黎佛林
(江西省鄱陽(yáng)湖水利樞紐建設(shè)辦公室,江西 南昌 330009)
在20世紀(jì)80年代,我國(guó)的土工觀測(cè)工作比較落后,而土石壩內(nèi)部觀測(cè)屬于土工觀測(cè)范疇,觀測(cè)設(shè)備及觀測(cè)方法還不健全,觀測(cè)儀器設(shè)備的研制和生產(chǎn)還比較落后[1]。在國(guó)外的水平位移監(jiān)測(cè)中,美國(guó)墾務(wù)局推薦了引張線水平位移計(jì)監(jiān)測(cè)大壩的水平位移,而使用較多的是測(cè)斜儀測(cè)斜的方法,它通過(guò)在大壩內(nèi)部埋設(shè)測(cè)斜管,通過(guò)測(cè)定管道的斜度變化換算水平位移[1]。目前,在國(guó)內(nèi)以引張線水平位移計(jì)為主監(jiān)測(cè)大壩內(nèi)部水平位移,隨著光電技術(shù)進(jìn)步,真空激光技術(shù)被應(yīng)用于大壩外部水平位移監(jiān)測(cè)[2-3],光纖傳感技術(shù)被應(yīng)用于隧洞內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)[4]。南京水利科學(xué)研究院在國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目和水利部重點(diǎn)科技項(xiàng)目的資助下,先后研制出電測(cè)水平位移計(jì)和桿式水平位移計(jì)[5]。
當(dāng)壩高超過(guò)200m、管路長(zhǎng)度超過(guò)500m時(shí),由于管線太長(zhǎng)使得引張線位移計(jì)的測(cè)量時(shí)間大量加長(zhǎng),靈敏度降低,誤差大大增加。由于引張線銦鋼絲長(zhǎng)度的大量增加,為保證測(cè)量過(guò)程中銦鋼絲引張線處于繃直狀態(tài)以準(zhǔn)確傳遞測(cè)點(diǎn)水平位移,必須大量增加引張線用配重,使得銦鋼絲因強(qiáng)度不足被拉斷。因此,300m級(jí)高面板堆石壩壩體內(nèi)部變形安全監(jiān)測(cè)存在儀器失效率高的問(wèn)題[6]。
這類(lèi)依靠伸拉式傳感監(jiān)測(cè)水平位移的方法需要在壩后修建觀測(cè)房,特別是在施工期需要搭建臨時(shí)觀測(cè)房,如果鋼絲被拉斷后儀器將難以修補(bǔ)。水布埡面板堆石壩的面板擾度監(jiān)測(cè)采用了光纖陀螺技術(shù),實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)儀器機(jī)動(dòng)靈活、容易維護(hù)和升級(jí)更換[7]。為實(shí)現(xiàn)多渠道監(jiān)測(cè)大壩內(nèi)部水平位移,實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)的連續(xù)性和比較性,使監(jiān)測(cè)設(shè)備易維護(hù)、易更換,本文提出采樣高斯定律來(lái)監(jiān)測(cè)大壩內(nèi)部順河向的水平位移。
大壩內(nèi)部水平位移作為大壩安全監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵指標(biāo),可了解大壩運(yùn)行狀態(tài)[8,9]。通過(guò)對(duì)連續(xù)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析,對(duì)大壩安全性做出評(píng)價(jià)[10]。
壩體水平位移的監(jiān)測(cè)一定要能夠感知到壩體內(nèi)部具體某部位發(fā)生的位移,例如張拉式的位移計(jì)都是通過(guò)測(cè)點(diǎn)來(lái)反映該位置的變形,要實(shí)現(xiàn)分布式監(jiān)測(cè)仍然有很多技術(shù)難題,所以新的系統(tǒng)也是以測(cè)點(diǎn)為監(jiān)測(cè)單元,采用預(yù)埋信號(hào)源的方式,同時(shí)埋設(shè)信號(hào)感應(yīng)器的運(yùn)行通道。
