呂高峰

(杭州國家水電站大壩安全和應急工程技術中心有限公司，浙江 杭州 311122)

1 工程概況

康楊水電工程屬三等中型工程，其樞紐建筑物主要由左岸及河床土石壩、灘地泄洪閘、右岸混凝土重力壩、河床式廠房等建筑物組成，樞紐布置(見圖1)。左岸及河床土石壩采用壤土斜墻壩，壩頂高程2 036.0 m，最大壩高23 m，壩頂總長765 m，壩頂寬8.0 m，上、下游壩坡分別為1 ∶2.5、1 ∶1.8。上下游壩坡采用混凝土預制塊防護。采用壩體壤土斜墻、基礎混凝土防滲墻組成大壩防滲體。右岸灘地泄洪閘共3孔，進口底板高程2 017.0 m，孔口尺寸為15.0 m×16.0 m。右岸重力壩位于泄洪閘與廠房之間，分3個壩段，最大壩高27.0 m，壩長61 m，壩頂寬11 m，壩頂高程2 036.0 m。廠房右端到河岸結(jié)合部混凝土重力壩分2個壩段，壩頂寬11 m，總長11 m。河床式廠房安裝7臺貫流式機組，其中右側(cè)2#—7#機組為兩機一縫布置，左側(cè)1#機組為一機一縫布置。廠房壩段壩頂高程2 036.0 m，尾水平臺高程2 023.3 m，機組段長63.30 m，寬63.50 m。除1#機組外，其余各機組段中墩內(nèi)設有一個排沙孔。

圖1 康楊水電站樞紐布置圖

2 垂線布置

大壩共布置3條倒垂線(IP1-IP3)和2條正垂線(PL1-PL2)，每條線1個測點。垂線組IP1(PL1)和IP2(PL2)用于校測引張線EX-Z的端點變形，垂線組IP2(PL2)及倒垂線IP3用于校核引張線EX-C的端點變形。垂線采用電容式雙向垂線坐標儀觀測。各垂線基本情況(見表1)，垂線和引張線布置(見圖2)。

表1 大壩垂線布置基本情況表

3 垂線坐標儀準確性測試原理與成果

坐標儀測值準確性測試是根據(jù)給定的標定量(通過垂線測試標定架改變垂線位置)與電容式坐標儀測得的位移量之差來評價。測試方法是將標定架固定在觀測墩上，把垂線線體固定在標定架上，由自動化系統(tǒng)測讀初始值B0，后將線體向固定的方向(上下游方向和左右岸方向)推移標定量A，再測讀測值B1，計算讀數(shù)變化量B(B1-B0)，再計算標定量A與變化量B之差評價坐標儀的測值準確性。

考慮垂線標定時存在各種誤差，可采用方差分析的方法評價坐標儀測量的準確性。設坐標儀測值變化量為A實，標定量為A標，則兩者差值δ=∣A實-A標∣，取2倍中誤差2σ作為測值誤差的限值，即δ<2σ。

(1)

式中：σ實—坐標儀測量精度；

σ標—標定時的精度。

圖2 垂線和引張線監(jiān)測布置圖

一般取坐標儀的精度σ實=±0.15 mm，垂線標定時的精度取σ標=±0.10 mm，則坐標儀測值與標定值之差的絕對值應滿足：δ<2σ=0.36 mm。

通過測試可知：其它四個垂線的測試成果均滿足0.36 mm的限差，但垂線PL2測試成果不滿足要求。

垂線坐標儀PL2測試成果(見表2)。由表2可見，當標定值為11.2 mm(標準距離10 mm+線體直徑1.2 mm)時，在上下游方向標定值和監(jiān)測值的差值在1.68 mm和1.75 mm，在左右岸方向標定值和監(jiān)測值得差值在0.14 mm和0.22 mm，左右岸方向的測試差值小于0.36 mm的限值，但上下游方向標定值和監(jiān)測值的差值明顯大于0.36 mm的限值。為驗證正垂線PL2坐標儀在上下游方向的準確性，將標定值改為21.2 mm(標準距離20 mm+線體直徑1.2 mm)，測試結(jié)果見表3。從第二次測試結(jié)果看，正垂線PL2坐標儀在上下游方向?qū)崪y值與標定值之間差依舊較大，標定值和監(jiān)測值的差值分別為1.54 mm和1.55 mm。

兩次不同標定距離的測試證明正垂線PL2坐標儀測值在上下游方向與實際存在偏差。兩次不同標距的試驗，標定值和監(jiān)測值的差值(│A-B│)的最大差值為0.21 mm(1.54 mm和1.75 mm的差值)，小于0.36 mm的限值，基本可以認為不同標距的試驗，差值非常接近。

