黎佛林 ， 蔡德所 ，2， 秦 鵬 ， 唐 鑫

（1.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 340033；2.廣西壯族自治區(qū)水利廳，廣西 南寧 530023）

0 引言

隨著振動(dòng)碾壓技術(shù)的提高，面板堆石壩在我國(guó)已成為主要比選或首選壩型[1]，特別是在金沙江、雅魯藏布江等地形地質(zhì)復(fù)雜、交通運(yùn)輸困難、缺乏防滲土料的西南地區(qū)具有巨大的發(fā)展空間[2]。面板堆石壩主要按分期堆石筑成，迎水面板可止水防滲。若面板變形過(guò)大，就會(huì)使面板產(chǎn)生裂縫，導(dǎo)致防滲系統(tǒng)破壞而大面積滲漏，危及大壩安全[3]。基于此，面板撓度監(jiān)測(cè)就成為面板監(jiān)測(cè)的重中之重。

面板撓度監(jiān)測(cè)常規(guī)儀器主要使用傾斜儀，它適用于小變形測(cè)量，如果壩體變形超過(guò)一定限值，測(cè)試導(dǎo)管彎曲過(guò)大，傾斜儀探頭就無(wú)法通過(guò)導(dǎo)管而使監(jiān)測(cè)中斷[4-5]。司洪洋指出傾斜儀監(jiān)測(cè)高面板壩有一定的難度，體現(xiàn)在測(cè)斜儀的性能與測(cè)管的長(zhǎng)度兩方面[5]。袁培進(jìn)、吳銘江指出以伺服加速度計(jì)作為傳感元件的傾斜儀會(huì)不可避免地給測(cè)值帶來(lái)較大的誤差，若采用通常的垂向測(cè)斜儀顯然是不行的。水布埡水電站采用了美國(guó)產(chǎn)固定式傾斜儀進(jìn)行面板撓度監(jiān)測(cè)。光纖陀螺儀 （FOG）應(yīng)用于面板撓度監(jiān)測(cè)是在1999年，蔡德所等進(jìn)行光纖陀螺監(jiān)測(cè)面板撓度相關(guān)技術(shù)的理論、實(shí)驗(yàn)和工程應(yīng)用研究[6]，并于2003年與中國(guó)航天科技集團(tuán)上海光纖中心合作，將光纖陀螺首次用于思安江水電站面板堆石壩撓度監(jiān)測(cè)。目前，該技術(shù)已連續(xù)應(yīng)用于桂林思安江水電站、清江水布埡水電站、貴州董箐水電站的監(jiān)測(cè)中。

1 水布埡水電站面板變形監(jiān)測(cè)

水布埡水電站面板變形監(jiān)測(cè)中使用了電解液傾斜儀和光纖陀螺儀，在面板長(zhǎng)度最大斷面0+212樁號(hào)鋪設(shè)FOG測(cè)量軌道，同時(shí)在該斷面上埋設(shè)了45支傾斜儀，監(jiān)測(cè)儀器布置見(jiàn)圖1。在這45支傾斜儀中，由于儀器自身和所處環(huán)境等原因，目前有21只能正常測(cè)量，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)高程及其測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差值 （STDEV）見(jiàn)表1。

圖1 水布埡水電站面板撓度監(jiān)測(cè)儀器布置

表1 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)高程及其測(cè)量的STDEV值

2 兩種測(cè)斜儀測(cè)斜結(jié)果

以186 m高程這一關(guān)鍵點(diǎn)為例進(jìn)行分析。因?yàn)殚_(kāi)始測(cè)量時(shí)間不一致，為更好作比較，選取統(tǒng)一的時(shí)間 （2007年3月）為基準(zhǔn)點(diǎn)[7]。從2009年5月至2011年11月，光纖陀螺所測(cè)的各月平均撓度值=44.70 mm，傾斜儀測(cè)的各月平均撓度值=44.06 mm（以面板法向向下為正，反之為負(fù)）。該點(diǎn)各月監(jiān)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)R=0.055，說(shuō)明兩者幾乎不存在相關(guān)性。兩者的差異性檢驗(yàn)見(jiàn)表2，三種檢驗(yàn)方法的顯著性水平值P均小于0.05。因此，兩種測(cè)斜儀測(cè)斜結(jié)果存在顯著性差異。

