基于光纤陀螺的水布垭水电站大坝面板挠度变形规律分析 4页

学兔兔www.xuetutu.com水利水电技术第46卷2015年第ll期基于光纤陀螺的水布垭水电站大坝面板挠度变形规律分析廖铖，蔡德所，李苗，张吉艳，王一立。(I．三峡大学水利与环境学院，湖北宜昌443002；2．华北水利水电大学资源与环境学院，河南郑州450011；3．三峡大学土木与建筑学院，湖北宜昌443002)摘要：水布垭水电站混凝土面板堆石坝采用光纤陀螺(FOG)监测面板挠度变形。通过对监测资料分析，全面揭示了水布垭面板堆石坝面板挠度变形特点和一般规律，即：面板挠度变形整体趋于收敛，坝高1／3附近和运行低水位高程附近面板反弹出现峰值。监测成果为大坝安全运行提供重要依据。关键词：面板堆石坝；挠度变形；光纤陀螺；变形特点；面板反弹；水布垭水电站doi：10．13928／j．cnki．wrabe．2015．11．021中图分类号：TV698．1文献标识码：A文章编号：1000．0860(2015)11．0097-04Fiber-opticgyroscopebased-analysisonlawofdeflectiondeformationoffaceslabofdamforShuibuyaHydropowerStatiOnUAOCheng。CAIDesuo，LIMiao，ZHANGJiyan，WANGYili(1．CollegeofHydraulicandEnvironmentalEngineering，ChinaThreeGorgesUniversity，Yichang443002，Hubei，China；2．CollegeofResourcesandEro砌ent，NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower，Zhengzhou450011，Henan，China；3．CollegeofCivilEngineeringandArchitecture，ChinaThreeGorgesUniversity，Yichang443002，Hubei，China)Abstract：Fiber—opticgyroscopeisadoptedformonitoringofthedeflectiondeformationoftheface-slaboftheconcretefacerock-filldamforShuibuyaHydropowerStation．Throughtheanalysismadeonthemonitoringdata，thecharacteristicsandthegenerallawofthedeflectiondeformationoftheface—slabofthedamalefullyrevealed，i．e．theoveralldeflectiondeformationtendstoconvergence，whilethereboundingoftheface-slabwithpeakvalueOCCUrsatboththelocationof1／3ofthedamheightandtheelevationofthelowoperationwaterleve1．Themonitoringachievementprovidesanimportantbasisforthesafetyoperationofthedam．Keywords：concretefacerockfilldam；deflectiondeformation；fiber-opticgyroscope；deformationcharacteristics；reboundingofface-slab；ShuibuyaHydropowerStation混凝土面板堆石坝具有就地取材、结构简单、施主要的防渗体系，若面板变形过大，会使其产生挤压工方便、适应性强等特点⋯，而且其防渗性能较好。