基于揚壓力監測的混凝土壩結構評估

韓 記

(阜陽市潁泉水利建筑有限公司，安徽 阜陽 236000)

1 概述

我國已有各種大壩18600多座，其中100m以上的14座均為混凝土壩[1- 2]。我國大壩大多建于20世紀50—70年代，近些年來新建大壩較少，老化逐漸成為我國混凝土壩面臨的重要病害問題之一[3- 5]，因此延長現有混凝土壩的使用壽命或更換方案成為當前水利工程管理中亟待解決的一項重要課題。大壩建設必須滿足行業指南和大壩安全法規規定的要求[6]，并且需要相關人員在現場持續監測其狀況。目前，關于揚壓力的監測多應用模型進行分析。王曉蕾等[7]在實測數據基礎上建立了壩基揚壓力與相關因子的逐步回歸模型，結果證明建立的模型模擬程度較好。劉冬臨[8]利用BP神經網絡模型定量研究各因子對揚壓力的影響，結果發現該模型無法對非線性系統進行模擬，預測精度難以保證。喻涵[9]利用逐步回歸分析、遺傳算法、模糊邏輯推理等方法對大壩統計模型進行了深入研究，發現采用遺傳算法優化的模型在擬合精度和預測精度上都要優于逐步回歸模型。本文利用集成自動監測大壩揚壓力，大大縮短了前期獲得實測數據的時間，再以混凝土壩結構監測為背景，給出了基于時域反射法(TDR)監測揚壓力的實例，并將揚壓力應用于基于概率模型的大壩結構評估中。

研究使用設備是TDR100脈沖發生器和SDMX50同軸多路復用器。250mV的發射脈沖上升時間≤0.3ns，脈沖長度為14μs。一般來說，脈沖發生器的主要缺點是在預定義時間間隔內對自動測量的支持有限，而TDR100在一定程度上可以實現該功能。本研究主要目標是開發軟件來控制揚壓力監測，并將其集成到常規的過程數據信息系統中。

2 試驗方法

2.1 結構可靠性分析

常規結構設計和評估是基于總安全系數[10]，而不是基于對結構行為和荷載不確定性的理解。這些設計概念的區別在于處理不確定性的方式。在常規設計過程中，必須使用較大的安全系數來確保實際達到所需的安全水平，從而導致資源的不經濟使用。分項系數法考慮了荷載的可變性，在具有較高自然變化的荷載中使用較大的安全系數，使得設計更經濟。

概率模型是通過監測實際荷載和強度以及分析模型中的不確定性中獲得的信息引入決策過程。這對現有結構提供了更高的利用率，因為結構的設計不再是通用的，而是特定于對象的。結構基于概率模型的評估提供了良好的決策支持，這是因為可以通過敏感性分析確定重要參數，剩余使用壽命可以表示為所需使用壽命的生存概率，而不是通過確定性分析得到是或否的答案。使用可靠性方法可以用于計算和評估現有大壩結構的穩定性。

2.2 揚壓力

揚壓力通常是混凝土壩的主要荷載之一。上世紀30年代，揚壓力被納入大壩設計中，但揚壓力只能在有限點測量，難以進行量化，因此設計假設趨于保守。本文采用理論模型來描述揚壓力分布，結合相關混凝土壩揚壓力測量值，發現將灌漿帷幕和排水孔線相結合，可以有效地降低揚壓力。排水是減少揚壓力的最有效方法，揚壓力模型通常通過減少揚壓力線性變化來處理排水溝的存在。然而，排水溝對裂縫中揚壓力的影響尚不清楚。而灌漿帷幕對揚壓力的影響需要結合后續措施，一旦缺失，灌漿帷幕降低揚壓力的效果并不顯著。

目前，揚壓力模型是基于巖體表現為多孔介質假設的[11]。如果巖體存在裂縫，則通常認為揚壓力是均勻的，并與裂縫口處的揚壓力相等。其次，研究表明裂縫內的揚壓力是裂縫張開度的函數，并且沿裂縫過程帶，該壓力從全儲層壓力降至零。在無裂縫區域，揚壓力從大壩上游面的源頭到下游面的尾水呈線性變化。

