雙金屬標(biāo)在潘家口大壩垂直位移中的應(yīng)用

張?jiān)破?，李海?/p>

（河北省遷西縣海委引灤工程管理局，河北 唐山 064300）

1 工程概況

潘家口水庫為大（1）型多年調(diào)節(jié)水庫，主壩為混凝土低寬縫重力壩，最大壩高107.50 m，壩頂長1 039.11 m，共分56個(gè)壩段，自右至左分別為左岸擋水壩段、左溢流壩段、泄洪底孔壩段、右溢流壩段、電站壩段、右岸擋水壩段。主壩按千年一遇洪水設(shè)計(jì)，五千年一遇洪水校核，最大泄洪能力為56 200 m3/s。潘家口水庫正常蓄水位▽222 m，最高蓄水位▽224.70 m，發(fā)電死水位▽180 m，壩頂高程▽230.50 m，總庫容29.3億m3。潘家口水庫大壩1975年10月主體工程動(dòng)工，至1985年基本竣工。

為保障潘家口水庫大壩安全運(yùn)行，建立一套功能齊全、穩(wěn)定可靠、操作方便的自動(dòng)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，2015年對(duì)潘家口水庫大壩原有安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了全面、系統(tǒng)的改造。改造項(xiàng)目內(nèi)容包括水平及垂直位移、傾斜、接縫、應(yīng)力應(yīng)變、滲流、環(huán)境量、地震等，其中水平位移和垂直位移是水庫大壩變形觀測(cè)的主要內(nèi)容，是大壩安全監(jiān)測(cè)中的必設(shè)項(xiàng)目之一，可以直觀地反映大壩的工作狀況。潘家口大壩水平位移采用引張線加垂線方式測(cè)量，垂直位移觀測(cè)采用真空激光或靜力水準(zhǔn)方式進(jìn)行測(cè)量，真空激光與靜力水準(zhǔn)均需要設(shè)雙金屬標(biāo)測(cè)點(diǎn)作為工作基點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。因此，雙金屬標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確，對(duì)整個(gè)大壩的垂直位移正常監(jiān)測(cè)起著十分重要的作用。

2 高程傳遞的重要性

潘家口大壩垂直位移測(cè)點(diǎn)的位移值是由基準(zhǔn)點(diǎn)的位移和測(cè)點(diǎn)相對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)的位移兩部分組成的?；鶞?zhǔn)點(diǎn)位移測(cè)值的精度直接影響測(cè)點(diǎn)的位移值精度。2015年潘家口大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)改造中是利用激光準(zhǔn)直系統(tǒng)和靜力水準(zhǔn)進(jìn)行垂直位移觀測(cè)的，這樣就需要將高程傳遞到各基準(zhǔn)點(diǎn)，高程傳遞的精度直接影響垂直位移測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)精度，高程傳遞方法成功決定了觀測(cè)數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確，對(duì)整個(gè)垂直位移系統(tǒng)起著舉足輕重的作用。

3 潘家口大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化高程傳遞方法

3.1 豎直傳高

基本原理是采用標(biāo)準(zhǔn)尺測(cè)定豎直高度（高差），采用兩種線膨脹系數(shù)相差較大的金屬絲進(jìn)行高差差分觀測(cè)，測(cè)定其變化量，根據(jù)變化量求算各次高程傳遞時(shí)的豎直高度（高差），同時(shí)根據(jù)兩種不同線膨脹系數(shù)的金屬絲的變化差值進(jìn)行溫度修正。測(cè)值誤差產(chǎn)生的來源有：①上下接測(cè)標(biāo)志誤差；②上下接測(cè)標(biāo)志不鉛直誤差；③銦瓦帶尺長誤差；④高差直接丈量誤差；⑤高差差分觀測(cè)誤差；⑥銦瓦帶尺溫度影響誤差；⑦傳遞絲的溫度改正影響誤差；⑧傳遞絲徐變影響誤差等。豎直傳高優(yōu)點(diǎn)是一般占用空間小，成本低。缺點(diǎn)是誤差來源多，測(cè)量精度不易保障。

