瀝青混凝土心墻堆石壩陣列式位移計(jì)安裝探討

唐 茂 剛， 董 陽(yáng)， 王 麒 璘

(1.華電金沙江上游水電開發(fā)有限公司蘇洼龍分公司，四川 成都 610041；2.中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650033)

1 概 述

國(guó)內(nèi)堆石壩采用水平固定式測(cè)斜儀預(yù)埋安裝進(jìn)行壩體沉降變形已有多起工程實(shí)例[1]，因常規(guī)監(jiān)測(cè)手段的局限性，只能監(jiān)測(cè)瀝青混凝土心墻與周邊細(xì)過渡料在豎直向的變形，而其水平向位移卻無(wú)法觀測(cè)。考慮到蘇洼龍壩址河谷較為開闊，覆蓋層深厚，壩基置于覆蓋層上，壩高超過100 m，且?guī)靺^(qū)容積較大[2]，相應(yīng)對(duì)瀝青混凝土心墻產(chǎn)生的壓力就大，因此，對(duì)瀝青混凝土心墻進(jìn)行水平向監(jiān)測(cè)是一項(xiàng)主要的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目[3]。

利用陣列式位移計(jì)監(jiān)測(cè)瀝青混凝土心墻變形的實(shí)例應(yīng)用不多，安裝埋設(shè)無(wú)成熟的經(jīng)驗(yàn)，需作進(jìn)一步的實(shí)踐探索，以便更好地發(fā)揮儀器的正常功能。

在綜合考慮監(jiān)測(cè)要求后，選定采用安裝陣列式位移計(jì)進(jìn)行多維度變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案，作為心墻在水平向的監(jiān)測(cè)手段。具體在主監(jiān)測(cè)斷面(壩0+268.00 m)和輔助監(jiān)測(cè)斷面(壩0+368.00 m)的心墻下游側(cè)30 cm處均設(shè)置1套陣列式位移計(jì)，底端位于廊道頂部混凝土內(nèi)，埋設(shè)位移計(jì)觀測(cè)初始值。共設(shè)置2套陣列式位移計(jì)，總長(zhǎng)208 m。由一系列角度傳感器首尾相連組成串行陣列，安放于測(cè)斜管中，每套208個(gè)傳感器間隔0.5 m。

2 陣列式位移計(jì)安裝的影響因素

在陣列式位移計(jì)安裝過程中，儀器廠家的選擇和儀器的保護(hù)是成功的關(guān)鍵[4]，針對(duì)問題必須制定相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。

2.1 陣列式位移計(jì)選擇

采用SAA陣列式位移計(jì)，SAA是ShapeAccelArray的縮寫，它是一種可以被放置在一個(gè)鉆孔或嵌入結(jié)構(gòu)內(nèi)的變形監(jiān)測(cè)傳感器，由三段連續(xù)軸、微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)加速度計(jì)[5]組成。SAA部件、術(shù)語(yǔ)對(duì)照見圖1。每段軸有一個(gè)已知的長(zhǎng)度，一般為30 cm、50 cm。

圖1 SAA部件、術(shù)語(yǔ)對(duì)照示意圖

SAA陣列式位移計(jì)使用一組密實(shí)的微電子機(jī)械系統(tǒng)加速度計(jì)陣列和經(jīng)過驗(yàn)證的計(jì)算程序測(cè)量2D、3D變形。無(wú)優(yōu)先軸，可自由彎曲，安裝方式多樣，可以豎直安裝、水平安裝或環(huán)形安裝。所選擇陣列位移計(jì)有以下優(yōu)勢(shì)：

(1)溫區(qū)補(bǔ)償，數(shù)據(jù)穩(wěn)定：SAA陣列位移計(jì)采用MEMS微機(jī)電系統(tǒng)，通過高度集成完美地消除了軸系間的誤差，采用溫區(qū)補(bǔ)償模型消除溫飄，保證數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定。

