韓啟民

(遼寧省觀音閣水庫管理局，遼寧本溪 117100)

1 工程概況

觀音閣水庫位于太子河干流上，是以城市供水和防洪為主，兼顧灌溉、發(fā)電和養(yǎng)魚的大(1)型水利樞紐工程。水庫控制流域面積2795km2，總庫容21.68億m3。碾壓式混凝土重力攔河壩長1040m，分為65個(gè)壩段，最大壩高82m，壩后式電站總裝機(jī)2.075萬kW。大壩1～42號(hào)壩段設(shè)有上、中、下三層廊道，上、中層為觀測(cè)廊道，斷面尺寸(寬×高)為1.5m×2.2m。因溢流壩段堰頂?shù)陀趦蓚?cè)的擋水壩段22.3m，上層廊道拆分為三段成“凹”字形布置，即:1～15號(hào)壩段，高程260.5m;14～29號(hào)壩段，高程244.7m;28～42號(hào)壩段，高程260.5m。中間段通過設(shè)于15號(hào)、28號(hào)壩段的旋轉(zhuǎn)樓梯銜接兩端。因?yàn)樗そY(jié)構(gòu)的特殊性，上層廊道安裝的差動(dòng)變壓器式靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)亦分為三段，用以監(jiān)測(cè)壩頂?shù)拇怪蔽灰啤?/p>

2 靜力水準(zhǔn)的工作原理

靜力水準(zhǔn)儀是利用連通器的原理，通過連通管將多支監(jiān)測(cè)點(diǎn)的儲(chǔ)液罐連接在一起，基準(zhǔn)點(diǎn)置于一個(gè)可忽略其自身沉降、垂直位移相對(duì)恒定的固定點(diǎn)處，其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)置于高程大致相同的不同位置。安裝完成并貯滿適宜的液體，通過液體自流使全部?jī)?chǔ)液罐的液面始終保持在同一水平面。當(dāng)某一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)發(fā)生升降時(shí)，將引起該測(cè)點(diǎn)液面的上升或下降。通過測(cè)量液位的變化，了解被測(cè)點(diǎn)相對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)的升降變形，最后由沉降公式計(jì)算出監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)際沉降量。

觀音閣水庫靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無摩擦阻力、傳遞精度高、非接觸測(cè)量形式的差動(dòng)變壓器式傳感器。儲(chǔ)液罐內(nèi)灌注主要成分為水、酒精、乙二醇、緩蝕劑及多種表面活性劑的玻璃水，防凍、防霉、抗靜電、易流動(dòng)，提高并保證了系統(tǒng)的可靠性。當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生垂直位移時(shí)，儲(chǔ)液罐內(nèi)液體變位引起裝有鐵芯的浮子與固定在容器頂?shù)膬山M線圈間的相對(duì)位置改變，最終通過測(cè)量裝置測(cè)出的電壓變化計(jì)算得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)沉陷。

3 高程傳遞的引入

3.1 引入高程傳遞的客觀條件

觀音閣水庫1～42號(hào)壩段上層廊道每一壩段安裝一個(gè)靜力水準(zhǔn)儀，通過連通器管道聯(lián)通，每段增設(shè)一個(gè)校準(zhǔn)裝置，共計(jì)45個(gè)。雙金屬標(biāo)基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)在左岸灌漿隧洞內(nèi)，深入基巖30m(本文表示為0號(hào)壩段)。上層廊道中段與兩端存在15.8m的高差，按照傳統(tǒng)的方法無法實(shí)現(xiàn)連通器全程聯(lián)接。假使聯(lián)接，14～29號(hào)壩段承受的壓差將使靜力水準(zhǔn)儀不能正常工作。若分段安裝，則由于14號(hào)壩段的斷開，造成只有1～14號(hào)壩段能夠量測(cè)絕對(duì)位移，剩余部分只能量測(cè)相對(duì)位移，不能量測(cè)絕對(duì)位移，這樣不僅對(duì)分析成果造成影響，也違背了設(shè)計(jì)初衷。因此，當(dāng)以0號(hào)壩段基準(zhǔn)點(diǎn)為參照，實(shí)測(cè)各測(cè)點(diǎn)的位移變化時(shí)，如何解決上層廊道三個(gè)段落的高程聯(lián)系，怎樣進(jìn)行高程傳遞，是實(shí)現(xiàn)壩頂垂直位移自動(dòng)化監(jiān)測(cè)不可繞過的關(guān)鍵問題。

3.2 高程傳遞概念

所謂高程傳遞，是指在某些特定的條件下，不能通視或無法利用常規(guī)水準(zhǔn)測(cè)量方法直接測(cè)出高差很大、水平距離卻很短的兩點(diǎn)之間的高差，必須尋找其他方法代替精密水準(zhǔn)測(cè)量，打破建筑物高差限制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高程精準(zhǔn)傳遞。

3.3 高程傳遞常用方法及適用性

目前，在礦井、高層建筑中常用的高程傳遞方法主要有懸掛鋼尺、GPS高程測(cè)量、全站儀垂直測(cè)高三種。經(jīng)過比較分析，認(rèn)為都不能應(yīng)用于此:

a.懸掛鋼尺能夠準(zhǔn)確改正各項(xiàng)影響因素，可靠性高，但必須人工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)讀，不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

b.GPS具有全天候特點(diǎn)，在廊道內(nèi)卻是毫無用武之地。

c.全站儀不受建筑物高度限制，精度較高、方便快捷，但同懸掛鋼尺方法一樣不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

