CN110197015A - 一种坝基预应力锚索有效拉应力测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种坝基预应力锚索有效拉应力测定方法，通过对引起变形的观测资料的建模分析，从坝基水平位移统计模型中计算出坝基水平位移监测值；通过建立大坝三维有限元模型，计算出相应的坝基水平位移模拟值；采取坝基水平位移监测值与坝基水平位移模拟值相互印证的方式确定拉应力数值。测量有效拉应力时，不需要预先埋设锚索应力计，也不涉及预应力锚索的具体结构，适用更广泛的同时提高测量精度。

Description

一种坝基预应力锚索有效拉应力测定方法

技术领域

本发明属于水利工程应用技术领域，特别涉及一种坝基预应力锚索有效拉应力测定方法。

背景技术：

预应力锚固技术是通过预应力筋、锚头和张拉锚具等，向结构施加外荷载的一种工程技术，其被广泛应用于各类大坝工程的坝基加固中，增加大坝的抗滑稳定安全性。按预应力筋的黏结方式，可分为有黏结和无黏结两种方式。

预应力锚索被用作永久加固措施时，在恶劣的岩土地质环境中，是否会成为工程中的“定时炸弹”，使工程毁于一旦，一直备受关注。因此作为衡量锚索锚固质量的重要参数——有效拉应力的测定对于大坝安全来说尤为重要。

目前，工程中对于锚索有效预应力的测定方法主要有以下几种：

锚索长期监测：锚索长期监测方法是指在锚索施工安装结束后，通过安装应力-应变传感器，连续监测锚索的有效应力，这类方法只适用于无黏结预应力筋，且无法应用于已经埋设的未安装传感器或在施工过程中传感器失效的锚索。

应力波反射法：应力波反射法是在锚索端头激发应力波信号，并在锚索端头安装应力波信号接收装置来收集应力波信号，通过分析收集到的应力波信号来获取预应力锚索的有效拉应力。目前，该方法仍存在很多技术难题，如波动信号传播能量衰减快、反射波相位和频率的干扰多、锚索三维空间信号传递规律复杂等，导致检测结果存在很大的不确定性，甚至常常导致检测结果失真。

破坏性试验：对于无黏结预应力筋，常采用拉拔试验，但该方法无法对已经封锚或已割断钢绞线的预应力锚索有效拉应力进行检测；对于有黏结预应力筋，常采用黏结体破碎试验，通过预应力筋回弹量折算有效拉力。这两种方法工程量大、费用高，对锚固工程的破坏不可还原，且常伴随巨大的工程扰动，存在一些安全隐患。

发明内容

本发明提供一种坝基预应力锚索有效拉应力测定方法，普遍适用于有黏结合无黏结两种预应力黏结方式，并且能够高效精确地测量预应力锚索有效拉应力。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种坝基预应力锚索有效拉应力测定方法，包括以下步骤：

根据预建立的坝基水平位移统计模型分离计算库水位引起的坝基水平位移监测值；

对预建立的大坝三维有限元模型逐步施加不同量值的外部荷载，以模拟不同量值的坝基锚索预应力，计算相应的坝基水平位移模拟值；

将坝基水平位移监测值与坝基水平位移模拟值相互印证，确定坝基预应力锚索的有效拉应力。

优选地，所述坝基水平位移统计模型的建立方法包括如下步骤：

将坝基水平位移分为库水压引起的水平位移分量、温度引起的水平位移分量和时效引起的水平位移分量，确定坝基水平位移统计模型的数学表达式如公式(1)所示：

式中：δ为坝基顺河向水平位移；为库水位引起的水平位移分量，H为库水位；为温度引起的水平位移分量，T_k为第k个温度计测量的温度；cθ为时效引起的水平位移分量，θ为时间；a₀、a_i、b_k、c为采用逐步回归方法拟合水平位移和环境荷载因素时待确定的常系数。

利用逐步回归分析法，将根据观测的历史数据，将库水位、温度、时间和相应的坝基顺河向水平位移代入公式(1)中求取参数a₀、a_i、b_k、c，确定坝基水平位移统计模型。