(2)方向準(zhǔn)確，精度可靠：位移分辨率每節(jié)(500 mm)最高可達(dá)0.005 mm。

(3)扭轉(zhuǎn)算法，偏量校正：SAA陣列位移計(jì)，采用專業(yè)的扭轉(zhuǎn)校正模型，對(duì)扭轉(zhuǎn)引起的變形量進(jìn)行修正。抗扭轉(zhuǎn)校正功能，是在深部發(fā)生變形時(shí)，一般不會(huì)是一個(gè)方向受力，可能是多個(gè)方向受力的結(jié)果。在變形的過程中，有可能導(dǎo)致測(cè)斜管[或陣列式位移計(jì)(柔性測(cè)斜儀)等監(jiān)測(cè)傳感器都是安裝在測(cè)斜管內(nèi)]發(fā)生上半部分、下半部分或者整體的扭轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)。如果發(fā)生這種情況，設(shè)備放在測(cè)斜管里面會(huì)隨著測(cè)斜管的扭轉(zhuǎn)而發(fā)生扭轉(zhuǎn)，這樣，角度就會(huì)發(fā)生變化，因傳感器是根據(jù)角度來測(cè)算變形量，會(huì)使計(jì)算具有非常大的誤差，結(jié)果極不準(zhǔn)確。SAA陣列位移計(jì)獨(dú)特的抗扭轉(zhuǎn)校正功能，可以把真實(shí)的變形量和扭旋引起的變形量剝離開來，分開計(jì)算，有效保障了深部位移測(cè)量的準(zhǔn)確性。

(4)在線傳輸，實(shí)時(shí)分析：現(xiàn)場(chǎng)安裝完成接通電源，即可實(shí)現(xiàn)云平臺(tái)數(shù)據(jù)回傳與分析。

(5)二次開發(fā)，平臺(tái)兼容。①測(cè)量原理(圖2)。通過檢測(cè)各部分的重力場(chǎng)，可以計(jì)算出各段軸之間的彎曲角度θ，利用計(jì)算得到的彎曲角度和已知各段軸長(zhǎng)度L(30 cm或50 cm)，每段SAA的變形Δχ便可以完全確定出來, 即Δx=θ·L，再對(duì)各段算術(shù)求和∑Δx，可得到距固定端點(diǎn)任意長(zhǎng)度的變形量x。②數(shù)據(jù)采集方式。通過SAAUSB直接連接電腦(圖3)，采集數(shù)據(jù)，導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理計(jì)算軟件，可直接取得成果，后期可直接接入自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

圖2 測(cè)量原理示意圖

圖3 SAAUSB直接連接電腦

2.2 儀器保護(hù)

陣列式位移計(jì)安裝埋設(shè)于瀝青混凝土心墻下游側(cè)30 cm處，而大壩心墻填筑施工工藝為：先對(duì)心墻上下游兩側(cè)細(xì)過渡料進(jìn)行鋪填40 cm，然后使用攤鋪機(jī)在心墻上進(jìn)行瀝青混凝土鋪填35 cm，隨后利用3 t振動(dòng)碾進(jìn)行8次碾壓。因陣列式位移計(jì)為整套組裝連接，此過程涉及到碾壓時(shí)對(duì)陣列式位移計(jì)的干擾。為保證陣列式位移計(jì)傳感器完好，采取了以下措施：

(1)采取立式支架立于過渡料層旁約2 m處，給3t振動(dòng)碾留出富裕行進(jìn)空間，隨著心墻及過渡料填筑逐層上升，在每填筑二層(60 cm)將傳感器(50 cm)接續(xù)一節(jié)，支架抬升后未碾壓區(qū)域使用打夯機(jī)進(jìn)行壓實(shí)，確保陣列式位移計(jì)周邊填筑料密實(shí)度達(dá)到設(shè)計(jì)值。

(2)立式支架立于過渡料層水平段2 m槽坑，采用高強(qiáng)度φ150 mmPPR管進(jìn)行保護(hù)，防止陣列式位移計(jì)傳感器在攤鋪機(jī)鋪料和振動(dòng)碾壓過程中被損壞。

3 陣列式位移計(jì)安裝技術(shù)方案

3.1 埋設(shè)準(zhǔn)備

埋設(shè)前在空曠區(qū)域?qū)㈥嚵惺轿灰朴?jì)展開，采用直徑略大于傳感器的PVC管每節(jié)50 cm與節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)，穿入傳感器上，然后重新繞盤，運(yùn)至安裝部位。此項(xiàng)工作可為后期儀器埋設(shè)節(jié)省大量時(shí)間，也是監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可靠性和有效性的保障。

