三向测缝计在煤窑沟水库整体式面板周边缝监测中的应用

白生贵

吐鲁番市水利水电勘测设计研究院，中国·新疆 吐鲁番 838000

1 引言

煤窑沟水库是煤窑沟河上的一座拦河式水库，水库总库容980 万m3，最大坝高44.8m。该水库工程坝体采用混凝土面板砂砾石坝，混凝土面板为坝体挡水及防渗主要结构，面板为整体式面板，设置纵向分缝结构。本次面板分缝变形监测仪器选用整体式TS 型三向测缝计，定期采集数据分析面板分缝变形情况，该水库安全监测中布设的三向测缝计为水库后期安全运行及评估提供有效的数据支撑[1]。

2 整体式TS 型三向测缝计工作原理

整体TS 型三向测缝计中的位移传感器采用的是SDW-200 型电位器式位移计。整体式TS 型三向测缝计基于点面组合的TS 型三向测缝计构造，将3 支传感器的一端通过铰支座固定在面板上的一个点，另一端固定在一个垂直于止板且平行于周边缝的平面上。将固定在平面上的3 个端点分别固定在2 条直角边上，2 条直角边分别平行和垂直于止板平面，3 支传感器的另外一端固定在面板上面的一点，其结构图如下图所示[2]。

图1 TS 三向测缝计结构图

整体式TS 型三向测缝计公式推导：在图2所示的坐标系中，面XOY平行于周边缝所在部位止板，X轴垂直于周边缝，指向对岸为正，即周边缝张开位移张开为正、闭合为负；Y轴平行于周边缝，指向河谷为正，即周边缝剪切位移向下为正、向上为负；Z为周边缝所在部位止板的法向方向，向上为正，即周边缝面板上抬为正、下沉为负。A、O、B为固定不动点，P为面板上面被测动点，h和s为固定边[3]。

安装时，被监测点的初始位臵为P(x0，y0，z0)，AP=L1，BP=L2，OP=L3。在△OBP和△OAP中，分别利用余弦定理求得y0 和z0，利用空间任意2 点间距离公式求得x0。a1、a2 和a3 为3 支传感器的连杆长度，U1，U2，U3 为3 支传感器的初始读数，A1、A2 和A3 为3 支传感器的变化后读数，d1、d2 和d3 分别为L1、L2 和L3 变化后的长度。用同样方法可求得yi、zi和xi，P点i时刻的坐标与初始位臵坐标之差△yi、△zi和△xi，即周边缝三向位移（如图2所示）[4]。

图2 整体式三向测缝计算原理图

3 整体式面板周边缝监测

3.1 整体式面板周边缝监测点位布设

在主坝左、右岸与东、西副坝的结合部位的趾板处分两个高程分别布置1 组三向测缝计，在最大断面面板与趾板的结合部位布臵1 组三向测缝计，以监测面板周边缝的变化情况，共计6 组三向测缝计（如图3所示）。

图3 周边缝监测仪器布置图

3.2 三向测缝计监测数据分析

2016年5月18日至2016年5月20 完成大坝1+380m、1+600m、1+740m 三个监测断面924.5m 和938.8m 高程的周边缝及板间缝三向测缝计的埋设工作，三向测缝计埋设布置见下图。

图4 大坝周边缝三向测缝计特征值表

（1）924.5m 高程周边缝变形1+380m 断面J1 测点监测数据显示：面板相对于趾板开合变形一直表现为张开变形，剪切变形一直表现为向右岸变形，沉降变形表现为先抬升再沉降在抬升的变形过程（如图5所示）。

图5 1+380m 断面924.5m 高程J1 三向位移过程线图

1+600m 断面J3 测点监测数据显示：面板相对于趾板开合变形表现为先压缩后张开变形，剪切变形一直表现为向左岸变形，沉降变形一直表现为抬升变形（如图6所示）。

图6 1+600m 断面924.5m 高程J3 三向位移过程线图

1+740m 断面J5 测点监测数据显示：面板相对于趾板开合变形表现为先压缩后变形，剪切变形表现为先向右岸再向左岸变形过程，沉降变形表现为先抬升后沉降的变形过程（如图7所示）。

图7 1+740m 断面924.5m 高程J5 三向位移过程线图

（2）938m 高程板间缝变形监测1+380m 断面J2 测点监测数据显示：右面板相对左岸面板开合变形表现为先压缩、再张开、后压缩、在张开的变化过程，剪切变形表现为先向库盘方向、再向坝顶方向、然后向库盘方向剪切的变化过程，沉降变形一直表现为沉降变形（如图8所示）。

图8 1+380m 断面938m 高程J2 三向位移过程线图

1+600m 断面J4 测点监测数据显示：右面板相对左岸面板开合变形表现为先压缩、再张开、后压缩、再张开的变化过程，剪切变形一直表现为向库盘方向，沉降变形一直表现为抬升变形（如图9所示）。

图9 1+600m 断面938m 高程J4 三向位移过程线图

1+740m 断面J6 测点监测数据显示：右面板相对左岸面板开合变形表现为压缩和张开变形相互转换的变化过程、剪切方向一直表现为先向库盘、再向坝顶、然后向库盘的变形过程、沉降方向表现为为沉降和抬升变形相互转换的变化过程（如图10所示）[5]。

图10 1+740m 断面938m 高程J6 三向位移过程线图

从埋设于1+380m、1+600m、1+730m 三个监断面的趾板与面板间的周边缝、面板与面板间的板间缝测点两个半月的观测数据及其过程线可知测点处周边缝和板间缝的变形量值小，结构稳定。

4 结语

三向测缝计在煤窑沟水库整体式面板周边缝的监测点布设，通过采集数据分析，周边缝、板间缝的三向测缝计的观测数据及其过程线可知测点处周边缝和板间缝的变形量值不大，面板间的周边缝及面板与面板间的板间缝结构是稳定的。说明三向测缝计在整体式面板分缝观测中数据采集可靠运行良好，为水库结构安全提供实时监测数据[6]。