3.2 雙金屬管標(biāo)傳高

基本原理是將兩種熱膨脹系數(shù)不同的金屬（如鋼和鋁）底端固定在一起，做成雙金屬標(biāo)。由于鋼的熱膨脹系數(shù)比鋁的大，當(dāng)雙金標(biāo)溫度變化時(shí)，在相同的環(huán)境下，鋼的變形量大，鋁的變形量小，通過測(cè)量這一差值來計(jì)算雙金屬標(biāo)相對(duì)于根部的變化來求得雙金屬的絕對(duì)高程，作為測(cè)量或監(jiān)測(cè)的穩(wěn)定起點(diǎn)。由于不需要安置測(cè)溫裝置來測(cè)定溫度，只需通過傳感器測(cè)量得到兩只管標(biāo)的形變量，即可得到雙金屬標(biāo)處大壩壩體的垂直位移，計(jì)算出高程。測(cè)值誤差產(chǎn)生的來源有：①鋼標(biāo)的初始測(cè)值誤差；②鋼標(biāo)本次測(cè)值誤差；③鋁標(biāo)的初始測(cè)值誤差；④鋁標(biāo)的本次測(cè)值誤差。雙金屬管標(biāo)優(yōu)點(diǎn)是誤差來源少，設(shè)備簡便，測(cè)量精度易保障，缺點(diǎn)是一般情況下需鉆孔，成本高。

3.3 潘家口大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)高程傳遞

3.3.1 雙金屬標(biāo)系統(tǒng)位置

為實(shí)現(xiàn)潘家口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)垂直位移監(jiān)測(cè)及高程傳遞，設(shè)置了6套雙金屬標(biāo)系統(tǒng)，布置在大壩14#、18#、42#、51#壩段。分別為：14#壩段2套（▽230.2～▽202.0、▽202.0～▽146.0）、18#壩段1套（▽154.0～▽96.0）、42#壩段1套（▽154.0～▽96.0）、51#壩段2套（▽230.2～▽202.0、▽202.0～▽160.0）。

3.3.2 雙金屬標(biāo)傳高安裝方案

（1）在▽202廊道的14#壩段，新建1套雙金屬管標(biāo)，將高程傳遞到▽202廊道，作為▽202廊道右端垂直位移監(jiān)測(cè)工作基準(zhǔn)點(diǎn)，再將高程傳遞到壩頂，作為壩頂右端垂直位移的校核工作基點(diǎn)；（2）在18#壩段的▽154廊道，新建1套雙金屬管標(biāo)，作為▽154廊道的真空激光右端的垂直位移基點(diǎn)；（3）在42#壩段的▽154廊道，新建1套雙金屬管標(biāo)，作為▽154廊道的真空激光左端的垂直位移基點(diǎn)；（4）在▽202廊道的51#壩段，新建1套雙金屬管標(biāo)，將高程傳遞到▽202廊道，作為▽202廊道左端垂直位移監(jiān)測(cè)工作基準(zhǔn)點(diǎn)，再將高程傳遞到壩頂，作為壩頂左端垂直位移的校核工作基點(diǎn)。

