GK振弦式傾斜儀在大壩安全監(jiān)測中的應(yīng)用

趙紅旭，馬成武，陳和權(quán)，豆?jié)绍?/p>

（中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司工程測繪公司，吉林長春 130062）

0 引言

豐滿水電站為吉林省境內(nèi)第二松花江干流上修建的第一座大型水力發(fā)電工程，控制流域面積42 500 km2。壩址多年平均流量為439 m3/s。水庫正常蓄水位263.50 m，相應(yīng)庫容87.7×108m3；萬年一遇校核洪水位267.70 m，相應(yīng)總庫容109.88×108m3。是一座以發(fā)電為主，并承擔(dān)下游防洪、灌溉、工農(nóng)業(yè)及城市供水、旅游等多方面綜合利用的大型工程。

豐滿水電站始建于1937年的偽滿時(shí)期，是我國最早建設(shè)的大型水電站。由于當(dāng)時(shí)的建設(shè)條件，大壩施工質(zhì)量較差，滲漏嚴(yán)重，存在安全隱患，雖然1997年以前對大壩進(jìn)行了外包混凝土、預(yù)應(yīng)力錨索、灌漿、排水等綜合處理，但226 m高程以下上游壩面未做防滲處理，由于上游壩面還未能形成完全封閉的防滲結(jié)構(gòu)，壩體滲漏嚴(yán)重的問題始終未能得到徹底的解決。

1 安全檢測概述

2006年2月，東北電網(wǎng)有限公司就豐滿水電站大壩防滲灌漿試驗(yàn)、溢流壩段降低滲水壓力工程舉行公開招投標(biāo)，工程總體要求是：在攔截壩體滲漏水量的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)壩體排水，有效降低壩體滲透壓力，減少溢流面下部負(fù)溫區(qū)混凝土含水量，從根本上解決溢流壩面凍脹問題，確保大壩安全運(yùn)行。我公司通過招投標(biāo)的方式承擔(dān)了溢流壩段降低滲水壓力帷幕灌漿工程中上游壩面變形監(jiān)測工作，目的是在溢流壩體灌漿實(shí)施過程中，監(jiān)測大壩上游面的位移變化情況，防止灌漿對壩體造成損壞，保障帷幕灌漿期間壩體的安全。

本次帷幕灌漿工程從2008年3月正式開始，變形監(jiān)測工作同時(shí)進(jìn)行，并伴隨壩體帷幕灌漿施工全過程。

2 安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測儀器布置

豐滿水電站攔河大壩為混凝土重力壩，最大壩高91.7 m，壩頂全長1 080 m，共分60個(gè)壩段，壩段長18 m。左岸1～8號壩段為非溢流壩段，9～19號壩段為溢流壩段。壩頂寬度11 m，堰頂高程252.5 m，溢流孔孔口尺寸12 m×6 m，閘墩厚度6 m。針對工程的具體情況，本著“重點(diǎn)突出、兼顧全面、經(jīng)濟(jì)合理、運(yùn)行方便”的設(shè)計(jì)原則，在壩體防滲灌漿區(qū)每個(gè)壩段（選在壩體透水量較大的部位9～17號壩段）的不同高度按照“品”字形布設(shè)1～2個(gè)觀測點(diǎn)，形成既覆蓋全面又重點(diǎn)突出的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，以期能夠達(dá)到在溢流壩段降低滲水壓力帷幕灌漿工程中全面反應(yīng)大壩運(yùn)行性態(tài)，確保施工期的壩體安全。

水下變形監(jiān)測儀器采用美國基康公司研制的固定式振弦測斜儀，型號為GK-6350，標(biāo)準(zhǔn)量程垂直方向±10°，精度為0.1%FS。

2.2 傾斜儀的安裝及工作原理

2.2.1傾斜儀的工作原理

GK-6350振弦式傾斜儀用于長期測量結(jié)構(gòu)的傾斜變化，包括大壩、基礎(chǔ)、擋土墻以及相似結(jié)構(gòu)，基本原理是利用安裝在被監(jiān)測結(jié)構(gòu)上的傾斜傳感器來精確測量傾斜度。

傳感器由懸掛的擺塊和彈性鉸組成，振弦應(yīng)變針支撐著擺塊，應(yīng)變針感應(yīng)由擺塊重心偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生力的變化。懸垂塊和傳感器裝在防水的保護(hù)外殼內(nèi)，其包括連接傳感器和固定板的組件。為了減小腐蝕影響，外筒由不銹鋼管制成。雙軸系統(tǒng)將兩個(gè)互成90°夾角的傳感器安裝在雙軸支架上。