优选地，所述坝基水平位移监测值的分离方法包括如下步骤：

根据坝基水平位移统计模型，推导得出库水位引起的坝基水平位移分量与库水位的关系式；

在实际运行库水位区间内选取库水位，计算库水位对应的坝基水平位移监测值。

优选地，所述大坝三维有限元模型的建立方法包括如下步骤：

在HYPERMESH软件中划分大坝和坝基结构的整体三维网格模型，然后导入至ABAQUS有限元计算软件，设置大坝材料参数和边界条件，建立大坝三维有限元模型。

优选地，所述三维网格模型的大小根据所建立的大坝三维有限元模型的试算结果误差确定，所建立的大坝三维有限元模型的试算结果误差小于5％

优选地，所述坝基水平位移模拟量的计算方法包括如下步骤：

以外部荷载的1％为增量步，以坝基预应力完全损失到坝基预应力完全不损失为区间，模拟不同量级坝基预应力锚索工况；

取与坝基水平位移监测值对应库水位相同的库水位，取用安全鉴定和施工阶段确定的基岩变形模量和坝体混凝土弹性模量，采用大坝三维有限元模型计算各工况下库水位引起的坝基水平位移模拟量。

优选地，所述有效拉应力的确定方法包括如下步骤：

分别对坝基水平位移监测值、坝基水平位移模拟值进行增量处理，得到相应的坝基水平位移增量；

当坝基水平位移模拟值对应的坝基水平位移增量与坝基水平位移监测值对应的坝基水平位移增量最接近时，坝基水平位移模拟量对应的外部荷载即为有效拉应力。

本发明通过采取坝基水平位移监测值和坝基水平位移模拟值相印证的方法即可获取拉应力，因此，本发明不仅可应用于已经埋设的未安装传感器或在施工过程中传感器失效的锚索，还同时适用于有黏结和无黏结方式的坝基预应力锚索，适用范围更加广泛。

本发明无需对预应力锚索结构进行开挖破坏而影响其工作性能，因此能最大限度地降低对预应力锚索结构的扰动，同时还降低了测量成本，测量也更加安全。

由于本发明无需借助外部预应力锚索有效拉应力的检测设备，因此能够有效防止外部因素对预应力锚索的有效拉应力检测结果的干扰，更能保证最终检测结果的精确性。

附图说明

图1为本发明提供具体实施例的流程图；

图2为本发明实施例中大坝坝基预应力锚索和倒垂线布设示意图；

图3为本发明实施例中大坝坝基倒垂线水平位移监测装置结构图；

图4为本发明实施例中大坝坝基预应力锚索结构受力原理图；

其中：1-大坝，2-坝基，3-坝基倒垂线，4-预应力锚索结构，31-锚固端，32-保护井，33-铅垂线，34-浮球，35-油槽，36-变压器油，41-垫板，42-锚具，43-预应力锚索，44-围岩土体，45-灌浆体，46-预应力锚索的有效拉应力。

具体实施方式

本发明提供的一种坝基预应力锚索有效拉应力测定方法属于水利工程应用技术领域，适用于大坝坝基预应力锚索的有效拉应力的无损测定，采取坝基水平位移监测值与坝基水平位移模拟值相互印证的方法，无需借助外部设备，也无需破坏预应力锚索的结构即可获取预应力锚索有效拉应力，最大限度地降低对预应力锚索结构的扰动，防止影响其工作性能，能够很好地掌握未设置锚索测力计的预应力锚索结构的工作状况，更好的适用于预应力锚索长期工作性能的评价，保障大坝安全运行。

为了更好的理解本发明的实质，下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的阐述。

本发明提供的具体实施例，测量大坝预应力锚索有效拉应力的步骤如图1所示。

步骤1，根据预建立的坝基水平位移统计模型分离计算库水位引起的坝基水平位移监测值。

步骤1.1，分析坝基实测水平位移资料。如图2和图3所示，所示，通过埋设在大坝工程1中的观测系统，定期测读并记录观测日t相应的库水位H、环境气温T及降雨P等环境测量数据。利用光学垂线仪定期观测埋设在大坝坝基2里的坝基倒垂线3中的铅垂线33与坝体测点的距离变化量，即坝基倒垂线3顺河流方向水平位移监测数据δ。观测时，将光学垂线仪安装在底座上，置中调平，照准测线，分别读取x与y轴(即左右岸与上下游)方向读数各两次，读数限差与测回限差分别为0.1mm与0.15mm，取平均值作为测回值。为保证精确度，每个测点测两个测回，测读频次每2周1次，两侧回间需要重新安装仪器。