至于何種信號(hào)源為佳,這需要考慮成本和技術(shù)等要素。電磁式沉降儀在土石壩沉降觀測(cè)中的良好表現(xiàn),給研制新儀器很好的啟發(fā),經(jīng)過(guò)反復(fù)論證,預(yù)埋永磁體是一個(gè)較好的選擇。
該方法基于普通物理學(xué)定理:高斯定律進(jìn)行大壩的水平位移安全監(jiān)測(cè)。如圖1所示,磁鐵的磁感線總是從N極出發(fā)回到S極形成閉合回路,磁感線的相對(duì)疏密表示磁性的相對(duì)強(qiáng)弱,根據(jù)高斯定律可近似認(rèn)為某一特定點(diǎn)磁通量的絕對(duì)值隨磁鐵的距離減小反而增大。一根導(dǎo)體做切割磁感線運(yùn)動(dòng),就會(huì)產(chǎn)生電流,稱(chēng)之為電磁感應(yīng)現(xiàn)象,也是發(fā)電機(jī)的原理。由法拉第原理可得到公式(1)。
圖1 信號(hào)源布置圖
(1)
式中,K—器件的乘積靈敏度、常數(shù),與導(dǎo)體的長(zhǎng)度有關(guān);ν—導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)的速度;B—磁感應(yīng)強(qiáng)度。假定速度已知,通過(guò)測(cè)定UL電壓值,則可以求出磁場(chǎng)強(qiáng)度。
新型大壩水平位移計(jì)有監(jiān)測(cè)通道,永磁體信號(hào)源,信號(hào)傳感器(高斯計(jì))三大塊組成。核心器件為高斯計(jì),一般也稱(chēng)為霍爾傳感器,為半導(dǎo)體材料,對(duì)磁場(chǎng)特別敏感,體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且使用壽命長(zhǎng)。高斯計(jì)的內(nèi)部電路如圖2所示,控制電流I由供電電源提供,R用以調(diào)節(jié)控制電流I的大小。如圖3所示,霍爾電勢(shì)E輸出端的RL負(fù)載,可以是放大器的輸入電阻或表頭電阻等,在水平位移監(jiān)測(cè)中,把磁場(chǎng)B作為輸入信號(hào),通過(guò)霍爾電勢(shì)E的輸出可得到測(cè)量結(jié)果。
圖2 高斯計(jì)基本電路圖
圖3 高斯定律原理圖
因?yàn)榛魻栃?yīng)從本質(zhì)上講是運(yùn)動(dòng)的帶電粒子在磁場(chǎng)中受洛侖茲力作用引起的偏轉(zhuǎn),因此還需要供電電源。該系統(tǒng)采用3.5V的供電電壓,5V可充電鋰電池作為供電電源,配置一個(gè)電源模塊使得5V轉(zhuǎn)換成3.5V的供電電壓。
信號(hào)源:永久磁鐵為普通磁鐵,價(jià)格便宜,只需用特定密封材料灌封,磁鐵密封后與外界隔絕,使磁鐵在壩體中能得以長(zhǎng)期保存。埋設(shè)安裝時(shí)(如圖4所示),用鋁線綁扎于測(cè)量通道的下方,使得磁鐵能隨壩體協(xié)同變形。
圖4 設(shè)計(jì)的測(cè)試管道
新研制的磁感式水平位移計(jì)(簡(jiǎn)稱(chēng)SP-C)在觀測(cè)方法、儀器設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)、通道運(yùn)行方式等方面與現(xiàn)行的監(jiān)測(cè)儀器存在差別。系統(tǒng)的性能參數(shù)主要通過(guò)室內(nèi)測(cè)定以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到,主要性能:①壩體內(nèi)部預(yù)埋水平變形測(cè)量永久信號(hào)源;②外置高斯計(jì)傳感器,實(shí)現(xiàn)儀器的可維修可更新性能;③磁場(chǎng)測(cè)量范圍-4~4gass,分辨率為<2.5mgass;④測(cè)量帶寬50HZ;⑤供電電壓3.2~5.0V;⑥輸出接口USB;⑦工作溫度-25~85℃;⑧儀器設(shè)計(jì)考慮防水要求,封裝后的防水等級(jí)為IP65;⑨測(cè)量數(shù)據(jù)采取邊測(cè)量邊讀取的方式,測(cè)量結(jié)束后通過(guò)USB接口直接拷貝;⑩系統(tǒng)具有故障報(bào)警提示功能;每次監(jiān)測(cè)可自動(dòng)創(chuàng)建數(shù)據(jù)存儲(chǔ)文件,自動(dòng)命名;量程范圍0~500m(根據(jù)要求可定制范圍),精度1mm(實(shí)際工程中還受其它因素影響)。