隨著水庫水位的增加，揚壓力呈指數變化。在不同的季節熱負荷和較高的水庫水位下，排水效率和相應的揚壓力分布無法以任何置信度來預測。空氣和水的季節性溫度變化會給混凝土重力壩施加熱負荷，導致結構運動轉移到基礎層面，造成張力的變化。總之，水庫負荷和熱負荷會可能導致揚壓力偏離大壩設計時的預期值。荷載變化對揚壓力的影響程度主要取決于壩下形成流道的巖石節理的滲透性和地基處理的類型和程度。

2.3 用于監測揚壓力的TDR

TDR脈沖發生器以電壓隨時間變化快速上升階躍函數的形式生成脈沖，當脈沖被傳輸到同軸電纜時，能量會從沿其路徑的所有阻抗變化中反射出來。特定點處阻抗變化的量度是反射系數(ρ)，表示為入射階躍(Vi)上反射脈沖的幅度(Vr)。通過序列采樣建立了反射圖，以每個數據點上疊加測量值來平均信號，并增加測量時間抑制噪聲。

在水位應用中，傳感器可以當作空氣介質電纜，允許水在內部導體和屏蔽層之間的充氣空間上下移動。在空氣-水界面處遇到的強反射導致了反射圖(如圖1所示)中出現一個尖銳的負向彎曲。隨著水位變化，反射圖沿x軸平行移動與水位變化相等的距離。在本案例中，表觀水位是通過對測量特征應用閾值方法來確定的，如圖1所示。該方法具有自動化簡單、避免噪聲影響等優點。在分析中，閾值與x軸平行，計算線與反射圖之間的交叉點被作為根據基準采樣點校準的表觀水位。

圖1 根據TDR數據確定表觀水位

為了評估水位傳感器是否適合現場安裝，并為軟件開發提供信息，本文在實驗室中模擬了立管中測量的揚壓力。一個垂直的有機玻璃管連接到分流供水系統中，建立揚壓力模擬設置。剛性21.4mm固體屏蔽空氣介質同軸電纜傳感器是最適合本研究的傳感器。電纜的相對傳播速度為0.92，從管的頂部開口端插入，并連接到TDR100。在實驗中，先充水至基準面，然后升高，再降低至基準時進行TDR監測。實際水位由手動標尺讀數確定。實驗結果見表1。

表1 實驗中測量水位(WL)的結果

初始水位下的測量結果如圖2所示，隨后在降低水位下進行測量，然后再次升高至初始水位。每個數據集代表一個由4次重復測量疊加而成的信號，反射系數為-0.1時對應的交點處解釋了試驗空氣-水界面反射的距離。基于112次測量下3種不同水位的變異系數(COV)≤0.0020m。將相對水位變化與標尺讀數從基準面到低水位，以及從低水位回到基準面進行比較，結果差值分別為-0.4mm和+1.2mm(見表1)。實驗結果表明，該方法適用于水位自動測定，精度<2mm。對于揚壓力測量，這種精度是足夠的。

圖2 基于實驗室試驗的TDR數據自動解釋水位的結果

3 現場試驗

本案例研究位于丹江口135m長的重力壩，如圖3所示，大壩建在傾斜的花崗巖表面上。在進行混凝土施工前，沿大壩上游面設置2排灌漿帷幕以降低揚壓力。調查僅限于15根混凝土柱中的1根，這些混凝土柱都通過泄水閘連接。立柱的上游面高度為6.8m。

揚壓力采樣點是基于與混凝土結構隔離的開放式立管系統，如圖3(b)所示，立管中的水僅代表地基水流量。立管有一個填沙器，從混凝土-巖石界面延伸到巖石中約0.5m。安裝的塑料管起到立管(φ30mm)的作用，將取樣點與潛在的混凝土水通量隔離，管材和混凝土之間的空隙被膠結。

圖3 (a)丹江口大壩的總圖；(b)揚壓力采樣點的主要設計；(c)被調查柱的橫截面(單位：m)

包括水庫水位監測在內，調查共涉及5個采樣點。最靠近立柱下游側的點表示為BH1，其次是BH2、BH3和BH4點，BH4點靠近上游面。第5點是1根立管，直接放入到水庫中并固定在柱子上。使用TDR100脈沖發生器每隔15min進行測量(在某些時間段中每30min進行1次)，立管中觀測的水位代表某一時刻的揚壓力。鉆孔垂直于水庫(沿著立柱中心線)，鉆孔位置設置了2個測點，這2個測點對揚壓力分布的影響最大，如圖3(c)所示。當巖石表面傾斜時，鉆孔深度隨著與儲層的距離而增加。鉆孔顯示整體混凝土質量較高。

