CN112632676A - 一种混凝土大坝应力梯度监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混凝土大坝应力梯度监测方法，包括以下步骤：1、通过安装于混凝土大坝关键部位的多向应变计组监测数据计算该关键部位的坝体主应力分布情况，求出主应力及其方向；2、依据重点部位主应力方向换算的倾斜角和方位角在混凝土坝坝内钻孔，在钻孔内串联布设若干应力监测传感器；3、以钻孔孔口坐标为原点，通过钻孔方向的倾斜角、方位角和串联布设的应力监测传感器单位长度，计算钻孔孔口至孔底的每支应力监测传感器的空间位置坐标值，并与应力监测传感器编号对应；4、钻孔内的应力监测传感器埋设完成进入稳定工作状态后，根据大坝工况实时进行监测，选取实测数据进行对比计算，获得主应力梯度路径，以及对应的主应力的梯度值。

Description

一种混凝土大坝应力梯度监测方法

技术领域

本发明涉及水电工程技术领域，具体涉及一种混凝土大坝应力梯度监测方法。

背景技术

近年来混凝土大坝建设发展迅速，全球已建成200m及以上高坝共96座。各类型高坝、特高坝技术难度超出现行规范，缺乏既往经验可参照，给大坝建设带来一定不确定性，也对运行期如何更加有效地提升高坝安全管控能力和水平提出了挑战。高坝、特高坝运行安全问题应关注重点包括：①大坝承受库水推力高达千万吨级，巨大推力条件下坝基坝体结构承载力，坝体关键部位的应力分布与梯度等；②坝址处于地质构造活跃区，地震烈度高，强震动荷载作用下的坝体应力重分布，坝基深浅层构造面变形，坝体横缝开合度等；③高坝大库年际水位升降变幅大，加载-卸载往复作用下坝体材料强度和耐久度，经加固后坝基和坝肩地质软弱构造工况等；④特高坝坝身孔口多，泄流落差大，流速高，长时间大功率泄洪对坝身振动影响，坝身孔洞和泄洪消能设施等。应力是反映坝工结构力学性能最为敏感的物理量，应力超标是混凝土坝内部裂缝或局部破坏的先兆，拉应力超标将引起坝体开裂，剪应力超标将导致坝体滑移，混凝土坝局部破损总是能够在应力监测资料中找到证据，因此，应力监测是大坝安全评价不可缺少的内容。

传统的应力监测仪器主要是压应力计、无应力计、单向应变计和多向应变计组等，按照设计方案，以离散单点形式布设于垂直方向的大坝主要监测断面和水平方向的大坝主要监测截面，以此监测大坝大体积混凝土内部应力，但无法对混凝土大坝关键部位的连续应力分布梯度进行直接持续的监测；或由于监测装置结构复杂、监测方法步骤繁琐，无法在施工期或运行期实施，进而无法及时发现各类工况下混凝土大坝关键部位的应力分布及梯度变化情况，从而为潜在内部裂缝或局部破损的诊断提供支撑。

发明内容

发明目的：针对目前混凝土大坝内部应力梯度仅能通过坝内空间有限的、离散布设的测点测值进行插值计算推测，无法直接进行在线精确监测，获取混凝土大坝关键部位应力梯度分布连续变化情况的问题，本发明的目的是提供一种简单易行，可在施工期或运行期实施的，进而实现混凝土大坝应力梯度连续监测，以发现各类工况下混凝土大坝关键部位的应力分布及梯度变化情况的混凝土大坝应力梯度连续监测方法。

技术方案：一种混凝土大坝应力梯度监测方法，包括以下步骤：

(1)通过安装于混凝土大坝关键部位的多向应变计组监测数据计算该关键部位的坝体主应力分布情况，求出主应力及其方向；

(2)依据主应力方向换算的倾斜角和方位角在混凝土坝坝内钻孔，在钻孔内串联布设若干应力监测传感器；

(3)以钻孔孔口坐标为原点，通过钻孔方向的倾斜角、方位角和串联布设的应力监测传感器单位长度，计算钻孔孔口至孔底的每支应力监测传感器的空间位置坐标值，并与应力监测传感器编号对应；