表2 傾斜儀與FOG的差異性參數(shù)檢驗(yàn)

利用游程檢驗(yàn)，傾斜儀的漸進(jìn)顯著性水平的雙尾檢驗(yàn)結(jié)果0.059≈0.05，陀螺儀檢驗(yàn)結(jié)果0.000＜0.05，可認(rèn)為面板撓度受因子影響特別顯著。此外，近兩年半來(lái)庫(kù)水水位變化很小，因此，包括徐變?cè)趦?nèi)的各作用因子還有待探究。

選擇該點(diǎn)在2011年的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，兩種監(jiān)測(cè)結(jié)果相關(guān)系數(shù)R=0.23（見(jiàn)圖2），這說(shuō)明兩者聯(lián)系不明顯。從表1可知 ，除260、264 m和388 m高程外，電解液傾斜儀標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)遠(yuǎn)大于陀螺儀的標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)。若標(biāo)準(zhǔn)偏差越大，說(shuō)明變化幅度越大，反之，其變幅越小。

圖2 兩種監(jiān)測(cè)結(jié)果相關(guān)系數(shù)

從整個(gè)面板長(zhǎng)度方向上分析監(jiān)測(cè)結(jié)果。面板撓度年際變化選取2010年6月份與次年6月進(jìn)行比較分析。2010年6月，傾斜儀與陀螺儀監(jiān)測(cè)值變化趨勢(shì)大致相同，都垂直面板向下 （因傾斜儀TM01_1_8在面板長(zhǎng)度89.44 m值為奇異點(diǎn)，經(jīng)過(guò)插值處理），見(jiàn)圖3。傾斜儀的點(diǎn)式測(cè)量不能準(zhǔn)確反映面板撓度變形。傾斜儀在面板長(zhǎng)度80～130 m、150～200 m區(qū)間撓度值監(jiān)測(cè)結(jié)果在小范圍波動(dòng)，兩端值較大，說(shuō)明傾斜儀測(cè)值變化不連續(xù)具突變性。光纖陀螺儀監(jiān)測(cè)值呈 “W”雙谷形變化。

圖3 2010年6月監(jiān)測(cè)值比較

面板經(jīng)過(guò)1年的變形，在2011年6月的測(cè)量值中可以發(fā)現(xiàn)，面板變形趨勢(shì)與去年大概保持一致，見(jiàn)圖4。但是從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，傾斜儀測(cè)量值在面板長(zhǎng)度40～70 m、210～300 m區(qū)段變化比較明顯，最大變化值達(dá)到350 mm。FOG測(cè)量值在100～200 m區(qū)間變化較大，相對(duì)變化量約100 mm，其他區(qū)段相對(duì)穩(wěn)定。綜合分析，光纖陀螺儀更能準(zhǔn)確反映大壩面板變形情況。

圖4 2011年6月監(jiān)測(cè)值比較

根據(jù)連續(xù)30個(gè)月的光纖陀螺儀面板撓度監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)逐月測(cè)值進(jìn)行成對(duì)樣本檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。在2010年10月 （序列16）后標(biāo)準(zhǔn)偏差和平均值的差值趨小，95%的置信區(qū)間的差異范圍縮小，說(shuō)明之后面板撓度值趨于相對(duì)穩(wěn)定。

3 成果分析

從兩種方法監(jiān)測(cè)面板撓度的結(jié)果看，光纖陀螺與傾斜儀之間相關(guān)性低，陀螺儀測(cè)值變化穩(wěn)定，而傾斜儀測(cè)值波動(dòng)大。除少數(shù)點(diǎn)外，光纖陀螺測(cè)量值偏差系數(shù)遠(yuǎn)小于電解液傾斜儀。通過(guò)光纖陀螺儀的高靈敏度特性，連續(xù)的測(cè)量曲線(xiàn)更能反映面板的實(shí)際變形情況，根據(jù)光纖陀螺儀監(jiān)測(cè)結(jié)論，面板撓度在2010年10月以后變化幅度趨小。