利用數碼相機測井，對所有4個鉆孔的混凝土-巖石部分進行了成像測井。鉆孔和成像測井均顯示巖石破裂，這在上游最為明顯。4號孔(BH4)位于灌漿帷幕附近，預計會遇到灌漿。從BH4成像測井可以看出，巖石節理受到了淋濾的影響。在地基的下游，巖石質量及其與混凝土的接觸都有改善的趨勢。該部分對已有裂縫仍采用水泥漿填充。測井曲線還顯示，竣工柱高度與施工圖紙不同，這對測量的揚壓力有影響。

4 揚壓力監測結果

4.1 不同橫截面處的揚壓力變化

前7個月的揚壓力測量結果如圖4所示。由于在使用TDR100時遇到的實際問題，某些時期缺乏數據。立管中測得的表觀水位(以立柱頂部為基準)已根據電傾角計手動測量的結果進行校準。此后，利用鉆孔和鉆孔成像的數據將距離轉換為水位高程，得到一個代表采樣點真實揚壓力的值。在圖4中，揚壓力也考慮了不斷變化的上游水位，并以水位的百分比表示。圖中未顯示BH1的揚壓力數據，這是由于測量的揚壓力始終為零。

圖4 7個月內BH2、BH3和BH4揚壓力監測結果

考慮到標準模型假設從上游面到下游側的揚壓力呈線性下降，BH4的揚壓力最高，BH3和BH2的揚壓力值較低。此設置在10月的幾天內是正確的，但在立柱的中心部分(BH2)發現最高揚壓力時，則相反。這是因為：①沿傾斜基巖不斷增加會產生額外的揚壓力。②盡管帷幕深8m，但仍存在與儲層接觸的巖石裂縫，其影響明顯受溫度控制。

與BH3和BH4相比，BH2的揚壓力相對穩定，BH3和BH4從6月開始出現顯著的低揚壓力，之后隨著氣溫的降低，在秋季出現穩定增加。8月中旬，在高氣溫之后，揚壓力會出現短暫的下降。在12月和1月，出現了上升波動。觀測結果表明，冬季揚壓力的COV隨著與水庫距離的增加而減小。

4.2 水庫水頭對揚壓力的影響

通過在12:00、14:00和16:00打開溢流閘時揚壓力的變化如圖5所示。在每次事件之后，溢流閘門打開大約30min，水頭慢慢穩定在5.4m左右。從圖中可以看出，在第1個事件期間，水頭下降了0.4m，且測量間隔時間越短，壓力峰值可能越大。立柱中部的增幅大于其上游部分，這再次表明水庫和立柱的中間部分之間存在連接，而與立柱的上游部分沒有這種連接。第2個和第3個分接頭處的水頭下降較小，相應的揚壓力變化幅度也較小。在17:00時，揚壓力穩定下來。

圖5 3次反復降低和增加水庫水頭時對揚壓力的影響

在采樣點之間，揚壓力響應沒有隨時間變化的趨勢，即對水庫水位變化的響應在所有3個點都是即時的。揚壓力數據序列之間的相關分析表明，BH3和BH4的相關系數為96%，BH2和BH4的相關系數為70%。值得注意的是，水庫水位與揚壓力沒有很好的相關性(10～20%)，因為水頭降低對揚壓力有相反的影響(如圖5—6所示)。在秋季和冬季，揚壓力變化幅度偶爾會出現快速變化。隨著氣溫的降低，BH3和BH4的揚壓力變化穩步增加。在11月22日達到峰值的同時，BH2的揚壓力突然從2m降至略低于1.5m，與這種情況相對應的是氣溫的上升。BH3和BH4的揚壓力相對穩定地下降了近1個月，而BH2的揚壓力保持不變，直到12月初再次突然跳回較高的揚壓力水平。這是因為當應力狀態超過閾值時，基巖中節理的溫度控制開啟和關閉改變了節理的水流狀態。