(4)钻孔内的应力监测传感器埋设完成进入稳定工作状态后，根据大坝工况实时进行监测，选取实测数据进行对比计算，获得主应力梯度路径，以及对应的主应力的梯度值。

进一步的，步骤(1)中，首先剔除多向应变计组监测数据中的自由应变量，进行多向应变计组平衡检查与分配，然后换算测点应变为单轴应变，并使用单轴应变计算正应力，通过正应力求解剪应力，最后求解包含正应力和剪应力组成的应力矩阵，获得主应力及其方向。

进一步的，步骤(2)中，首先求出步骤(1)中混凝土大坝关键部位主应力方向的方位角和倾斜角，在混凝土大坝内采用地质钻钻孔，然后在孔内以串联形式布设多个应力监测传感器，应力监测传感器的布置以监测范围覆盖钻孔全孔深为原则，各应力监测传感器之间不进行连接固定。

进一步的，所述应力监测传感器的外侧设有保护套筒，所述保护套筒的两端安装有测程延长杆件，相邻的应力监测传感器通过保护套筒两端的测程延长杆件首尾连接，所述多个应力监测传感器的串联长度和混凝土大坝钻孔的全孔深适配。优选的，所述测程延长杆件采用与保护套筒同等强度、刚度和弹性模量的金属材料制作。

进一步的，步骤(3)中，首先采用附合导线法测量钻孔孔口的空间坐标，然后通过钻孔方向的倾斜角、方位角和串联布设的应力监测传感器单位长度，以钻孔孔口空间坐标为基点，计算每一支应力监测传感器几何中心位置的空间坐标。

进一步的，步骤(4)具体包括如下内容：

(4.1)选取一组实测数据，选取串联传感器中应力测值最大的测点σ₀，以该测点σ₀为原点，以应力监测传感器的仪器长度d为单次搜索距离，以原点为始发，分别对两侧串联布设的相邻应力监测传感器进行测值对比，直至达到两端的最后一支应力监测传感器；

(4.2)根据对比结果，将应力顺序递减为主的沿线传感器坐标值进行连线，即获得主应力梯度路径，与各应力监测传感器的空间坐标值对应的应力测值即为主应力方向上的梯度值。

进一步的，步骤(4.1)中，所述以原点为始发，分别对两侧串联布设的相邻应力监测传感器进行测值对比的具体内容如下：

沿原点正向搜索距离达到md，且m次搜索对比过程结果均为σ_i ⁺＞σ_i ⁺ ₊₁，i⁺＝0,1,2,……m，m表示沿原点向σ_i ⁺ ₊₁方向搜索的次数；沿原点反向搜索距离达到nd，且n次搜索对比过程结果均为σ_i ^-＞σ_i ^- ₊₁，i^-＝0,1,2,……n，n表示沿原点向σ_i ^- ₊₁方向搜索的次数，其中，σ₀ ⁺＝σ₀ ^-＝σ₀；若md≥3nd，则以md正向搜索距离的应力递减顺序为主应力梯度方向；若nd≥3md，则以nd反向搜索距离的应力递减顺序为主应力梯度方向。

优选的，考虑应力监测传感器日常测值波动和随机工作异常，沿原点向σ_i ⁺ ₊₁方向搜索距离达到md，沿原点向σ_i ^- ₊₁方向搜索距离达到nd，且md≥3nd；在m次搜索对比过程结果中，存在h次σ_i ⁺＞σ_i ⁺ ₊₁和j次σ_i ⁺＜σ_i ⁺ ₊₁，i＝0,1,2,……,m＝h+j；若h≥1.5j，则j次搜索对应的应力测值不纳入计算，仍以md正向搜索距离的应力递减顺序为主应力梯度方向；若h＝j，则认为md正向搜索距离中没有形成应力分布无显著梯度规律；

当nd≥3md时，在n次搜索对比过程结果中，存在p次σ_i-＞σ_i ^- ₊₁和q次σ_i ^-＜σ_i ^- ₊₁，i^-＝0,1,2,……n＝p+q；若p≥1.5q，则p次搜索对应的应力测值不纳入计算，仍以nd反向搜索距离的应力递减顺序为主应力梯度方向；若p＝q，则认为nd反向搜索距离中没有形成应力分布无显著梯度规律。