步骤1.2，通过分析大坝工程1的坝型特点，将水平位移分为库水位引起的水平位移分量(δ_H)、温度引起的水平位移分量(δ_T)和时效引起的水平位移分量(δ_θ)三个分量，建立水平位移统计模型，模型表达式为：

δ＝δ_H+δ_T+δ_θ (1)

确定坝基2顺河向坝基水平位移的统计模型数学表达式如下：

式中：δ为坝基顺河向水平位移；为库水位引起的水平位移分量，H为库水位；为温度引起的水平位移分量，T_k为第k个温度计测量的温度；cθ为时效引起的水平位移分量，θ为时间(以月为单位)；a₀、a_i、b_k、c为采用逐步回归方法拟合水平位移和环境荷载因素时待确定的常系数。

步骤1.3，建立坝基水平位移统计模型并确认模型精度是否满足要求。利用逐步回归分析法，代入历次监测数据，即库水位H、气温T、顺河向水平位移δ，求出公式(2)中的方程系数，得到方程的具体表达式如下：

δ＝-14.990-3.733×10^-5H³-1.286T₁+…+1.365T₁₆+0.008θ (3)

若公式(3)的精度满足要求，则进行步骤1.4；若公式(3)的精度不满足要求，则重新进行步骤1.1至步骤1.3。

步骤1.4，分离出库水位引起的坝基水平位分量。根据公式(1)和公式(3)分离出库水位引起的水平位分量(δ_H)，

δ_H＝-14.990-3.733×10^-5H³ (4)

步骤1.5，计算库水位对应的坝基水平位移监测值。在大坝实际运行水位区间[H_min,H_max]内，选取典型库水位H₁＝H_min，H₂＝H_max，代入公式(4)中，计算出坝基水平位移监测值δ_Hmin、δ_Hmax。

步骤2，对预建立的大坝三维有限元模型逐步施加不同量值的外部荷载，以模拟不同量值的坝基锚索预应力，计算相应的坝基水平位移模拟值。

步骤2.1，划分大坝结构三维网路模型，赋予材料参数和施加模型约束，建立大坝三维有限元模型。根据水库大坝设计、地质勘探、补强加固、预应力锚索4布设资料，在HYPERMESH软件中划分大坝和坝基结构的整体三维网格模型，然后导入至ABAQUS有限元计算软件，设置材料参数和边界条件，建立大坝三维有限元模型。为了兼顾数值模拟结果的精度和效率，模型网格以模型试算结果的误差在1％左右为最佳。

步骤2.2，模拟坝基预应力锚索工作性能。设预应力锚索4设计的拉力为Q，取与步骤1.5相同的库水位H_min和H_max，并以预应力锚索设计拉力的1％，即1％Q为增量步，作为外荷载施加到大坝三维有限元模型中，以拉应力完全损失到拉应力完全不损失共101种不同量级锚索荷载工况，来模拟坝基预应力锚索的工作效能。

步骤2.3，按照锚索设计张拉力的比例进行有限元模型分析，计算相应的坝基水平位移模拟值。取用安全鉴定和施工阶段确定的基岩变形模量和坝体混凝土弹性模量，通过大坝三维有限元模型计算，分别计算得到每一个库水位对应的101个坝基水平位移模拟值(δ_H')，如表1所示。

表1有限元模型计算成果

步骤3，将坝基水平位移监测值与坝基水平位移模拟值相互印证，确定坝基预应力锚索的有效拉应力。

步骤3.1，将步骤1.5中计算得到的坝基水平位移监测值δ_Hmin，δ_Hmax进行增量处理。以H_min和δ_Hmin为基准值，计算水头增量ΔH＝H_max-H_min和坝基水平位移监测值增量Δδ_H＝δ_Hmax-δ_Hmin。

步骤3.2，计算水头增量ΔH′＝H_max-H_min，将步骤2.3中计算得到的坝基水平位移模拟值进行增量处理，以δ_Hmin'(j％Q)(j＝0,1,2,...,100)为基准值，分别计算出当前外部荷载下对应的位移增量Δδ_H'(j％Q)＝δ_Hmax'(j％Q)-δ_Hmin'(j％Q)；