破坏和随机裂缝，导致防渗体系破坏而引发渗漏危及在我国西南部蕴藏着巨大的水电能源，尤其是在雅鲁大坝运行安全。因此，面板挠度变形是评价混凝藏布江、雅砻江、大渡河、金沙江等修建高坝能发挥土面板堆石坝运行安全的一项重要指标。巨大效益。然而这些地区地形、地质条件复杂，面板挠度变形监测方法的研究受到国内外坝工界环境恶劣、交通闭塞，缺乏防渗材料，因此混凝土面板堆石坝成为其首选坝型_3J。混凝土面板堆石坝以收稿日期：2014—12—04堆石体为支撑结构，在上游表面浇筑混凝土面板作为作者简介：廖铖(1989一)，男，硕士研究生。WaterResourcesandHydropowerEngineeringVoL46No．11n学兔兔www.xuetutu.com廖铖，等∥基于光纤陀螺的水布垭水电站大坝面板挠度变形规律分析普遍关注。目前监测技术主要有常规仪器测斜仪，包式中，￡为顺时针传播时间；为逆时针传播时间；括固定式测斜仪、活动式测斜仪、单点测斜仪等，适L=N·2竹为Ⅳ匝光纤线圈的长度；R为光纤环的用于小变形测量，若变形过大将导致探头无法通过测半径；A为光源的波长；C为真空中的光速。管而使测量失效，而且使用寿命有限J。蔡德所等通过计算，在介质中传播与在真空中传播的情形于2003年首次将新型仪器光纤陀螺(FOG)应用于桂完全一样。林思安江面板堆石坝面板挠度监测并取得突破性进展，并于2005年开始成功运用于水布垭水电站面板挠度监测，为大坝运行提供了可靠的数据资料。1基本原理1．1光纤陀螺基本原理光纤陀螺是一种基于萨格奈克(Sagnac)效应的角速度传感器，陀螺仪可以测量动态物体的角速度并在(a)静止(b)旋转短时间内具有较高的准确性。Sagnac效应是指同一光图1光纤陀螺Sagnac效应路中沿两相反方向传输的光传播光程差△与旋转角速1．2测量原理度的关系，对Sagnac采用经典运动学的方法推导E。光纤陀螺安装在运行的小车里面，小车通过预先埋设的管道，通过直接测量管道的变形间接地测量出假定一光学环路(Ⅳ匝光纤环路)半径为R，旋转面板挠度变形值。当小车通过挠曲的平面时，光纤陀角速度为(见图1)，则光学上的任一点切向速度=螺能准确地测量出角速度，对角速度积分能计算出RX。当=0时，顺时针(OW)传播和逆时针(CCW)对应时刻的倾角值，利用倾角值建立一定的数学模型传播两束光波经过光学环路的传输时间t：t=即可求得挠度曲线(见图2)。N·2wR／c，经过相同的光程21TR同时回到起点位置，其中C为真空中的光速。当≠0时，光波在闭合回路内传播又回到起点时，起点已经发生变化(从M到)，可以从两种不同的角度理解：(1)若光传播速度不变，则顺时针传播时间(t)比逆时针传播时间(t。。)长；(2)若传播路程不变，则顺时针传播速度(c。)比逆时针传播速度(C。。)快。采用第二种方法来分析，根据经典运动学原理，则C=C+肋(1)C=c—RO(2)对应的传播时间为图2面板变形曲线tow=Nx=N×2wR(3)图2中各坐标计算如下pti+1Nx=N×2wR(4)=0+l=0+I,Oid=0+1-1iAt(6)Jti+1=+V。Atcos0。+1(7)由式(3)和式(4)可推出两相反光波传播的时间差Y+1Y+·Atsin0+1(8)2盯R通过迭代计算得由于c》(c)。，所以△：N．21TR2R／2=·—一At·∑cos0(9)，则△Y=·At·∑sin0(10)时间内两束光波的相位差为只要已知初始时刻角度，通过式(9)和式(10)可=(5)计算出各点的坐标，构成小车运行轨迹曲线即面板挠水利水电技术第46卷2015年第1l期n学兔兔www.xuetutu.com廖铖，等∥基于光纤陀螺的水布垭水电站大坝面板挠度变形规律分析表12013年300m高程处的面板挠度比较常规仪器04-212断面300m高程测值光纤陀螺测值项目时间／年一月一日水平位移／mm垂直位移／mm转换挠度值／mill时间／年一月一日挠度值／mm2013—0l—O7147．85689．3646．992013一O1～09649．02013—02—07146．