經(jīng)過反復(fù)的研究和論證，將廣泛應(yīng)用的雙金屬標(biāo)介入高程傳遞體系，實(shí)現(xiàn)260.5m高程向244.7m高程的精準(zhǔn)傳遞。

4 基于雙金屬標(biāo)的高程傳遞介入靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)

4.1 雙金屬標(biāo)的特點(diǎn)和原理

雙金屬標(biāo)是利用鋁的線脹系數(shù)是鋼的兩倍這一物理特性、以固定點(diǎn)為參考點(diǎn)的長度測(cè)量裝置。同心的保護(hù)管與鋼管之間、鋼管與鋁管之間預(yù)留的空隙保證了鋼、鋁管的伸長、縮短不受影響。在重力的作用下，插在基礎(chǔ)巖石中的管底部自然形成固定點(diǎn)。兩個(gè)管子的相同部位處在同一個(gè)溫度場(chǎng)中，在不受其他外力的作用下，溫度是引起金屬材料長度變化的唯一因素，測(cè)定軸線方向的變形量，即可求出溫度改正量，從而扣除溫度變化對(duì)于變形測(cè)量的影響。

雙金屬標(biāo)處壩體的絕對(duì)變形量S的計(jì)算方法如下:

式中:SYS鋼．cg1、SYS鋁．cg1 是安裝在鋼管、鋁管上的儀器測(cè)得的變形量。

4.2 雙金屬標(biāo)介入靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)原理

14號(hào)壩段和29號(hào)壩段是聯(lián)通上、下兩部分廊道的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別處于260.5m高程和244.7m高程。在14號(hào)壩段和29號(hào)壩段分別安裝雙金屬標(biāo)，即可測(cè)出下層平面對(duì)上層平面的絕對(duì)位移。0號(hào)壩段基準(zhǔn)點(diǎn)的絕對(duì)位移通過水準(zhǔn)儀的量測(cè)、換算，得出14號(hào)壩段(上)的絕對(duì)位移。計(jì)算時(shí)加入雙金屬標(biāo)傳遞值，則導(dǎo)出14號(hào)壩段(下)的絕對(duì)位移值。同理，可得到29號(hào)壩段(上)、(下)的絕對(duì)位移。

4.3 高程傳遞部分計(jì)算

14號(hào)壩段雙金屬標(biāo)儀絕對(duì)位移為:S14#=2 SYS鋼14#．cg1 － SYS鋁14#．cg1

29號(hào)壩段雙金屬標(biāo)儀絕對(duì)位移為:S29#=2 SYS鋼29#．cg1 － SYS鋁29#．cg1

a.對(duì)14號(hào)～29號(hào)壩段下層廊道(244.7m高程，下同):

JLi．cg2——第 i個(gè)靜力水準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)的第二個(gè)成果，即該壩段的絕對(duì)位移，mm;

程，下同)處的絕對(duì)位移;

S14#——14#壩段雙金屬標(biāo)儀絕對(duì)位移;

JLi．cg1——第 i個(gè)靜力水準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)的第一個(gè)成果，即該壩段的相對(duì)位移，mm;

JLi．cg2——第 i個(gè)靜力水準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)的第二個(gè)成果，即該壩段的絕對(duì)位移，mm;

S29#——29#壩段雙金屬標(biāo)儀絕對(duì)位移;

JLi．cg1——第 i個(gè)靜力水準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)的第一個(gè)成果，即該壩段的相對(duì)位移，mm。

4.4 高程傳遞過程中的誤差問題

鑒于高程傳遞計(jì)算時(shí)不可避免地存在著累計(jì)誤差，所以要求在測(cè)算的過程中，各測(cè)點(diǎn)位移計(jì)算值必須取同一時(shí)刻的觀測(cè)數(shù)據(jù)，盡可能減少不必要的誤差值。所有靜力水準(zhǔn)、雙金屬標(biāo)儀基準(zhǔn)值必須取同一時(shí)刻數(shù)據(jù)，當(dāng)某一個(gè)測(cè)點(diǎn)沒有測(cè)值時(shí)，應(yīng)不計(jì)算絕對(duì)位移或根據(jù)前后原始觀測(cè)數(shù)據(jù)內(nèi)插后選用。

按上述計(jì)算無法避免累計(jì)誤差，且29～42號(hào)壩段的累計(jì)誤差最大:

按照誤差傳遞理論:

29～42號(hào)壩段的沉降誤差為0.39mm。

《國家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》(GB/T 12897—2006)中規(guī)定:一等水準(zhǔn)測(cè)量偶然中誤差允許值0.45mm?！痘炷翂伟踩O(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5178—2003)中規(guī)定:壩頂垂直位移量中誤差限值±1.0mm。29～42號(hào)壩段的沉降誤差計(jì)算值滿足規(guī)范要求，不影響監(jiān)測(cè)精度。

4 結(jié)語

基于雙金屬標(biāo)的高程傳遞技術(shù)良好地解決了觀音閣水庫上層廊道靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)高程傳遞的“瓶頸”，使異形結(jié)構(gòu)、不良工作環(huán)境下的壩頂垂直位移監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)成為可能，同時(shí)為材料的物理性能與水工監(jiān)測(cè)理論結(jié)合提供了應(yīng)用例證?！?/p>