某高面板坝光纤陀螺仪监测成果可信度评判

吕高峰，朱锦杰

(杭州国家水电站大坝安全和应急工程技术中心有限公司，浙江 杭州 311122)

1 工程概况

某水电站混凝土面板堆石坝坝顶高程409.0 m，坝顶长674.66 m，最大坝高233.2 m，坝顶宽12 m。大坝上游坝坡1∶1.4，下游平均坝坡1∶1.46。坝体填料分7个主要填筑区，从上游至下游分别为盖重区(1B)、铺盖区(1A)、垫层区(2A)、过渡区(3A)、主堆石区(3B)、次堆石区(3C)和下游堆石区(3D)。面板厚0.3～1.1 m，受压区面板宽16.0 m，受拉区宽8.0 m，共分58块，面板面积13.87万m2。趾板采用坝前设标准板，下接防渗板的结构形式，标准板宽6～8 m，厚0.6～1.2 m。防渗板宽4～12 m，厚0.6 m。趾板与基岩间设有锚筋连接。周边缝结构在345.0 m高程以下采用底、中、顶三道止水，345.0 m高程以上取消中部止水，设底、顶两道止水；面板垂直缝设有底、顶两道止水。

2 光纤陀螺仪布置和测值定义

2.1 光纤陀螺仪布置

在面板0+212断面上布设一条光纤光栅陀螺仪测线用来监测面板挠度，其中陀螺仪管道槽底部起始高程178.0 m，顶部高程409.0 m，槽线总斜长397.4 m。在桩号0+132监测断面371 m高程布设一条光纤光栅陀螺仪坝体沉降测线。管道起始点紧靠上游面的挤压边墙，末端点在下游WS01-9观测房内，轨道水平全长103 m。

2.2 光纤陀螺仪测值定义

光纤陀螺仪(面板挠度)的相对位移是相对于管底和管口连线为固定位置的法向位移。面板挠度通过管口的变形(通过外观测量得到)换算成绝对位移，前提假设是管底为不动点(实际上管底在趾板处，管底基本不动，假定成立)。光纤陀螺仪(坝体沉降)的相对位移是相对于管底和管口连线为固定位置的法向位移。因管底的变形不具备观测条件，在计算沉降的绝对位移时，假定管底和管口变形一致，将观测房的沉降直接叠加到光纤陀螺仪的每个测点。实际上管底和管口的沉降差别较大，现有光纤陀螺仪(沉降)换算的绝对位移与工程实际有差别。

3 光纤陀螺仪基本原理

光纤陀螺的核心原理是利用光的干涉现象来测量旋转角速率，由1913年法国物理学家G.sagnac首次提出。在一个任意几何形状的闭合光学光路中，从任意一点出发、沿相反方向传播的两束光波，绕行一周返回到该点时，如果闭合光路相对于惯性空间沿某一方向转动，则两束光波的相位将发生变化，这种现象称为Sagnac效应。它揭示了同一光路中两个对向传播的光的光程差与其旋转速度的解析关系。

图1 典型工程面板挠度分布曲线

4 光纤陀螺仪(挠度)测值可信度评估

4.1 与同类工程挠度分布规律类比

某面板坝光纤陀螺仪挠度分布曲线与国内同类工程(电平器等其他监测仪器监测挠度)进行对比。天生桥一级、珊溪水电站工程和本工程面板挠度分布曲线见图1。由图1可知：面板挠度分布曲线一般呈抛物线(珊溪)或马鞍形(天生桥一级)[1]，与面板施工分期、预留沉降时间等有关。面板最大挠度出现的位置并不固定，出现在面板中部及以下或顶部都有可能，位于顶部一般与大坝运行期的堆石体蠕变较大有关，如天生桥一级。本文工程的挠度分布曲线与珊溪较为接近。

4.2 与同类工程最大挠度量值对比

国内同类工程面板挠度变形相关成果统计表具体见表1。由表1可知：

(1)截止到2015年10月30日，本工程(坝高233.2 m)面板最大挠度为1 215 mm，挠度与面板斜长比为0.30%，为目前国内同类工程最大。

(2)工程界一般认为面板挠度与坝高(H)的平方成正比，与堆石的压缩模量(Erc)成反比。文献[2]中提到面板挠度估算的公式为

δ=K×H2/Erc

(1)

式中，δ为面板挠度，mm；H为坝高，m；Erc为蓄水前垂直压缩模量，MPa。K一般在1.1～1.6之间。根据实测资料计算K值，本工程的K值为2.66，大于其他工程。图2是实测最大挠度与H2/Erc关系图，从图2可以看出，除本工程外，其他工程基本符合这个规律。

(3)在文献[3、4]中提到，最大挠度可以用坝体施工期的最大沉降Smax表示，即δ=0.25Smax。图3为实测最大挠度与0.25Smax关系。从图3可以看出，本工程实测最大挠度与0.25Smax差别较大。

综上所述，光纤陀螺仪(挠度)监测到的某工程面板挠度较同类工程高。

4.3 与面板邻近垫层料变形对比

为了解光纤陀螺仪(挠度)测值成果的可信度，对该成果与邻近垫层料内的水管式沉降仪、引张线水平位移计成果进行对比。因引张线水平位移计和水管式沉降仪监测时间早于面板挠度，对比前先将数据调整至同一初始时间。引张线水平位移计和水管式沉降仪换算成面板挠度的方式如下[6]：