88688．3645．612013一O2—08650．02013—03一O1148．06686．3644．672013—03～O3651．02O13—04—09148．26686．2644．712013—04～07649．82Ol3—05—03146．87682．364O．722013—05～12650．5测值2013—06一O6149．12683．4642．922013一O6～12651．120l3—07一O3148．91676．9637．512013—07一O5652．120l3—08一Ol148．25677．8637．862013—08～05652．820l3一O9—05149．24681641．042013一O9～O8653．32013—10一O9152．59693．5653．162013—1O～13653．9注：常规测值是相对2007—03—28的测值，光纤陀螺测值是相对2007—03—24的测值。度变形曲线。该时段增加的沉降量；△日为该时段增加的水平位移；在xoy坐标系中，假设原面板斜率为1：m，则0为坝坡仰角，为35．54。。=my(11)因为常规仪器测值可经转化成法向变形的监测点根据式(9)、式(10)、式(11)可推出挠度计算公很少，这里选取高程300ITI点进行分析对比(见表式1)，常规仪器为点式测量且间距较大很难准确地得ii到大坝面板挠度变形曲线，而光纤陀螺为分布式连续·△￡(m·∑sin0一∑cos0)测量，能得到完整的挠度曲线。光纤陀螺测值稳定，，=—————====__—一(12)‘,／1+m最大月变化量为1．2mm，而转换值波动大，最大月通过式(12)可以计算出大坝面板各点对应的挠变化量达12mm。对比分析300ITI高程2010年到2013年常规仪器度值。利用卷扬机牵引运载光纤陀螺的小车，卷扬机的卷筒随着绕线增多卷简直径变大相应的线速度(小转换值和光纤陀螺测值的标准偏差(STDEV)如表2所列。从表2可知，光纤陀螺测值的标准差均小于转车运行速度)逐渐增大。采样频率为60Hz，根据卷化值的标准差，且成逐年减小的趋势，说明光纤陀螺扬机转速和卷筒初始直径，每运行10In取一次平均测值精度较高。牵引速度，认为小车在这10m内以速度匀速运行，这样分段进行计算能减小由于小车运行不匀速带表2300m高程各年测量的标准偏差值来的误差。在实际情况中，两点之间的距离并非直线年份陀螺仪STDEV／mm转化值STDEV／mm而是一条曲线，但是每隔0．5cm取一个监测点，可201037．1941．83近似认为两点间的曲线为一条直线。201l10．922O．3520121．624．552面板变形规律20131．536．982．1光纤陀螺测值与常规仪器转换值对比2．2面板挠度变化过程水布垭水电站埋设45支测斜仪，由于自身和环水布垭水电站于2007年3月完成面板三期混凝境的原因，目前已无法测量面板挠度值。为进一步分土浇筑施工，同月启用光纤陀螺(FOG)监测面板挠析面板挠度的变化对大坝安全的影响，对水平位移与度。选取2007年3月为监测基准参考点，分析近5垂直位移组合得出的变形值与FOG测值进行比较分年水布垭水电站面板挠度变形过程如图3所示。从图析。选择0+212断面利用水平位移计所测水平位移3中可以看出：(1)一期面板变形速率最快，三期面与水管式沉降仪所测垂直位移两者结合起来与FOG板变形速率其次，二期面板变形速率最慢。(2)一期测值进行比较，常规仪器转换为挠度采用以下计算公面板与二期面板衔接处面板挠度变形趋势一致，二期式计算面板与三期面板衔接处面板挠度变形趋势一致，说明D=ALeos0+AHsin0(13)各期面板及各期面板衔接处施工浇筑质量较好。(3)式中，D为基准值到某Et时段增加的挠度值；zaL为2007年到2009年挠度变化较快，平均每个月挠度增水利7k电技术第46卷2015年第11期99n学兔兔www.xuetutu.com廖铖，等∥基于光纤陀螺的水布垭水电站大坝面板挠度变形规律分析加量达15mm。