趙振軍，涂圓圓

(中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002)

變形是大壩結(jié)構(gòu)性狀和安全狀態(tài)最直觀、最有效的反映，是大壩安全監(jiān)測的主要內(nèi)容之一[1]。引張線法是大壩變形監(jiān)測的主要方法之一，傳統(tǒng)引張線采用鋼絲，受鋼絲線體重量影響產(chǎn)生較大垂度，中間需布置浮托裝置，稱為浮托引張線法。這種方法需要人工補充浮液和調(diào)整線體高度，且線體易受浮液的黏性影響，線體靈敏度和測值精度不高。隨著CFRP、DPRP等輕質(zhì)高強新型復(fù)合材料的發(fā)展和應(yīng)用，使無浮托引張線監(jiān)測技術(shù)成為可能[2]。無浮托引張線技術(shù)即是采用新型復(fù)合材料線體作為引線線體，因線體質(zhì)量較輕，因而可取消中間的浮托裝置。

葛洲壩大壩共布置了15條引張線、266個測點、總長4 460多米。初期由于技術(shù)原因，引張線觀測采用人工目視直讀鋼板尺進(jìn)行觀測，上世紀(jì)90年代中期開始對葛洲壩引張線逐步實施自動化改造。1994年，應(yīng)用步進(jìn)電機式引張線儀對EX14引張線進(jìn)行了自動化改造；2002年，應(yīng)用電容式引張線儀對EX13引張線進(jìn)行了自動化改造；2003年至2009年，應(yīng)用無浮托引張線及CCD光電式坐標(biāo)儀對EX31、EX28、EXC、EX30、EX01、EX09、EX10、EX17共8條引張線進(jìn)行了自動化改造[3]。

1 無浮托引張線原理

1.1 無浮托引張線懸鏈方程

圖1為無浮托引張線示意圖，設(shè)左右兩端掛錘重量分別為M1和M2，線體單位長度重量為q，L為引張線長度，即兩端點間水平距離(跨度)，f1、f2分別為左右端點線體的垂度，則理論推導(dǎo)表明，引張線長度L與掛錘重量M1和M2、線體單位長度重量q以及線體最大垂度f1和f2具有如下關(guān)系表達(dá)式，這也是無浮托引張線設(shè)計時使用的主要公式[4-5]。

圖1 無浮托引張線受力示意圖

若兩端點位置高程相同，且掛錘重量M1=M2=M，則有f1=f2=f，L1=L2=L/2，于是上式可表示為

1.2 線體最大垂度與掛錘重量的關(guān)系及計算方法

引張線常用來監(jiān)測壩體同一水平截面上的水平位移，如果引張線的垂度過大，監(jiān)測不到同一高程上的位移，也無法在有限空間的廊道內(nèi)安裝。線體最大垂度是設(shè)計無浮托引張線的一個重要指標(biāo)。

無浮托引張線采用DPRP復(fù)合材料線做線體，根據(jù)相關(guān)計算公式，引張線的長度L可超過500 m。因此，只要大壩廊道側(cè)壁高度大于1 m(考慮到引張線遙測儀、保護(hù)箱等設(shè)備所需空間)，是可以實現(xiàn)500 m超長無浮托引張線系統(tǒng)的。

1.3 線體受拉變形的影響

DPRP復(fù)合材料線體DPRP具有質(zhì)量輕(比重1.5 g/cm3)、抗拉強度高、線膨脹系數(shù)小(小于1×10-6/℃)等特點。根據(jù)相關(guān)公式，可計算得拉變形后線體的最大垂度值f=0.610 m，不考慮變形時，f=0.614 m，只有4 mm的差別，因此對L≤500 m的引張線，采用DPRP復(fù)合材料作線體時，可以不考慮受拉變形對最大垂度值的影響[4-5]。

2 葛洲壩大壩無浮托引張線自動化監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 運行監(jiān)測資料分析

從2001年開始，在葛洲壩大壩研究采用無浮托引張線對原有引張線進(jìn)行自動化改造，葛洲壩大壩無浮托引張線的研究與應(yīng)用，經(jīng)歷了由短到長、分期實施的過程。2003年，建成長度為168.13 m的第1條無浮托引張線EX31；在EX31引張線成功運行后，2005年，建成長度為287.52 m的EX28無浮托引張線；2006年，為研究長度超過500 m的無浮托引張線性能，在葛洲壩二江泄水閘護(hù)坦新建了1條長度為509.34 m、5個測點、懸鏈線垂徑332 mm的EXS無浮托引張線試驗線；2009年，在葛洲壩大江電廠建立了長度為507.22 m、14個測點、懸鏈線垂徑391 mm的EX17N無浮托引張線。至此，葛洲壩大壩已先后建立了長度168.13～509.34 m、懸鏈線垂徑為50～391 mm的9條無浮托引張線。引張線儀為CCX02-2500光電式(CCD)單向坐標(biāo)儀，共167臺，探測達(dá)到精度0.02 mm。

