此，沿面板坡向5～15 m間距串聯布置多個傳感器，即可得到面板的變形情況。

相較于活動式測斜儀，固定式測斜儀易于實現連續、實時自動化觀測，但是由于測點固定，一套測斜管需要安裝多個傳感器才能夠較為完整地反映被測結構的變形，造價高，傳感器損壞后難以維修。

1.3 電平器

電平器[4]也是一種單點傾角計，傳感器靈敏度高，體積小，可通過支架直接固定在被測結構內部或表面，施工簡單快捷，儀器不受角度限制，運行期易于實現全自動化監測。國內最早由天生橋一級水電工程[5]引進應用巴西里約熱內盧天主教大學的電平器，目前已成為面板撓度監測方面最廣泛應用的一種儀器，但是多年來的實際使用效果并不佳。

這是因為電平器反映的是角度點位移，可以說是一種間接觀測，即通過對不連續的測點測值后得到擬合曲線的積分值。如果測點間距過大，擬合的效果就會很差，即整體精度很大程度上取決于儀器布置的疏密。此外，蓄水后，鋪蓋以下測點極易損壞，損壞后相應的計算無法進行且測點儀器無法修復，導致整套系統作廢。

文獻[6]指出目前廣泛采用的表面安裝電平器的形式，存在儀器保護困難及影響美觀的問題，提出將電平器內置在混凝土面板內部的埋設安裝新思路，并且在德澤水庫樞紐工程面板壩進行了成功應用。雖然此方法可行，但是仍然無法克服單支傳感器點測量的弊端，觀測成果精度依賴于傳感器布置的疏密程度，無法獲取面板的連續變形。同時，施工過程中傳感器可能會受到混凝土澆筑、鋼筋焊接等施工干擾而存在被損壞的風險。

1.4 光纖陀螺儀

光纖陀螺儀[7]是一種基于薩格奈克效應的敏感角速度傳感器。該儀器靈敏度高，受干擾小，可實現撓度線的連續性監測，但是光纖陀螺易受振動等外界因素干擾而引入測量噪聲，角速度存在漂移且會累積而導致測量錯誤。同時，運用在面板撓度監測時，整體系統可動部件多，每次測量時陀螺儀小車在圓形鋼管通道中拖動距離長(水布埡拖動800余米，且小車軌道缺乏唯一性)，對測量精度的重復性、穩定性的不利影響因素較多。另外，整套系統的成本較高，使用率低，施工過程中需要在壩坡面上吊裝鋼管，存在安全隱患。

1.5 磁慣導系統

磁慣導系統[8]由磁通門傳感器、慣性傳感器和數據記錄儀組成。磁慣導系統監測撓度變形是將管道埋設于面板下方，借助小車自重或適量的配重讓小車運行至管底，然后拖拉小車至管口，完成整條管道各高程截面的位置監測信息。通過在水布埡面板撓度監測實踐成果來看，該方法是可行的，且經濟性要明顯優于光纖陀螺儀。但是受技術水平限制，在300 m之后測值精度下降，與光纖陀螺儀測值最大偏差竟達到30 mm以上，尚需改進。

2 面板撓度變形SAA監測系統

2.1 柔性測斜儀SAA

柔性測斜儀[9-10](SAA)是一種可以被放置在一個鉆孔或嵌入結構內的變形監測傳感器。它由3段連續軸和微電子機械系統(MEMS)加速度計組成。每段軸有一個已知的長度；通過檢測各部分的重力場，各段軸之間的彎曲角度便可以計算出來，利用計算得到的彎曲角度和已知各段軸長度，SAA的變形便可以完全確定出來。當垂直安裝時，SAA可以用來確定三維變形；水平安裝時，SAA可以用來確定二維變形。當SAA安裝與頂點角度達到60°時，便可以確定三維變形。

SAA傳感器為微機電加速度式(EMES)，每段轉角測量標稱精度為±0.5°%，按每段長度30 cm和50 cm計，則每段變形測量精度分別為0.026 2、0.043 6 mm；全長變形精度±1.5 mm/32 m，即32 m累計變形測量誤差為1.5 mm；防水等級為100 m；動態取樣速率70～100 Hz。