进一步的，步骤(2)中，在混凝土大坝关键部位按照主应力方向进行钻孔，并串联安装应力监测传感器后，还包括在钻孔内回填水泥浆的步骤。

有益效果：

和现有技术相比，本发明具有如下显著进步：1、简单易行，可在施工期或运行期实施的，满足混凝土大坝应力梯度连续监测的方法，及时发现各类工况下混凝土大坝关键部位的应力分布及梯度变化情况，为潜在内部裂缝或局部破损的诊断提供支撑；2、以串联形式布设两端栓接测程延长杆件的高精度应力监测传感器，能够较好地对混凝土大坝坝踵、坝趾及坝体上部等应力分布部位进行应力梯度监测，实现混凝土大坝内应力梯度分布规律的连续实测数据，从而为真实掌握以混凝土大坝为代表的大体积混凝土结构工程内部应力及其梯度分布规律提供解决方案。

附图说明

图1是基于多向应变计组监测数据的坝体主应力分布计算方法流程图；

图2本发明实施例的一种五向应变计组监测装置仪器的结构示意图；

图3是多个应力监测传感器在混凝土大坝钻孔内的串联结构；

图4是图3中应力监测传感器的局部放大图；

图5是一种混凝土大坝主应力梯度连续监测装置的布设示意图；

图6是主应力方向及其对应梯度值计算方法流程图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的技术方案作进一步详细说明。

一种混凝土大坝主应力梯度监测方法，包括以下步骤：

步骤一：通过安装于混凝土大坝关键部位的多向应变计组监测数据计算该部位的坝体主应力分布情况，求出主应力方向。具体实现方式如下：

a、如图5所示，利用安装埋设于混凝土大坝关键部位的多向应变计组8开展持续监测，获取相应部位的大坝混凝土应变实测数据，然后剔除应变计组中无应力计监测到的自由应变实测数据s′＝s-s_N，其中s′表示扣除无应力应变的各向正应变，10^-6；s表示应变计组各向应变计测值，10^-6；s_N表示无应力计测值，10^-6。

自由应变是混凝土在不受外力作用下，由温度、湿度变化和水泥水化作用等引发的热胀冷缩、湿涨干缩和自生体积等变形。

b、进行多向应变计组平衡检查与分配：以五向应变计组为例(图2所示)，根据弹性力学空间中一点三个互相正交方向的应变之和为常量s₁+s₃+s₅＝s₂+s₄+s₅，考虑外部因素影响，存在不平衡量d＝s₁+s₃-s₂+s₄的实际情况，将不平衡分配量Δsi分配给各支应变计，使总体误差最小，即Δs₁＝Δs₃＝-d/4，Δs₂＝Δs₄＝d/4。

c、将处于混凝土大坝坝体内复杂空间应力状态下的应变计组测点的应变换算成单轴应变：

ε′_θ＝ε_θ/(1+μ)+μ(ε_x+ε_y+ε_z)/(1+μ)/(1-2μ)

其中，ε_θ表示应变计(组)各方向扣除无应力应变的正应变，10^-6；ε_θ’表示与ε_θ对应的单轴应变，10^-6；μ表示泊松比。

d、利用混凝土弹模及徐变试验资料，根据单轴应变ε'应用变形法近似计算各方向的正应力，在

时刻的应力为：

e、根据弹性力学，任意斜截面上的正应力计算公式如下：

求得剪应力：

f、通过求解应力矩阵，得到的三个特征根σ₁，σ₂，σ₃即为三个主应力，而对应特征值的特征向量就表示主应力方向。

步骤二：依据重点部位主应力方向换算的倾斜角和方位角，按照涉及给出的应力梯度监测范围确定钻孔深度，根据混凝土大坝结构和设计要求进行坝内钻孔，根据钻孔深度，在钻孔内以串联形式布设两端栓接测程延长杆件的高精度应力监测传感器，形成串联监测仪器。具体实现方式如下：

a、根据第一步求出混凝土大坝关键部位主应力方向的方位角和倾斜角，在混凝土大坝内采用地质钻钻孔，钻孔部位和钻进路线要进行设计复核，避开原埋设监测仪器位置及监测电缆。

b、钻孔完成后须进行清孔和扫孔，确保孔内无碎渣及水泥浆液。

c、孔内布设高精度监测仪器，监测仪器以监测范围覆盖钻孔全孔深为原则，各支传感器以串联形式布设成，各传感器之间不进行连接固定。

d、高精度应力监测仪器5由多支高精度应力监测传感器1串联组成，且各高精度应力监测传感器1不进行直接的连接固定。

具体的，如图3-4所示，高精度应力监测传感器1外侧设有保护套筒101，保护套筒101的两端安装有测程延长杆件2；多个高精度应力监测传感器1以首尾串联的方式布置在混凝土大坝钻孔4内，传感器在孔内的布设应以钻孔全孔深为原则。