選取二江電廠灌漿廊道EX09引張線，對更新改造后運行5年的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。EX09引張線于2008年12月實施無浮托引張線改造，EX09引張線全長258.1 m，共20個測點，每個機組段3個測點。取1、4、7號機組段的EX0901、EX0909、EX0918三個代表性測點進(jìn)行分析，圖2為測點EX0901、EX0909、EX0918測值過程線，由圖2可以看出：

1)過程線平滑，規(guī)律性較強，無明顯的突變和尖點測值；

2)水平位移主要受溫度的影響，水平位移呈較明顯的年周期性變化，溫度升高向上游位移，溫度降低向下游位移，壩體呈彈性變化，約有1.5月左右的滯后。

圖2 無浮托引張線測點EX0901、EX0909、EX0918水平位移過程線

2.2 無浮托式引張線自動化監(jiān)測系統(tǒng)與人工觀測資料成果對比分析

將2000年以前的人工觀測值和2009年實現(xiàn)無浮托式引張線改造之后的測值過程線和回歸模型進(jìn)行對比分析。圖3為測點EX0901、EX0909、EX0918測值過程線，圖4為EX0918人工觀測值數(shù)據(jù)模型分析殘差、擬合值和實測值過程線，圖5為EX0918自動化觀測值數(shù)據(jù)模型分析殘差、擬合值和實測值過程線。

1)從過程線可知：在2009年實現(xiàn)無浮托式引張線改造后的監(jiān)測成果相比，過程線更光滑，周期性規(guī)律更強，周期性的峰值和谷值明晰，表明無浮托式引張線自動化觀測精度更高。

2)從模型結(jié)果可知：人工測值模型的標(biāo)準(zhǔn)差均比自動化測值大，復(fù)相關(guān)系數(shù)比自動化測值小。自動化測值模型的擬合值與實測值的擬合度比人工測值模型好，模型的殘差也小。

圖3 測點EX0901、EX0909、EX0918水平位移過程線

圖4 EX0918人工觀測值數(shù)據(jù)模型分析殘差、擬合值和實測值過程線

圖5 EX0918自動化觀測值數(shù)據(jù)模型分析殘差、擬合值和實測值過程線

2.3 無浮托式引張線系統(tǒng)與步進(jìn)電機式、電容式引張線系統(tǒng)對比分析

EX14引張線系統(tǒng)布置在二江泄水閘閘尾廊道內(nèi)，自動化系統(tǒng)建于1994年，為步進(jìn)電機式引張線儀。由于自動化儀器原生產(chǎn)廠家產(chǎn)品的更新?lián)Q代，原有引張線儀、坐標(biāo)儀及測控模塊已停止生產(chǎn)，多數(shù)儀器設(shè)備無法運行，目前EX14引張線自動觀測系統(tǒng)已停止運行，在2012年度改為人工觀測。

EX13引張線位于二江泄水閘閘首廊道，于2001年10月進(jìn)行自動化改造，該系統(tǒng)采用電容式坐標(biāo)儀和引張線儀進(jìn)行測量，2003年開始取自動化測值，到2008年底發(fā)現(xiàn)多數(shù)儀器存在零位漂移和靈敏度漂移，采集的數(shù)據(jù)有問題，該系統(tǒng)于2009年停止運行，恢復(fù)人工觀測。

圖6為EX14引張線部分測點測值過程線，圖7為EX13引張線部分測點測值過程線，將圖2與圖6、圖7對比可知：無浮托引張線過程線平滑，周期性規(guī)律強，觀測精度高，系統(tǒng)運行可靠。

圖6 EX14引張線部分測點測值過程線

圖7 EX13引張線部分測點測值過程線

3 結(jié) 語

1)葛洲壩大壩無浮托引張線自動化監(jiān)測系統(tǒng)從2003年建成的第一條無浮托引張線EX31運行至今，最長已運行近10年，最短也運行5年時間，運行期間系統(tǒng)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)采集及時，測值可靠，數(shù)據(jù)精度高，改變了傳統(tǒng)引張線系統(tǒng)依靠人工觀測、效率低、測值精度差、維護(hù)任務(wù)重等問題。

2)與人工觀測數(shù)據(jù)對比，無浮托引張線系統(tǒng)真實反映了葛洲壩大壩基礎(chǔ)變形，大大提高了葛洲壩大壩引張線觀測系統(tǒng)自動化程度，為及時了解大壩的運行性態(tài)和發(fā)展趨勢，及時發(fā)現(xiàn)隱患，及時評估工程的安全狀況和及時作出安全狀況評價提供了可靠依據(jù)。

3)葛洲壩大壩無浮托引張線自動化監(jiān)測系統(tǒng)的實施和應(yīng)用，為無浮托引張線系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用積累了寶貴的實際運行經(jīng)驗，在大壩安全監(jiān)測領(lǐng)域中具有良好的借鑒意義。