圖1 柔性測斜儀(SAA)

SAA通常安裝在聚氯乙烯管道中，然后將管道放在孔內并進行灌漿，任何變形都能夠通過測量SAA的形狀變化準確得到。SAA可以重復使用，傳感器精度可以達到毫米級，關節能夠彎曲90°，故能承受較大的變形。同時，可以將測量數據無線發送到服務器進行自動化處理，獲得遠程數據的實時分析。

2.2 實施工藝流程

SAA面板撓度監測系統布置見圖2。在施工前，需根據面板長度和設計布置要求來定制與之匹配的SAA傳感器，同時做好儀器的現場檢驗工作，確保其各項性能滿足工程需求?，F場施工的工序主要分為以下幾步。

第一步，連接拼裝。在混凝土面板鋼筋施工的同時，將準備好的測管分段通過伸縮節連接，接頭處做好防水密封處理，并用鐵絲預固定在鋼筋上。每段綁扎后，要檢查接頭和管身的穩固性。循環上述步驟，直至面板頂部。整個過程中，保證測管的連接固定工作與面板鋼筋施工同步進行。

第二步，套管填充。將SAA測量系統依次穿入保護管內，然后將整套系統放入測管內。緊接著，在陣列式三維測量系統與測管之間的空隙填充細砂，細砂的粒徑根據空隙實際大小確定。細砂的填充要緩慢勻速，同時為保證填充后細砂密實，過程中每填充一段后注入適量的水，使細砂自密實，直至填充至管頂即停止。

第三步，調試與數據采集。測量管口初始坐標值，將SAA測量系統接入外部數據采集模塊，并檢驗數據采集和傳輸是否正常。

第四步，封閉保護及后續觀測。在管口外部澆筑混凝土保護墩，確保外部雜物或雨水等不對儀器造成影響。

最后，在保護墩同部位澆筑一個表面變形觀測墩，利用工程區外觀控制網取得表面變形觀測墩的坐標值，后期利用表面變形觀測墩來校核管口坐標值，以校核歷次觀測成果。

由于SAA測量系統測量自身適應性強，將其埋設在混凝土面板內部，可實現對面板三維變形的連續性觀測且可實現全過程的自動化監測。同時，系統自身在安裝過程中基本不受施工干擾影響，安裝完成后亦得到很好的保護，可大大提高安裝質量和儀器使用壽命。另外，由于其與測管之間采用細砂填充，意味著其后期是可以取出的，因此具有可重復利用、可維修的優點。

圖2 面板撓度變形SAA監測系統布置示意

2.3 應用效果

國內某一等大(1)型水利樞紐工程擋水建筑物為混凝土面板堆石壩。選擇壩基覆蓋層最厚的部位作為主要監測斷面布置柔性測斜儀系統，整條線路由水平連接板至面板頂部，使用的柔性測斜儀總長約323 m。后續將監測電纜接入觀測房并納入自動化觀測系統。目前已投入運行6個月。根據其中一塊一期面板內的SAA系統測量成果繪制面板撓度分布，見圖3。

圖3 SAA監測一期面板撓度分布

由圖3可知：SAA系統測量的面板沿長度方向的變形是連續的，測值線順滑穩定無突變點，分布規律主要為在一期面板澆筑后的初期，沿面板長度0～47 m范圍內，面板主要表現為向上凸的微小變形；在沿面板長度48～101 m范圍內，面板則基本無變形。隨著大壩填筑的進行，一期面板主要表現為向下凹的變形，且沿面板長度方向緩慢增大，最大變形發生在一期面板的頂部。目前水庫尚未蓄水，面板變形主要受大壩堆石體沉降變形影響，測值無異常。

3 結 論

采用在面板內部布置柔性測斜儀(SAA)對面板撓度變形進行監測，可實現全過程的自動化監測，所獲取的面板沿長度方向的變形是連續的，測值線順滑穩定無突變點，分布規律較好，所獲取的面板撓度成果與實際情況相符，表明本文提出的方法是可行的。同時，較傳統監測手段而言，具有易于保護，可重復利用，可維修的優點，值得推廣應用。