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個壩段，最大壩高82m，壩后式電站總裝機2.075萬kW。大壩1～42號壩段設(shè)有上、中、下三層廊道，上、中層為觀測廊道，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號壩段，高程260.5m;14～29號壩段，高程244.7m;28～42號壩段，高程260.5m。中間段通過設(shè)于15號、28號壩段的旋轉(zhuǎn)樓梯銜接兩端。因為水工結(jié)構(gòu)的特殊性，上層廊道安裝的差動變壓器式靜力水準系統(tǒng)亦分為三段，用以監(jiān)測壩頂?shù)拇怪蔽灰啤?/p>

2 靜力水準的工作原理

靜力水準儀是利用連通器的原理，通過連通管將多支監(jiān)測點的儲液罐連接在一起，基準點置于一個可忽略其自身沉降、垂直位移相對恒定的固定點處，其他監(jiān)測點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儲液罐的液面始終保持在同一水平面。當某一個監(jiān)測點相對于基準點發(fā)生升降時，將引起該測點液面的上升或下降。通過測量液位的變化，了解被測點相對基準點的升降變形，最后由沉降公式計算出監(jiān)測點的實際沉降量。

觀音閣水庫靜力水準系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)簡單、無摩擦阻力、傳遞精度高、非接觸測量形式的差動變壓器式傳感器。儲液罐內(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，提高并保證了系統(tǒng)的可靠性。當監(jiān)測點產(chǎn)生垂直位移時，儲液罐內(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線圈間的相對位置改變，最終通過測量裝置測出的電壓變化計算得到監(jiān)測點的相對沉陷。

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號壩段上層廊道每一壩段安裝一個靜力水準儀，通過連通器管道聯(lián)通，每段增設(shè)一個校準裝置，共計45個。雙金屬標基準點設(shè)在左岸灌漿隧洞內(nèi)，深入基巖30m(本文表示為0號壩段)。上層廊道中段與兩端存在15.8m的高差，按照傳統(tǒng)的方法無法實現(xiàn)連通器全程聯(lián)接。假使聯(lián)接，14～29號壩段承受的壓差將使靜力水準儀不能正常工作。若分段安裝，則由于14號壩段的斷開，造成只有1～14號壩段能夠量測絕對位移，剩余部分只能量測相對位移，不能量測絕對位移，這樣不僅對分析成果造成影響，也違背了設(shè)計初衷。因此，當以0號壩段基準點為參照，實測各測點的位移變化時，如何解決上層廊道三個段落的高程聯(lián)系，怎樣進行高程傳遞，是實現(xiàn)壩頂垂直位移自動化監(jiān)測不可繞過的關(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)水準測量方法直接測出高差很大、水平距離卻很短的兩點之間的高差，必須尋找其他方法代替精密水準測量，打破建筑物高差限制，進而實現(xiàn)高程精準傳遞。

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高程測量、全站儀垂直測高三種。經(jīng)過比較分析，認為都不能應用于此:

a.懸掛鋼尺能夠準確改正各項影響因素，可靠性高，但必須人工現(xiàn)場測讀，不能實現(xiàn)自動化。

b.GPS具有全天候特點，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現(xiàn)自動化。

經(jīng)過反復的研究和論證，將廣泛應用的雙金屬標介入高程傳遞體系，實現(xiàn)260.5m高程向244.7m高程的精準傳遞。

4 基于雙金屬標的高程傳遞介入靜力水準系統(tǒng)

4.1 雙金屬標的特點和原理

雙金屬標是利用鋁的線脹系數(shù)是鋼的兩倍這一物理特性、以固定點為參考點的長度測量裝置。同心的保護管與鋼管之間、鋼管與鋁管之間預留的空隙保證了鋼、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。兩個管子的相同部位處在同一個溫度場中，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于變形測量的影響。

雙金屬標處壩體的絕對變形量S的計算方法如下:

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

4.2 雙金屬標介入靜力水準系統(tǒng)原理

14號壩段和29號壩段是聯(lián)通上、下兩部分廊道的兩個節(jié)點，分別處于260.5m高程和244.7m高程。在14號壩段和29號壩段分別安裝雙金屬標，即可測出下層平面對上層平面的絕對位移。0號壩段基準點的絕對位移通過水準儀的量測、換算，得出14號壩段(上)的絕對位移。計算時加入雙金屬標傳遞值，則導出14號壩段(下)的絕對位移值。同理，可得到29號壩段(上)、(下)的絕對位移。

4.3 高程傳遞部分計算

14號壩段雙金屬標儀絕對位移為:S14#=2 SYS鋼14#．cg1 － SYS鋁14#．cg1

29號壩段雙金屬標儀絕對位移為:S29#=2 SYS鋼29#．cg1 － SYS鋁29#．cg1

a.對14號～29號壩段下層廊道(244.7m高程，下同):

JLi．cg2——第 i個靜力水準測點的第二個成果，即該壩段的絕對位移，mm;

程，下同)處的絕對位移;

S14#——14#壩段雙金屬標儀絕對位移;

JLi．cg1——第 i個靜力水準測點的第一個成果，即該壩段的相對位移，mm;

JLi．cg2——第 i個靜力水準測點的第二個成果，即該壩段的絕對位移，mm;

S29#——29#壩段雙金屬標儀絕對位移;

JLi．cg1——第 i個靜力水準測點的第一個成果，即該壩段的相對位移，mm。

4.4 高程傳遞過程中的誤差問題

鑒于高程傳遞計算時不可避免地存在著累計誤差，所以要求在測算的過程中，各測點位移計算值必須取同一時刻的觀測數(shù)據(jù)，盡可能減少不必要的誤差值。所有靜力水準、雙金屬標儀基準值必須取同一時刻數(shù)據(jù)，當某一個測點沒有測值時，應不計算絕對位移或根據(jù)前后原始觀測數(shù)據(jù)內(nèi)插后選用。

按上述計算無法避免累計誤差，且29～42號壩段的累計誤差最大:

按照誤差傳遞理論:

29～42號壩段的沉降誤差為0.39mm。

《國家一、二等水準測量規(guī)范》(GB/T 12897—2006)中規(guī)定:一等水準測量偶然中誤差允許值0.45mm。《混凝土壩安全監(jiān)測技術(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號壩段的沉降誤差計算值滿足規(guī)范要求，不影響監(jiān)測精度。

4 結(jié)語

基于雙金屬標的高程傳遞技術(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)測實現(xiàn)自動化監(jiān)測成為可能，同時為材料的物理性能與水工監(jiān)測理論結(jié)合提供了應用例證?！?/p>