步骤3.3，对比判断预应力锚索有效拉应力。将计算得到的101组Δδ_H'(j％Q)分别与Δδ_H一一进行比较，找到数值与Δδ_H最接近的一组Δδ_H'(j％Q)，则j％Q即为所求预应力锚索的有效拉应力，如图4中46所示。

应当指出，虽然通过上述实施方式对本发明进行了描述，然而本发明还可有其它多种实施方式。在不脱离本发明精神和范围的前提下，熟悉本领域的技术人员显然可以对本发明做出各种相应的改变和变形，但这些改变和变形都应当属于本发明所附权利要求及其等效物所保护的范围内。

Claims (7)

1.一种坝基预应力锚索有效拉应力测定方法，其特征在于，包括如下步骤：

根据预建立的坝基水平位移统计模型分离计算库水位引起的坝基水平位移监测值；

对预建立的大坝三维有限元模型逐步施加不同量值的外部荷载，以模拟不同量值的坝基锚索预应力，计算相应的坝基水平位移模拟值；

将坝基水平位移监测值与坝基水平位移模拟值相互印证，确定坝基预应力锚索的有效拉应力。

2.根据权利要求1所述的坝基预应力锚索有效拉应力测定方法，其特征在于，所述坝基水平位移统计模型的建立方法包括如下步骤：

将坝基水平位移分为库水压引起的水平位移分量、温度引起的水平位移分量和时效引起的水平位移分量，确定坝基水平位移统计模型的数学表达式如公式(1)所示：

式中：δ为坝基顺河向水平位移；为库水位引起的水平位移分量，H为库水位；为温度引起的水平位移分量，T_k为第k个温度计测量的温度；cθ为时效引起的水平位移分量，θ为时间；a₀、a_i、b_k、c为采用逐步回归方法拟合水平位移和环境荷载因素时待确定的常系数；

利用逐步回归分析法，将根据观测的历史数据，将库水位、温度、时间和相应的坝基顺河向水平位移代入公式(1)中求取参数a₀、a_i、b_k、c，确定坝基水平位移统计模型。

3.根据权利要求1所述的坝基预应力锚索有效拉应力测定方法，其特征在于，所述坝基水平位移监测值的分离方法包括如下步骤：

根据坝基水平位移统计模型，推导得出库水位引起的坝基水平位移分量与库水位的关系式；

在实际运行库水位区间内选取库水位，计算库水位对应的坝基水平位移监测值。

4.根据权利要求1所述的坝基预应力锚索有效拉应力测定方法，其特征在于，所述大坝三维有限元模型的建立方法包括如下步骤：

在HYPERMESH软件中划分大坝和坝基结构的整体三维网格模型，然后导入至ABAQUS有限元计算软件，设置大坝材料参数和边界条件，建立大坝三维有限元模型。

5.根据权利要求4所述的坝基预应力锚索有效拉应力测定方法，其特征在于，所述三维网格模型的大小根据所建立的大坝三维有限元模型的试算结果误差确定，所建立的大坝三维有限元模型的试算结果误差小于5％。

6.根据权利要求1所述的坝基预应力锚索有效拉应力测定方法，其特征在于，所述坝基水平位移模拟量的计算方法包括如下步骤：

以外部荷载的1％为增量步，以坝基预应力完全损失到坝基预应力完全不损失为区间，模拟不同量级坝基预应力锚索工况；

取与坝基水平位移监测值对应库水位相同的库水位，取用安全鉴定和施工阶段确定的基岩变形模量和坝体混凝土弹性模量，采用大坝三维有限元模型计算各工况下库水位引起的坝基水平位移模拟量。

7.根据权利要求1所述的坝基预应力锚索有效拉应力测定方法，其特征在于，所述有效拉应力的确定方法包括如下步骤：

分别对坝基水平位移监测值、坝基水平位移模拟值进行增量处理，得到相应的坝基水平位移增量；

当坝基水平位移模拟值对应的坝基水平位移增量与坝基水平位移监测值对应的坝基水平位移增量最接近时，坝基水平位移模拟量对应的外部荷载即为有效拉应力。