为进一步加大传感器测量范围，减少传感器孔内布置数量以降低成本，在传感器两端栓接的测程延长杆件2应与传感器外侧保护套筒101具有同等强度与刚度，因此，测程延长杆件2与传感器外侧保护套筒101优选采用同等强度、刚度和弹性模量的金属材料制作。本实施例中，保护套筒101选取为钢质套筒，测程延长杆件2选取为与保护套筒101材质、强度和刚度一致的钢质杆件，钢质杆件通过连接螺栓102与传感器外侧的钢质套筒牢固连接，测程延长杆件2上还设有橡胶垫圈202。

进一步的，由于混凝土大坝钻孔4和该装置之间灌注有回填水泥浆6，回填水泥浆6达到龄期后，即可进行混凝土大坝应力梯度实测。对此，高精度应力监测传感器1的保护套筒101外还包裹有柔性高分子聚合材料管，延长杆件2外包裹有硬质高分子聚合材料保护管203(如PVC保护管)，从而隔绝水泥浆，避免影响测量结果。

如图5所示，混凝土大坝坝体7内(701为坝内廊道)布设有坝体上部沿拱向布置的钻孔应力梯度监测仪器501、坝体中部沿梁向布置的钻孔应力梯度监测仪器502、坝踵部位沿梁向布置的钻孔应力梯度监测仪器503、坝中部位沿梁向布置的钻孔应力梯度监测仪器504和坝趾部位沿梁向布置的钻孔应力梯度监测仪器505。

e、各传感器的监测信号量通过通信电缆3传输至外部的自动采集单元，本实施例中，高精度监测仪器监测信号传输采用5芯水工电缆，由1根通信主电缆和若干根通信支电缆301组成，每支传感器的通讯支电缆301与通信主电缆熔接成5芯电缆统一引出钻孔孔口，避免孔内电缆过多造成钻孔孔径过大及影响回填灌浆质量。

f、高精度监测仪器在钻孔内布置完成后，须灌注水泥浆液进行钻孔回填。灌浆前，传感器保护套筒外包裹柔性高分子聚合材料管与回填水泥浆液隔离；传感器两侧的监测测程延长杆件外包裹硬质高分子聚合材料保护管以隔绝水泥浆粘结，确保回填灌浆不影响测量结果。

步骤三：以钻孔孔口坐标为原点，通过主钻孔方向的倾斜角、方位角和串联布设的应力监测传感器单位长度，计算钻孔孔口至孔底的每支传感器的空间位置坐标值，并与传感器编号对应。具体实现方式如下：

a、钻孔孔口空间三维坐标通过混凝土大坝枢纽区专一等变形监测控制网工作基点，采用附合导线法进行测量传递空间。

b、通过钻孔方向的倾斜角、方位角和串联布设的应力监测传感器单位长度，以钻孔孔口空间坐标为基点，计算每一支应力监测传感器几何中心位置的空间坐标。

步骤四：在应力监测传感器埋设完成进入稳定工作状态后可根据大坝工况实时进行监测。随机采用某次实测数据，选取串联传感器中应力测值最大的测点，以该测点为原点，以应力传感器的仪器长度为单次搜索距离，沿串联布设监测仪器进行相邻传感器应力测值两两对比，直至达到串联监测仪器两端的最后一支传感器。根据对比结果，将应力顺序递减为主的延线传感器坐标值进行连线，即获得主应力梯度路径，与各传感器空间坐标值对应的应力测值即为该方向上主应力的梯度值。具体方式如下：