3.3.3 雙金屬標(biāo)傳高改造方案

改造方案：原設(shè)計(jì)是在▽202廊道以下采用雙金屬管標(biāo)，在▽202廊道以上采用豎直傳高?？紤]到豎直傳高誤差來源較多，測(cè)值精度不容易控制。經(jīng)設(shè)計(jì)同意，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況在▽202廊道以上均采用倒裝雙金屬管標(biāo)，即頂部固定，底部安裝儀器的方法。改造后18#、42#壩段高程傳遞方式不變，14#壩段及51#壩段傳遞方式如下：在▽202廊道的14#壩段，新建1套雙金屬管標(biāo)，將高程傳遞到▽202廊道，作為▽202廊道右端垂直位移監(jiān)測(cè)工作基準(zhǔn)點(diǎn)，再建一套倒裝的雙金屬標(biāo)，將高程傳遞到壩頂，作為壩頂右端垂直位移的校核工作基點(diǎn)；在▽202廊道的51#壩段，新建1套雙金屬管標(biāo)，將高程傳遞到▽202廊道，作為▽202廊道左端垂直位移監(jiān)測(cè)工作基準(zhǔn)點(diǎn)，再建一套倒裝的雙金屬標(biāo)，將高程傳遞到壩頂，作為壩頂左端垂直位移的校核工作基點(diǎn)。

改造施工：是在原垂線孔洞，充分利用垂線變化范圍外有限空間，倒裝雙金屬管標(biāo)，在▽227高程測(cè)站將雙標(biāo)及保護(hù)管固定與壩體結(jié)為一體，在▽202高程測(cè)站將保護(hù)管固定，考慮到雙金屬管只有24 m，雙金屬管的安裝及鉛直度容易保證，將外保護(hù)管的直徑由Φ168 mm改為Φ120 mm，減輕了重量，保證了雙金屬管標(biāo)的穩(wěn)定性，在▽202測(cè)站安裝傳感器，高程計(jì)算時(shí)對(duì)正倒裝公式進(jìn)行修正（雙金屬標(biāo)倒裝安裝屬于首例施工）?，F(xiàn)場(chǎng)施工情況見下圖1。

圖1 ▽202廊道以上倒裝雙金屬標(biāo)改造施工圖

4 監(jiān)測(cè)資料分析情況

在2018年6月6日投入試運(yùn)行后，按照《混凝土壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》的要求，測(cè)量頻次為1次/d，初始雙標(biāo)儀為震弦式儀器，由于廊道運(yùn)行環(huán)境異常潮濕，儀器部件有銹蝕現(xiàn)象，影響測(cè)量精度，于2019年5月后更換為電容式儀器。

選取2019年6月至2021年12月14#壩段SB14-2a測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（倒裝雙金屬標(biāo)測(cè)值），分析成果表明：更換儀器后，倒裝雙金屬標(biāo)系統(tǒng)運(yùn)行正常。從測(cè)值及過程線來看，測(cè)值反映了壩體的實(shí)際變化情況，符合混凝土壩的變化規(guī)律，見圖2。通過測(cè)試、計(jì)算其測(cè)值中誤差為±0.005 mm，則位移中誤差為±0.02 mm完全達(dá)到了規(guī)范的要求（混凝土壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范規(guī)定垂直位移位移量中誤差限差值為：壩體±1.00 mm，壩基±0.30 mm）。說明雙金屬標(biāo)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)精度高，測(cè)值數(shù)據(jù)完整可靠。

圖2 14#壩段▽202廊道以上倒裝雙金屬標(biāo)測(cè)值過程線圖

5 結(jié)論

雙金屬標(biāo)是大壩垂直位移監(jiān)測(cè)中一種重要的測(cè)量裝置，雙金屬標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確，對(duì)整個(gè)激光準(zhǔn)直系統(tǒng)及靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)的正常工作起著舉足輕重的作用。潘家口大壩垂直位移監(jiān)測(cè)中采用倒裝雙金屬管標(biāo)傳遞大壩高程已運(yùn)行3 a，投入運(yùn)行后正常，觀測(cè)精度滿足規(guī)范要求，穩(wěn)定性好，故障低，測(cè)值數(shù)據(jù)完整，未出現(xiàn)因系統(tǒng)故障而引起的數(shù)據(jù)異常及觀測(cè)中斷。可見只要在施工中嚴(yán)格執(zhí)行安裝標(biāo)準(zhǔn)，選用高精度位移傳感器實(shí)現(xiàn)高傳，提高加工精度，測(cè)量精度是完全滿足規(guī)范要求，該高程傳遞方法可推廣應(yīng)用。