表1 面板挠度变形相关成果[5]

图2 实测最大挠度与H2/Erc关系

图3 实测最大挠度与0.25Smax关系

D=ΔVcosθ+ΔHsinθ=0.814ΔV+0.581ΔH

(2)

式中，D为挠度，mm；ΔV为水平位移，mm；θ为坡角，(°)；ΔH为垂直位移，mm。

面板光纤陀螺仪实测挠度与引张线水平位移计、水管式沉降仪换算成果对比成果见图4。由图4可知，引张线水平位移计和水管式沉降仪矢量计算得到的面板挠度整体小于光纤陀螺监测到的挠度。根据引张线水平位移计和水管式沉降仪矢量计算得到的面板挠度最大位置在1/3坝高位置附近，光纤陀螺仪监测到的最大挠度在2/3坝高位置附近。

图4 典型挠度分布曲线(单位：mm)

考虑相同基准时间，光纤陀螺仪(挠度)与水管式沉降仪、引张线水平位移计成果的对比见图5。由图5可知，光纤陀螺仪(挠度)300 m高程处测值过程线呈现测值逐步增大，速率逐步减小的趋势，整体变形趋势符合一般规律。从量值上看，水管式沉降仪、引张线水平位移计换算成挠度的成果小于光纤陀螺仪面板300 m处挠度的绝对位移。

图5 光纤陀螺仪(挠度)和水管式沉降仪、引张线水平位移计绝对位移对比过程线

水管式沉降仪、引张线水平位移计换算成挠度的成果小于光纤陀螺仪面板300 m处挠度的绝对位移。但水管式沉降仪、引张线水平位移计换算成挠度这种方式存在一定的问题：①水管式沉降仪、引张线水平位移计与光纤陀螺仪(挠度)监测的部位不一样；②水管式沉降仪、引张线水平位移计本身成果也存在一定误差。

4.4 与面板钢筋应力规律对比

为进一步了解光纤陀螺仪(挠度)测值成果的可信度，对该成果与面板顺坡向钢筋计成果进行对比。光纤陀螺仪挠度和钢筋计测值分布见图4。从图4可以看出，在面板的1/3坝高处钢筋计的压应力最大，2/3坝高以上钢筋计为拉应力，结合水管式沉降仪和引张线水平位移计矢量计算得到的成果，面板在2/3坝高处产生最大挠度的可能性较小。

5 光纤陀螺仪(沉降)测值可信度评估

为评判光纤陀螺仪(沉降)变形的可信度，对比光纤陀螺仪和水管式沉降仪的监测成果。

光纤陀螺仪、水管式沉降仪和表面变形测点2015年沉降速率统计见表2。从表2可以看出，光纤陀螺仪的沉降速率明显高于同时段同位置的水管式沉降仪、坝顶表面变形的沉降速率。理论上，光纤陀螺仪的沉降速率应与同时段同位置的水管式沉降仪接近，并小于坝顶表面变形的沉降速率。光线陀螺仪(沉降)成果测值可信度不高。

光纤陀螺仪和水管式沉降仪的最终成果差别较大，除仪器测量本身的原因外，也和计算假定(叠加观测房成果的方式)有关。

表2 光纤陀螺仪、水管式沉降仪和表面变形测点2015年沉降速率统计

光纤陀螺仪(坝体沉降)的相对位移是相对于管底和管口连线为固定位置的法向位移。在计算沉降的绝对位移时，假定管底和管口变形一致，将观测到的沉降直接叠加到光纤陀螺仪的每个测点，实际上管底和管口的沉降差别很大，这样得到的位移不是真正的绝对位移。因管底变形不具备观测条件，现有光纤陀螺仪换算的绝对位移与工程实际有差别。

6 结 语

(1)光纤陀螺仪属于试验性、科研探索型仪器，可作为常规观测的补充。监测沉降的仪器有水管式沉降仪和光纤陀螺仪两种，监测挠度的仪器目前只有光纤陀螺仪(挠度)。

(2)光纤陀螺仪测得面板挠度分布曲线与其他同类工程类似，但量值上大于其他同类工程，也大于邻近面板垫层料内水管式沉降仪和引张线水平位移计矢量计算得到的成果。基于面板挠度与H2/Erc成正比及最大挠度可以用坝体施工期的最大沉降Smax表示，光纤陀螺仪(挠度)监测到的本工程面板挠度不符合经验公式。结合同断面钢筋应力分布、水管式沉降仪和引张线水平位移计矢量计算得到的成果，面板在2/3坝高处产生最大挠度的可能性较小。综上，光纤陀螺仪挠度量值和规律可信度较低。

(3)光纤陀螺仪在2015年测得的沉降速率大于同时段同位置的水管式沉降仪、坝顶表面变形的沉降速率，不符合一般规律，测值可信度不高。究其原因，除仪器本身外，也和计算假定(叠加观测房成果的方式)有关，在计算沉降的绝对位移时，假定管底和管口变形一致，将观测房的沉降直接叠加到光纤陀螺仪的每个测点，实际上管底和管口的沉降差别很大，这样得到的位移不是真正的绝对位移。