在系統(tǒng)室內(nèi)制備成功后,通過(guò)實(shí)際面板堆石壩工程進(jìn)行實(shí)踐論證。試驗(yàn)方案如下:①在距離壩頂38m的斷面上(如圖5所示),埋設(shè)SP-C監(jiān)測(cè)通道,并設(shè)有6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(信號(hào)源);②測(cè)試時(shí)通過(guò)特制傳動(dòng)設(shè)備將傳感器由下游側(cè)管口進(jìn)入上游管口,最后傳回原點(diǎn)。該工程實(shí)踐的目的是試驗(yàn)SP-C的穩(wěn)定性和可靠性,實(shí)現(xiàn)大壩水平位移監(jiān)測(cè)手段的多樣化。
圖5 大壩測(cè)試埋設(shè)安裝示意圖
在系統(tǒng)安裝完工后,對(duì)大壩進(jìn)行了15d一次的監(jiān)測(cè)試驗(yàn),每次測(cè)試3組數(shù)據(jù),連續(xù)監(jiān)測(cè)一個(gè)季度,共測(cè)得18組數(shù)據(jù),即實(shí)際監(jiān)測(cè)共6次。
在試驗(yàn)中,每次重復(fù)監(jiān)測(cè)3組數(shù)據(jù)來(lái)測(cè)試系統(tǒng)的重復(fù)性能和精度,并對(duì)3次數(shù)據(jù)求平均值為水平位移的監(jiān)測(cè)值(見(jiàn)表1)。從結(jié)果(如圖6所示)中分析,3組測(cè)量的重復(fù)性較好(圓圈代表第一組,實(shí)心代表第二組,五角星代表第三組),圖6顯示3次結(jié)果幾乎無(wú)差別。
表1 SP-C監(jiān)測(cè)大壩水平位移重復(fù)測(cè)值結(jié)果
圖6 SP-C監(jiān)測(cè)大壩水平位移重復(fù)性結(jié)果示意圖
在工程實(shí)際應(yīng)用中受傳動(dòng)設(shè)備,環(huán)境條件,施工條件等因素影響,判斷活動(dòng)式儀器測(cè)量精度是一個(gè)難題,表1的測(cè)量結(jié)果反映了這一基本事實(shí):SP-C分辨永久磁環(huán)的位置為厘米級(jí),低于室內(nèi)測(cè)量精度,此處厘米不能?chē)?yán)格作為實(shí)際測(cè)量的精度級(jí)別,只能作為測(cè)量的分辨力。引張線水平位移計(jì)埋入壩體的銦鋼絲錨固點(diǎn)、水管式沉降儀埋入的測(cè)頭與SP-C存在類(lèi)似問(wèn)題,即信號(hào)源“真實(shí)值”無(wú)法確認(rèn),按照誤差的定義是無(wú)法得到結(jié)果的。
系統(tǒng)以15d一次的頻率連續(xù)6次(如圖7所示)監(jiān)測(cè)大壩水平位移,實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果表明該研制集成儀器的重復(fù)測(cè)量精度為厘米級(jí),但這不是儀器的測(cè)量精度,因?yàn)檎`差的定義是測(cè)量結(jié)果減去被測(cè)量的真值。但在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中如何判斷儀器精度是一個(gè)難題[7],這個(gè)難題不僅僅出現(xiàn)在本系統(tǒng)中。儀器未埋入前,一般可以通過(guò)給定位移來(lái)準(zhǔn)確評(píng)估測(cè)量精度;在埋入壩體后,一是主要受施工的干擾移動(dòng),小型化的監(jiān)測(cè)信號(hào)源位置變化大,對(duì)于精密測(cè)量,初始標(biāo)定的位置不能采用,二是安裝后并不能立即進(jìn)行全斷面監(jiān)測(cè),因此無(wú)法標(biāo)定初始實(shí)值來(lái)測(cè)量系統(tǒng)精度。