2.2.2傾斜儀的安裝

首先安裝單軸固定架，此固定架用于垂直壩面上的固定。標(biāo)記好固定的位置，并鉆一個(gè)直徑12 mm的孔，深度大約為100 mm，把孔清理干凈。將錨桿推入孔中，可使用手錘敲到孔底，等錨桿固定后再繼續(xù)安裝。用配備的部件把固定支架連接到螺栓上，用水平儀或其他水平裝置調(diào)整固定架，保持其和墻面垂直。用配套的帶帽螺桿、墊圈、螺母把傾斜儀連接到固定架上，不要上緊螺母，連接便攜式讀數(shù)儀，在固定架的軌道內(nèi)調(diào)節(jié)傳感器，并觀察讀數(shù)，把讀數(shù)和相應(yīng)儀器率定表給出的零點(diǎn)讀數(shù)對比，直到兩數(shù)值相差在±50個(gè)數(shù)以內(nèi)為止。讀數(shù)滿意后，擰緊帽螺釘，把傾斜儀固定，固定后再次檢查讀數(shù)，確保讀數(shù)和零讀數(shù)相差在±50個(gè)數(shù)以內(nèi)。

2.2.3傾斜度計(jì)算

傾斜度通過GK-401或GK-403的B檔進(jìn)行數(shù)字化測量。這些數(shù)字顯示值和傾斜角變化的關(guān)系由下列線性方程給定：

△θ=(R0-R1)G

式中：R0—初始讀數(shù)；R1—是當(dāng)前讀數(shù)；G—是傳感器率定系數(shù)。

當(dāng)傾斜度小于2°時(shí)，該線性方程能很好地反映其關(guān)系。當(dāng)大于這個(gè)角度時(shí)，誤差就會(huì)增大。線性方程引入的誤差見率定表。

為得到更精確的傾斜度數(shù)值可采用下列多項(xiàng)式方程：θ=AR2+BR+C

在公式里，A，B和C是率定表上提供的系數(shù)。分別用R=R0和R=R1計(jì)算θ的值，把它們的差值與用(R0-R1)計(jì)算出來的△θ作比較。

2.3 自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)采用BGK-M ICRO分布式網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng)（以下簡稱測量系統(tǒng)），采用混合式測量電路，可測量現(xiàn)場的各支傳感器并進(jìn)行記錄，集用戶管理、測量管理、數(shù)據(jù)管理、通訊管理于一身，為工程安全的自動(dòng)化測量及數(shù)據(jù)處理提供了極大的方便和有力的支持。

測量系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、BGK-M ICRO-MCU分布式網(wǎng)絡(luò)測量單元（內(nèi)置BGK-M ICRO系列測量模塊）、智能式儀器（可獨(dú)立作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的儀器）等組成，并配置有1臺2 kVAde UPS、1臺掃描儀、1臺激光打印機(jī)等設(shè)備。通過1個(gè)RS-232/485轉(zhuǎn)換模塊與現(xiàn)場監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)相連，對現(xiàn)場的每一支儀器進(jìn)行控制、測量、查詢等。通過相應(yīng)配套的軟件可完成本工程安全監(jiān)測儀器的自動(dòng)測量、數(shù)據(jù)處理、圖標(biāo)制作、異常測值報(bào)警等工作。

表1為系統(tǒng)的組成框圖（1個(gè)測量單元系統(tǒng)）。

其中各終端傳感器布置如前所述。各傳感器采用專用的信號電纜接入分布式網(wǎng)絡(luò)測量單元（BGK-M ICROMCU），然后采用數(shù)據(jù)通訊電纜接入至監(jiān)控管理中心站。監(jiān)控管理中心站布設(shè)在左壩頭的水工分廠廠房內(nèi)，所有的電纜和信號電纜連接至此。

3 監(jiān)測成果及分析

此次監(jiān)測時(shí)間較長（239 d全天監(jiān)測），頻次較多（每10 m in一次的采集頻率），因此監(jiān)測數(shù)據(jù)較多，為了便于分析，采用每天最大值作為分析樣本。通過圖表分析、特征值統(tǒng)計(jì)法分析兩種方法都可以看出在整個(gè)監(jiān)測過程中，各支監(jiān)測設(shè)備的位移變化值均小于DL/T5178-2003《混凝土大壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》0.2 mm的限差要求，監(jiān)測數(shù)據(jù)呈波動(dòng)性變化，符合偶然誤差變化規(guī)律，說明沒有系統(tǒng)誤差出現(xiàn)，監(jiān)測質(zhì)量較好，同時(shí)也證明壩體未產(chǎn)生系統(tǒng)變形，整個(gè)灌漿期間大壩運(yùn)行安全穩(wěn)定。

［1］DL/T5178-2003,混凝土大壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國水利水電出版社.

［2］基康儀器（北京）BGK-M icro-40測量單元操作使用手冊［R］.