(4)2009年开始面板变形基本都呈jil-'4-200=-20111"“w”双谷形状，分为三部分进行分析，第一部分，曼面板0～160m长度左右恰好是一期面板，此时面板g＼i磐20‘‘‘‘。挠度逐渐增大，到130m附近面板挠度达到最大值，10}⋯一随后面板挠度有减小趋势；第二部分，面板长度160oI_—中—产寰；；；宁——‘—．jr‘～310m左右处于二期面板，面板挠度变形先减小到0占_——南————1——秀——_250m附近又开始增加；第三部分，面板310～404m面板长度／m处于三期面板，面板挠度变形逐渐减小。(5)挠度变图42010—2013年高水位和低水位挠度差值曲线形主要发生在面板浇筑完成前4年，约占变形总量的80％左右，之后面板变形主要受堆石体和面板混凝土在坝高1／3处是面板反弹的一个转折点，而且反弹值自身徐变影响。将达到第一峰值，容易引起面板脱空，导致面板发生根据三维有限元分析表明，不考虑堆石体流变特破坏，应该从设计和施工两方面同时改善。同时水库性，面板最大挠度为790mml8J，而实测最大挠度为每年最低运行水位附近也是应该持续关注的，因为水851mm，说明堆石体流变对面板变形有较大影响，库库水位的升降会引起面板的逐渐回弹变形，若回弹尤其后期面板变形主要是由于流变引起。量太大将导致面板脱空，当水位再次上升时由于面板承受的压力迅速增加，将使面板发生破坏产生渗漏危及大坝安全。坝底管口坝强i管口--f，g—，量、＼—／一一，／三期匾?r3结论＼——⋯_一期面f板二期1匾板光纤陀螺很好地解决了混凝土面板堆石坝面板挠恒===；—o’nnq薤⋯●度变形监测的难题，测值精度高且稳定，为大坝安全—o一2O"-~20=。_⋯+2O监测提供更好的发展前景。而小车牵引时并非匀速，+2O这样势必带来误差影响精度，小车匀速问题有待进一面板长度／m步解决。水布垭面板堆石坝面板挠度整体变形稳定并趋于收敛，面板变形呈“W”双谷形状，后期主要受图30+212断面面板挠度过程线堆石体流变影响。2．3水位与面板挠度变形关系参考文献：分析2010年至2013年每年水库高水位和低水[1]刘军．混凝土面板堆石坝面板变形特性研究[D]．杨凌：西北位运行时的挠度变形，高低水位运行时挠度差值曲农林科技大学，2008．线如图4所示。由图4可见，随着时间的推移水位[2]谭恺炎．高混凝土面板堆石坝安全监测若干问题的讨论[J]．大坝与安全，2010(3)：26—29．对挠度变形的影响逐渐减弱，同时说明挠度变形趋[3]黎佛林，蔡德所，秦鹏，等．水布垭水电站面板挠度监测方法于收敛。但是在低水位时挠度值基本都是小于高水比较[J]．水力发电，2013，39(1)：82—84，88．位，可以判断在水位下降时面板会逐渐回弹，这是(4]季凡，赵卫．水布垭大坝安全监测设计与新型仪器应用[J]．因为面板挠度变形与所受的水压力有密切关系，水人民长江，2007，38(7)：124．126．位下降即所受水压力减小面板挠度变形将减小，同【5]司洪洋．当前我国混凝土面板坝监测中的若干问题[J]．大坝观测与土工测试，1997，21(5)：69，25．时说明面板混凝土仍在其弹性范围内，面板混凝土[6]孙东亚，姜德生，王立新，等．光纤陀螺用于混凝土面板堆石工作性能良好并未发生破坏，所以水布垭水电站面坝面板挠度测量的试验研究[J]．水利学报，2000，31(4)：板运行安全。14—18．在面板长度120m坝高约71m处出现第一峰值，[7]张桂才．光纤陀螺原理与技术[M]．北京：国防工业出版社，2oo8．面板长度330m约坝高192m(高程369m)处出现第[8]长江委规划勘测设计研究院．“九·五”攻关课题“200米级高二峰值。这与面板变形过程线出现峰值的情况相吻混凝土面板堆石坝研究”：水布垭混凝土面板堆石坝应力变形合，挠度最大值和挠度第一突变点在坝高1／3处，高分析[R]．武汉：长江委规划勘测设计研究院，1999．程369rn附近基本是每年最低的水库运行水位。因此(责任编辑陈小敏)10o水利水电技术第46卷2015年第ll期