電解液傾斜儀克服了2.5 MPa以上的高水壓環(huán)境。截至2010年，該樁號(hào)45支中有21支能讀數(shù)，但TM01_1_8測(cè)值為奇異點(diǎn)，各月的測(cè)值曲線(xiàn)相互間波動(dòng)較大。由表1可知，越靠近壩頂?shù)碾娊庖菏试酱螅?011年6月的監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)較上年整體反彈。因此，電解液傾斜儀在使用壽命和精度上有待改進(jìn)。

表3 光纖陀螺儀各月測(cè)值的成對(duì)樣本檢驗(yàn)

最近研制的光纖陀螺測(cè)斜儀能用于環(huán)境更加復(fù)雜的輸油管道中。該光纖陀螺連續(xù)測(cè)斜儀集慣性導(dǎo)航技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)通信技術(shù)于一體，兼具常規(guī)連續(xù)測(cè)斜儀和機(jī)械陀螺測(cè)斜儀的優(yōu)點(diǎn)[8]。莫文琴、姜德生等通過(guò)試驗(yàn)得出，光纖陀螺儀只需預(yù)設(shè)測(cè)量軌道，基準(zhǔn)點(diǎn)容易確定 （以起點(diǎn)為基準(zhǔn)），能多點(diǎn)連續(xù)精確測(cè)量，且可對(duì)被測(cè)工程進(jìn)行多次定期測(cè)量，基本滿(mǎn)足工程測(cè)量的各項(xiàng)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）電解液傾斜儀和光纖陀螺儀都成功應(yīng)用于水布埡水電站面板撓度的安全監(jiān)測(cè)中，但兩者的監(jiān)測(cè)結(jié)果存在顯著性差異，相關(guān)性不明顯。

（2）監(jiān)測(cè)值都垂直面板向下，光纖陀螺儀監(jiān)測(cè)值呈 “W”雙谷形；傾斜儀測(cè)值變化不連續(xù)具突變性。經(jīng)過(guò)方差分析和均值比較，光纖陀螺儀監(jiān)測(cè)值較傾斜儀的測(cè)值更準(zhǔn)確地反映大壩面板變形情況。各月測(cè)值的成對(duì)樣本檢驗(yàn)可知，面板撓度在2010年10月以后趨于穩(wěn)定。

（3）隨著光纖陀螺技術(shù)的發(fā)展，陀螺管道材料的改進(jìn)，光纖陀螺技術(shù)用于面板撓度監(jiān)測(cè)將得到進(jìn)一步發(fā)展。

［1］楊澤艷，周建平，蔣國(guó)澄，等.中國(guó)混凝土面板堆石壩的發(fā)展［J］.水力發(fā)電， 2011， 37（2）:18-23.

［2］譚愷炎.高混凝土面板堆石壩安全監(jiān)測(cè)若干問(wèn)題的討論［J］.大壩與安全， 2010（3）:6-29.

［3］季凡，趙衛(wèi).水布埡水電站大壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)與新型儀器應(yīng)用［J］.人民長(zhǎng)江， 2007， 38（7）:124-126.

［4］吳銘江，袁培進(jìn).工程安全監(jiān)測(cè)工作回顧［J］.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2008，6（4）:323-328.

［5］司洪洋.當(dāng)前我國(guó)混凝土面板壩監(jiān)測(cè)中的若干問(wèn)題［J］.大壩觀(guān)測(cè)與土工測(cè)試，1997， 21（5）:8-11， 27.

［6］朱聯(lián)祥，蔡德所.全數(shù)字光纖陀螺閉環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)［J］.光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)，2001（2）:21-25.

［7］劉健夫.光纖陀螺監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究及其在面板撓度監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用［D］.宜昌: 三峽大學(xué)， 2012.

［8］石油.光纖陀螺連續(xù)測(cè)斜儀［J］.軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品，2010（4）:29.