a、在钻孔应力传感器埋设完成进入稳定工作状态后可根据大坝工况实时进行监测。根据大坝运行工况，采用具有代表性的某次实测数据，选取串联传感器中应力测值最大的测点σ₀，以该测点σ₀为原点，以应力监测传感器的仪器长度d为单次搜索距离，以原点为始发，分别对两侧串联布设的相邻应力监测传感器进行测值对比，直至达到两端的最后一支应力监测传感器。

b、沿原点正向搜索距离达到md，且m次搜索对比过程结果均为σ_i ⁺＞σ_i ⁺ ₊₁，i⁺＝0,1,2,……m，m表示沿原点向σ_i ⁺ ₊₁方向搜索的次数；沿原点反向搜索距离达到nd，且n次搜索对比过程结果均为σ_i ^-＞σ_i ^- ₊₁，i^-＝0,1,2,……n，n表示沿原点向σ_i ^- ₊₁方向搜索的次数，其中，σ_i ⁺＝σ_i ^-＝σ_ι；若md≥3nd，则以md正向搜索距离的应力递减顺序为主应力梯度方向；若nd≥3md，则以nd反向搜索距离的应力递减顺序为主应力梯度方向。

c、进一步结合实际情况，考虑应力监测传感器日常测值波动和随机工作异常，沿原点向σ_i ⁺ ₊₁方向搜索距离达到md，沿原点向σ_i ^- ₊₁方向搜索距离达到nd，且md≥3nd；在m次搜索对比过程结果中，存在h次σ_i ⁺＞σ_i ⁺ ₊₁和j次σ_i ⁺＜σ_i ⁺ ₊₁，i＝0,1,2,……,m＝h+j；若h≥1.5j，则j次搜索对应的应力测值不纳入计算，仍以md正向搜索距离的应力递减顺序为主应力梯度方向；若h＝j，则认为md正向搜索距离中没有形成应力分布无显著梯度规律。

nd≥3md时，参照上述情况处理：在n次搜索对比过程结果中，存在p次σ_i ^-＞σ_i ^- ₊₁和q次σ_i ^-＜σ_i ^- ₊₁，i^-＝0,1,2,……n＝p+q；若p≥1.5q，则p次搜索对应的应力测值不纳入计算，仍以nd反向搜索距离的应力递减顺序为主应力梯度方向；若p＝q，则认为nd反向搜索距离中没有形成应力分布无显著梯度规律。

d、将主应力顺序递减为主的沿线应力监测传感器坐标值进行连线，即获得主应力梯度路径，与各传感器对应的应力测值即为该方向上主应力的梯度值。

综上，本发明通过多个混凝土大坝主应力梯度连续监测仪器，能够对混凝土大坝坝踵、坝趾及坝体上部等重点部位的应力梯度分布情况进行实测，其能够在常规或应急工况下获取混凝土大坝内部各部位的主应力梯度连续监测数据，改变长期以来离散布设的应力监测方案导致的坝内应力分布规律实测能力不足，依靠离散测点数据进行插值推算大坝混凝土应力梯度分布规律的现况，为突发事件情况下混凝土大坝坝内应力连续变化提供了实测感知解决方案，进一步强化了混凝土大坝坝内应力梯度的监测能力。

Claims (10)

1.一种混凝土大坝应力梯度监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)通过安装于混凝土大坝关键部位的多向应变计组监测数据计算该关键部位的坝体主应力分布情况，求出主应力及其方向；

(2)依据主应力方向换算的倾斜角和方位角在混凝土坝坝内钻孔，在钻孔内串联布设若干应力监测传感器；

(3)以钻孔孔口坐标为原点，通过钻孔方向的倾斜角、方位角和串联布设的应力监测传感器单位长度，计算钻孔孔口至孔底的每支应力监测传感器的空间位置坐标值，并与应力监测传感器编号对应；

(4)钻孔内的应力监测传感器埋设完成进入稳定工作状态后，根据大坝工况实时进行监测，选取实测数据进行对比计算，获得主应力梯度路径，以及对应的主应力的梯度值。

2.根据权利要求1所述的混凝土大坝应力梯度监测方法，其特征在于：步骤(1)中，首先剔除多向应变计组监测数据中的自由应变量，进行多向应变计组平衡检查与分配，然后换算测点应变为单轴应变，并使用单轴应变计算正应力，通过正应力求解剪应力，最后求解包含正应力和剪应力组成的应力矩阵，获得主应力及其方向。