為正確表達(dá)含有誤差的監(jiān)測(cè)結(jié)果、評(píng)價(jià)監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠程度,在芷江縣和平電站水平位移觀測(cè)誤差分析采用了觀測(cè)限差[12]。在該試驗(yàn)中,利用不確定度評(píng)價(jià)測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性,從而判斷測(cè)量精度。不確定度越小,表示可靠程度越高;反之,不確定度越大,可靠程度越低。在SP-C中引入測(cè)量的離散程度來(lái)評(píng)判不確定度,這也是目前判斷儀器測(cè)量精度的可行方法。離散程度應(yīng)該根據(jù)數(shù)據(jù)偏離平均值的程度來(lái)判定,見(jiàn)公式(2),6次測(cè)量的重復(fù)性結(jié)果見(jiàn)表2。
表2 SP-C測(cè)量大壩水平位移的離散程度 單位:mm
(2)
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,第4信號(hào)源在第一次重復(fù)測(cè)量的不確定度達(dá)48.8mm,與另外5次的結(jié)果相差太大,可認(rèn)定為因操作不當(dāng)?shù)仍蛞鸬钠娈愔?,這時(shí)可合并其他次數(shù)的重復(fù)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行離散程度計(jì)算,見(jiàn)公式(3)。
(3)
在第一次監(jiān)測(cè)中因第一次重復(fù)測(cè)量值偏離平均值較大,在去掉該值并聯(lián)合其它組的監(jiān)測(cè)結(jié)果,由式(3)合并計(jì)算該次離散程度的結(jié)果為4.26mm。對(duì)所有計(jì)算結(jié)果取最大值Ydis=max(Xdis(i))為系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的不確定度,則該儀器的重復(fù)測(cè)量的不確定度為5.3mm。
在監(jiān)測(cè)軌道埋設(shè)1年半之后,因儀器研制滯后,系統(tǒng)首次監(jiān)測(cè)大壩水平位移,此時(shí)大壩填筑封頂接近1年半,因此采用相對(duì)位移作為監(jiān)測(cè)的結(jié)果(如圖8所示)。日常監(jiān)測(cè)中,以此結(jié)果結(jié)合其它觀測(cè)項(xiàng)目,利用經(jīng)驗(yàn)判別法、速率比較法和權(quán)重法對(duì)大壩安全進(jìn)行評(píng)價(jià)與預(yù)警。上述6次監(jiān)測(cè)得到對(duì)應(yīng)的5次位移變化曲線,監(jiān)測(cè)信號(hào)源的旬變化量為1~5mm。
圖8 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)大壩相對(duì)水平位移
經(jīng)過(guò)方案優(yōu)選,考慮充分利用測(cè)試通道的功能,在現(xiàn)有水平位移監(jiān)測(cè)方法的基礎(chǔ)上,為實(shí)現(xiàn)大壩變形的多途徑監(jiān)測(cè)和監(jiān)測(cè)結(jié)果的比較,該實(shí)驗(yàn)采用先預(yù)埋灌裝磁鐵后研制系統(tǒng)的方法,最后得到以下結(jié)論。
(1)新系統(tǒng)在理論上被論證可行,并先預(yù)埋監(jiān)測(cè)信號(hào)源及各類(lèi)鋪助設(shè)備,同步開(kāi)展儀器研制集成并取得成功。
(2)新儀器SP-C可維修可更新,防水等級(jí)高,測(cè)試數(shù)據(jù)自動(dòng)創(chuàng)建自動(dòng)命名。
(3)SP-C連續(xù)監(jiān)測(cè)大壩水平位移的精度用重復(fù)測(cè)量不確定度表示,該儀器的不確定度為5.3mm,低于室內(nèi)的模擬測(cè)量精度;在監(jiān)測(cè)斷面變形累計(jì)1年半后,SP-C監(jiān)測(cè)大壩水平位移的旬變化量為1~5mm。