表2 電容式雙向垂線坐標儀準確性測試成果表(標定值為11.2 mm)

表3 電容式雙向垂線坐標儀第2次準確性測試成果表(標定值為21.2 mm)

4 測試異常的成因

為進一步查明原因，對正垂線PL2的電容式雙向垂線坐標儀現(xiàn)場情況進行了仔細詳查，圖3是正垂線PL2的電容式雙向垂線坐標儀現(xiàn)場照片(見圖3)，從照片可以看出，垂線坐標儀外殼已經(jīng)嚴重變形，且嚴重錯位的部位朝向大壩下游側(cè)。

圖3 正垂線PL2電容式雙向垂線坐標儀現(xiàn)場照片

為進一步了解外殼變形對監(jiān)測變形量的影響，利用差動結(jié)構(gòu)平板電容式傳感器來檢測。

電容器傳感器的基本原理是監(jiān)測電容器的電容量，從電容量的變化來計算變形量。圖4是差動結(jié)構(gòu)平板電容式傳感器結(jié)構(gòu)圖，動金屬板在兩塊金屬板之間，其中兩塊平行金屬板構(gòu)成的電容器的電容量為[1-2]：

C=ε0A(εr/δ)

(2)

式中：ε0—真空介電常數(shù)；

A—金屬板的有效面積；

εr—金屬板之間介質(zhì)的相對介電常數(shù)；

δ—金屬板之間的距離。

當動金屬板產(chǎn)生變形后，兩側(cè)的極距分別為δ1+Δδ和δ2-Δδ，電容比為：

η=C1/C2=δ2/δ1

(3)

圖4 差動結(jié)構(gòu)平板電容式傳感器結(jié)構(gòu)圖

變形量和電容比的相應關系如式(4)：

L=f(ηi-η0)

(4)

式中：L—變形量；f—靈敏度系數(shù)；

η0—電容比初始值；ηi—電容比的測值。

圖5是差動電容式垂線坐標儀結(jié)構(gòu)圖，因中間的金屬板用鋼絲繩代替，鋼絲繩與平面金屬板組成的電容的公式如下[3]：

(5)

式中：T—平面金屬板和鋼絲繩的寬度；

d—鋼絲繩到平面金屬板的距離，

r—鋼絲繩的半徑；

圖5 電容式垂線坐標儀結(jié)構(gòu)圖

圖6 計算變換解析圖

其電容比如下式所示：

(6)

式中：φ1+φ2與θ1+θ2對應，為另一個電容器的圓心角；D為兩平行金屬板間的距離。

從式(6)可以看出，η與D、d1關系密切，當垂線坐標儀的外殼變形后，主要是固定在外殼上的兩個金屬板之間的距離發(fā)生變化，與從而導致電容比發(fā)生變化。

假定外殼變形后兩平行金屬板間的距離為D′，則外殼變形前后傳感器監(jiān)測到的變形量如下式[4-6]：

(7)

垂線坐標儀外殼變形后產(chǎn)生的變形量是個常數(shù)，當外殼不再變形，這個變量在一定條件下是不變的。

5 結(jié)論

垂線是監(jiān)測大壩變形的常用監(jiān)測儀器，垂線坐標儀是垂線中測點變形量值的部件，經(jīng)過長期運行后，垂線坐標儀測值需要通過準確性測試進行重新率定。通過垂線坐標儀準確性測試發(fā)現(xiàn)，本工程PL2垂線坐標儀在上下游方向測值與標定值存在較大偏差?，F(xiàn)場仔細檢查發(fā)現(xiàn)垂線坐標儀外殼存在較大變形，結(jié)合電容式垂線坐標儀原理知：

(1)朝向大壩下游側(cè)的金屬外殼變形，使上下游方向的平面金屬板間的相對位置發(fā)生變化，而電容式垂線坐標儀測值與外殼的平面金屬板所處位置有關，故準確性測試中上下游方向的監(jiān)測值與標定值存在較大差別。外殼的變形沒有影響垂線坐標儀在左右岸方向平面金屬板間的相對位置，所以左右岸方向的準確性測試合格。

(2)兩次不同標準距離的試驗的標定值和監(jiān)測值的差值非常接近，主要因垂線坐標儀外殼變形后產(chǎn)生的變形量是個常數(shù)，當外殼不再變形，這個變量在一定條件下是基本不變的。對于這樣的情況，可以將差值直接修正到之前的監(jiān)測數(shù)據(jù)中，使監(jiān)測值更加符合實際情況。