4.3 不同揚壓力分布情況

綜上所述，使用目前模型估計的揚壓力與現場實際測量的壓力之間沒有相關性。存在差異是出于安全考慮，但不適用于由于灌漿帷幕導致揚壓力減少50%的假設。敏感性分析結果表明，揚壓力分布對結構的安全性有很大影響。所研究的極限狀態分為傾覆狀態和滑動狀態，并建立了極限狀態方程，如下：

MR-MS<0

(1)

(2)

式中，MR—阻力，N；MS—驅動力矩，N/m；tanδg—摩擦系數；H、V—產生的水平力、垂直力，N；θ—滑動面的角度，(°)。滑動的極限狀態方程直接取自我國大壩設計要求，由于粘聚力特性存在很大的不確定性，因此不考慮巖石和混凝土之間的粘聚力。

圖6 11月中旬至1月中旬期間測量的水庫水位和氣溫變化

5種不同揚壓力分布情況的分析比較如圖7所示。案例1：在設計中，假設揚壓力呈線性遞減。但花崗巖的地基不滿足這一假設，因為其不是多孔介質。案例2：大壩下游地勢陡傾，下游水位低于壩趾約8m。在常規設計中，很少考慮壩趾以下的水位，但此案例假定揚壓力從上游水位到下游水位呈線性變化，從而導致混凝土-巖石界面的揚壓力在壩下的“零點”等于零，此情況也被稱為“下游水的真實位置”。案例3、4：同時考慮壩趾下游水位(3)及其實際位置(4)。案例5：分析了實際測量的揚壓力。理想情況下，計算出的安全指數應基于最大年度揚壓力的統計分布。由于數據集較短，每個采樣點最大實測揚壓力的正態分布被用作平均值，假設COV為20%。在案例1-4中假設該不確定性為對數正態分布，平均值為1，COV為0.15，見表2。在案例5(監測結果)中，預計各鉆孔之間的揚壓力呈線性變化。從安全的角度來看，所有鉆孔會同時出現高揚壓力。

圖7 (a)大壩上的作用力；(b)揚壓力分布

表2 可靠性分析中使用的最大實測揚壓力和COV

使用一階可靠性方法和軟件計算安全指數。案例1—5在不同荷載條件下的安全指數見表3。

表3 安全指數計算結果

為了達到正確的目標安全指數(β目標)，還需考慮所分析案例的發生概率。1級被認為是“一直”狀態。2級可能是雷雨期間發電站機組停運造成的回水，根據運行人員的說法為“每年發生幾次”，因此P(2級)≈1/年。3級在20年內發生過2次，因此P(3級)≈0.1/年。因此，得到的目標安全指數為β目標，正常=4.8，β目標，異常=4.8和β目標，極端=4.25。

結果表明，與考慮實測揚壓力數據的情況(案例5)相比，常規揚壓力分布(案例1)嚴重低估了穩定性，即監測增加了有價值的信息。此外，分析表明采用常規揚壓力處理的竣工立柱在傾覆方面是安全的，但在滑動方面不滿足安全要求。考慮尾水位的情況下(案例2)，滑動極限狀態計算結果與監測結果較為接近。但本研究結果表明，使用監測結果，該柱仍然滿足要求。

顯然，揚壓力分布的假設對穩定性評估至關重要。為了從結構可靠性分析中獲得可靠的輸出，需要改進揚壓力假設模型的不確定性。對于未滿足設計指南穩定性要求的大壩結構，使用特定對象信息進行結構可靠性分析可以表明該結構足夠安全。長期監測將提供揚壓力值和揚壓力變化的重要信息，在結構可靠性分析中可以正確引入該信息。這些信息減少了不確定性，也有助于發現影響穩定性的揚壓力變化。

5 總結

本研究從開發自動揚壓力分析軟件，實驗室和現場的方法論證和提升數據集在可靠性安全分析中的應用等3個方面的論證，得出以下結論：

(1)地基上的附加荷載可以在一定程度上封閉淺層裂縫系統，會導致大壩下游揚壓力暫時增加。

(2)灌漿填充裂縫的最佳時期應為秋季。

(3)與實測揚壓力數據相比，常規的揚壓力分布嚴重低估了穩定性。

(4)長期監測有利于獲得揚壓力分布和變化的重要數據。

本文開發的基于TDR的揚壓力監測，在結構可靠性分析中可正確提供大量的可用數據，為大壩工程決策提供了判斷依據。但仍出現異常情況的揚壓力值，無法保證完全的準確性。