3.根据权利要求1所述的混凝土大坝应力梯度监测方法，其特征在于：步骤(2)中，首先求出步骤(1)中混凝土大坝关键部位主应力方向的方位角和倾斜角，在混凝土大坝内采用地质钻钻孔，然后在孔内以串联形式布设多个应力监测传感器，应力监测传感器的布置以监测范围覆盖钻孔全孔深为原则，各应力监测传感器之间不进行连接固定。

4.根据权利要求3所述的混凝土大坝应力梯度监测方法，其特征在于：所述应力监测传感器的外侧设有保护套筒，所述保护套筒的两端安装有测程延长杆件，相邻的应力监测传感器通过保护套筒两端的测程延长杆件首尾连接，所述多个应力监测传感器的串联长度和混凝土大坝钻孔的全孔深适配。

5.根据权利要求4所述的混凝土大坝主应力梯度连续监测装置，其特征在于：所述测程延长杆件采用与保护套筒同等强度、刚度和弹性模量的金属材料制作。

6.根据权利要求1所述的混凝土大坝应力梯度监测方法，其特征在于：步骤(3)中，首先采用附合导线法测量钻孔孔口的空间坐标，然后通过钻孔方向的倾斜角、方位角和串联布设的应力监测传感器单位长度，以钻孔孔口空间坐标为基点，计算每一支应力监测传感器几何中心位置的空间坐标。

7.根据权利要求1所述的混凝土大坝应力梯度监测方法，其特征在于：步骤(4)具体包括如下内容：

(4.1)选取一组实测数据，选取串联传感器中应力测值最大的测点σ₀，以该测点σ₀为原点，以应力监测传感器的仪器长度d为单次搜索距离，以原点为始发，分别对两侧串联布设的相邻应力监测传感器进行测值对比，直至达到两端的最后一支应力监测传感器；

(4.2)根据对比结果，将应力顺序递减为主的沿线传感器坐标值进行连线，即获得主应力梯度路径，与各应力监测传感器的空间坐标值对应的应力测值即为主应力方向上的梯度值。

8.根据权利要求7所述的混凝土大坝应力梯度监测方法，其特征在于：步骤(4.1)中，所述以原点为始发，分别对两侧串联布设的相邻应力监测传感器进行测值对比的具体内容如下：

沿原点正向搜索距离达到md，且m次搜索对比过程结果均为

i⁺＝0,1,2,……m，m表示沿原点向

方向搜索的次数；沿原点反向搜索距离达到nd，且n次搜索对比过程结果均为

i^-＝0,1,2,……n，n表示沿原点向

方向搜索的次数，其中，σ₀ ⁺＝σ₀ ^-＝σ₀；若md≥3nd，则以md正向搜索距离的应力递减顺序为主应力梯度方向；若nd≥3md，则以nd反向搜索距离的应力递减顺序为主应力梯度方向。

9.根据权利要求8所述的混凝土大坝应力梯度监测方法，其特征在于：考虑应力监测传感器日常测值波动和随机工作异常，沿原点向

方向搜索距离达到md，沿原点向

方向搜索距离达到nd，且md≥3nd；在m次搜索对比过程结果中，存在h次

和j次

i＝0,1,2,……,m＝h+j；若h≥1.5j，则j次搜索对应的应力测值不纳入计算，仍以md正向搜索距离的应力递减顺序为主应力梯度方向；若h＝j，则认为md正向搜索距离中没有形成应力分布无显著梯度规律；

当nd≥3md时，在n次搜索对比过程结果中，存在p次

和q次

i^-＝0,1,2,……n＝p+q；若p≥1.5q，则p次搜索对应的应力测值不纳入计算，仍以nd反向搜索距离的应力递减顺序为主应力梯度方向；若p＝q，则认为nd反向搜索距离中没有形成应力分布无显著梯度规律。

10.根据权利要求1所述的混凝土大坝应力梯度监测方法，其特征在于：步骤(2)中，在混凝土大坝关键部位按照主应力方向进行钻孔，并串联安装应力监测传感器后，还包括在钻孔内回填水泥浆的步骤。

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