3.2 基準(zhǔn)施工

3.2.1 垂直鉆孔

在監(jiān)測(cè)剖面壩基廊道頂部混凝土基座垂直鉆孔，具體位置根據(jù)施工圖紙確定，鉆孔位于心墻下游側(cè)30 cm處，孔徑為Φ76 mm，有效孔深不小于2.0 m。鉆孔完成后，采用鋼蓋板封閉孔口，待瀝青混凝土心墻底座填筑完成后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)溫度試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定是否采用隔熱降溫措施以保證在瀝青攤鋪時(shí)陣列式位移計(jì)埋設(shè)位置溫度不超過75 ℃。

3.2.2 埋設(shè)陣列式位移計(jì)

試驗(yàn)完成后隨土建施工安裝埋設(shè)陣列式位移計(jì)，打開鉆孔孔口鋼蓋板，在孔內(nèi)注滿水泥砂漿，宜采用微膨脹水泥砂漿(可加速凝劑)，然后將陣列式位移計(jì)下入孔內(nèi)2 m，固定在混凝土基座內(nèi)，將此段作為觀測(cè)基準(zhǔn)。

3.3 安裝埋設(shè)

(1)待水泥砂漿凝固后，保持陣列式位移計(jì)在豎直方向上平行于瀝青混凝土心墻，使陣列式位移計(jì)始終距離心墻下游面約30 cm處，并特別注意對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。

(2)下一層瀝青混凝土心墻攤鋪前，在陣列式位移計(jì)所在斷面過渡料垂直于心墻方向開挖溝槽，溝槽深25 cm、寬25 cm，長(zhǎng)度超出攤鋪機(jī)下游側(cè)下料斗攤鋪范圍1 m以上，確保陣列式位移計(jì)不受損傷。

(3)當(dāng)瀝青混凝土心墻攤鋪碾壓60 cm后，刨出陣列式位移計(jì)傳感器，使其在豎直方向上平行于瀝青混凝土心墻上升1節(jié)(陣列式位移計(jì)每節(jié)長(zhǎng)度50 cm)，每節(jié)傳感器位置必須穿套略微粗于傳感器直徑的PVC管(或其他管材)，并在管內(nèi)回填細(xì)沙，使傳感器能緊貼管壁，確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性和有效性。然后重復(fù)步驟(2)～(3)，隨瀝青混凝土心墻施工及壩體填筑逐層完成其安裝埋設(shè)。

(4)陣列式位移計(jì)在施工過程中需加強(qiáng)保護(hù)，并派專人看守，防止施工過程中損壞儀器。

3.4 初步成果

安裝完成后于2020年4月15日取得基準(zhǔn)值：以底部混凝土基座內(nèi)部位作為0值，監(jiān)測(cè)成果表明，在填筑施工期間瀝青混凝土心墻水平順河向變形不大，大壩填筑完成(2020年5月)最大變形僅在2.3 mm，一、二期蓄水(分別為2021年1月、2021年5月)以后變形有所增加，達(dá)到15.68 mm，隨后庫(kù)區(qū)水頭基本穩(wěn)定變形趨勢(shì)減緩。截至目前，最大變形為18.23 mm，位于三分之二壩高處，當(dāng)前變形趨勢(shì)已明顯趨小。心墻陣列式位移計(jì)(壩0+268 m)監(jiān)測(cè)成果見圖4。

圖4 心墻陣列式位移計(jì)(壩0+268m)監(jiān)測(cè)成果圖

4 結(jié) 語(yǔ)

由于堆石壩變形是否超出設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是大壩安全運(yùn)行的重要判斷分析指標(biāo)，因常規(guī)監(jiān)測(cè)手段有較大局限性，監(jiān)測(cè)瀝青混凝土心墻與周邊細(xì)過渡料常規(guī)手段大多是檢測(cè)豎直向的變形，其水平向位移確無(wú)法觀測(cè)，而瀝青混凝土心墻陣列式位移計(jì)較好地解決了水平向位移的檢測(cè)難題。目前，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用不多，主要原因是陣列式位移計(jì)在堆石壩填筑過程中受土建施工干擾極大，且必須與心墻周邊填筑料一同牽引，經(jīng)過蘇洼龍水電站的實(shí)踐證明，上述陣列式位移計(jì)埋設(shè)方法不僅保證與大壩填筑進(jìn)度相結(jié)合，且極大減少了土建施工對(duì)現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)置儀器的破壞，確保陣列式位移計(jì)成功安裝，并取得填筑期與蓄水期較為豐富的觀測(cè)成果。