淺談引張線觀測的布置與計算

田獻(xiàn)文

一、工程基本情況

朱莊水庫位于沙河市孔莊辦事處朱莊村西，屬滏陽河流域南澧河上游，控制流域面積1220km2，總庫容4.162億m3，是一座以防洪、工農(nóng)業(yè)供水為主，發(fā)電、養(yǎng)殖為輔的大（II）型水利樞紐工程。該工程于1971年10月動工興建， 1985年4月峻工驗收。壩體為漿砌石砼重力壩，最大壩高95 m ,壩長544m。水庫為百年設(shè)計，千年校核。

朱莊水庫的水平位移觀測，除壩頂采用視準(zhǔn)線法及第七、第九、第十一、第十四2四個壩段安裝垂線觀測水平位移外，并在溢流壩（八、九、十壩段）及右岸非溢流壩（十一至十七1壩段）的廊道中，安裝兩條引張線觀測水平位移?！耙龔埦€”法，是觀測水平位移最簡便、精度高的方法之一。因朱莊水庫自建成至今已運(yùn)行30多年，引張線及相關(guān)裝置已損壞嚴(yán)重，需重新進(jìn)行計算、布置。

二、引張線的布設(shè)

根據(jù)朱莊水庫的地形條件和壩型，并且壩軸線又是折線形，壩體內(nèi)廊道分為上下幾層并不是平直貫通的。因此，不能用一條引張線觀測整個壩 體的水平位移。根據(jù)壩體內(nèi)廊道布設(shè)情況，分別在溢流壩段229.413廊道內(nèi)及右岸非溢流壩244.0廊道內(nèi)，共布置了兩條引張線，以觀測（八至十七1）十四個壩段的水平位移。

兩條引張線的長度分別為：溢流壩段自樁號0+246至0+370長124m,測點布設(shè)在下游面廊道壁，右岸非溢流壩自樁號0+368至0+573.5長205.5m,測點布設(shè)在上游面廊道壁，懸線高度距廊道底1.1m。

引張線平行于壩軸線，在229.413廊道中的引張線位于壩軸線上2.65 m，由于溢流壩的壩段較長（每段36.75m或37.5m）,故每個壩段布置了兩個測點，均設(shè)在永久縫附近，這樣亦可觀測壩段的扭轉(zhuǎn)變位；在244廊道中的引張線位于壩軸線上7.25m,由于壩段較短（15～20m），故每個壩段布置了一個測點，均在壩段中。

三、引張線浮托裝置的計算：

“引張線”是用一條不銹鋼絲，兩端施加張力使之引張為一條直線。但是，由于線段自重的作用，在立面上看，實際上為一懸鏈線，所謂“引張線”為一條直線，系指其水平投影而言，如圖一所示。

圖一

經(jīng)驗證明，引張線越長，垂徑f值越大。為了減小引張線的垂徑采用安裝浮托裝置的辦法，以解決垂徑過大的問題。加入浮托裝置后，整個線段的水平投影仍為一直線，如圖二。

圖 二

1）懸垂線的垂徑計算：

近似計算公式： （1）

式中：l 為線段長度，以m計；

g 為懸線單位重（kg/m）；

H 為水平張力，近似于錘重，以kg計。

朱莊水庫的引張線，采用不銹鋼絲φ為0.9毫米，懸線單位重g為0.005kg/m，錘重w是40kg，在沒有浮托支撐情況下，兩條引張線的總垂徑分別為：

229.413廊道引張線 m；

224.0廊道引張線 m；

安裝浮托裝置后，各測點間的垂徑計算成果如下表：

表一引張線加浮托后垂徑計算表

注：244.0廊道中0+392至0+492之間有五個壩塊，間距均為20m。

從上表可以看出，安裝浮托裝置后，溢流壩段各測點間垂徑：減小到1cm左右，非溢流壩段各測點間垂徑均在1cm以下，使引張線全段近似在同一高度上，大大提高了觀測精度。

2）浮托裝置的計算

浮托裝置由水箱、浮船組成。浮船放置在水箱中，用以浮托不銹鋼絲（如圖三）。

當(dāng)浮船中心偏離直線AB，勢必產(chǎn)生垂直于AB線段的水平分力F，浮船克服水中阻力R，向線段AB位置浮動，而最后在一定位置上靜止。

圖 三

圖 四

浮船偏離線段AB越小，所產(chǎn)生的水平分力F也越小，當(dāng)浮船偏離AB線小至δ，使產(chǎn)生的水平分力F與浮船在水中阻力R相等時，浮船即自行靜止，此時δ值可稱為引張線的靈敏度。

浮船偏離AB線時，所產(chǎn)生的水平分力F，計算公式如下：

- - - - - （2）

式中：F1———為左邊三角形ACC＇產(chǎn)生的水平力；

F2———為右邊三角形BCC＇產(chǎn)生的水平力；

I———為偏離AB線的距離；

H———為引張線水平張力，即錘重。

設(shè)引張線在線段中間偏離距I= 1cm，F(xiàn)值的計算：

①229.413引張線，全線長124米，l1= l2=62m，H=40kg，F(xiàn)=40×0.01×=0.013kg當(dāng)靠近端點A或B 10m處，偏離1cm時F=40×0.01=0.044kg

②224.0 引張線，全線長205.5米，l1= l2=102.75m，H=40kg，F(xiàn)=40×0.01=0.008kg當(dāng)靠近端點A或B 10m處，偏離1cm時F=40×0.01=0.042kg

從以上計算可以看到，當(dāng)偏離線段同一數(shù)值時，線段中間產(chǎn)生的水平分力為最小。也就是說，在引張線的中間段，只要用很小的力，就可使引張線移動，因此，應(yīng)注意防風(fēng)，以保證引張線靜止。我們加裝了管徑為20cm的透明塑料管，保證引張線在管中移動無障礙。

浮船的大?。ɑ虼呐潘浚?，主要依據(jù)引張線各測點間距與鋼絲單位重量g而定，其次為引張線兩端的張力，若忽略懸鏈線的弧長與l的微小之差，浮船的載荷G計算公式為：

G=g + 船自重 - - - - - - - - - -（3）

式中 l1 l2 及g意義同前。

以溢流壩引張線為例：l1≈10m，l2=30m

G=×0.005 + 船自重

=100g+船自重

設(shè)計浮船時，船的排水量要大于實際排水量的1.5倍，浮船必須高出水面，以1.5 ～2.0cm為宜。

船形，應(yīng)考慮便于靜止，并應(yīng)盡量減小其阻力，以提高引張線的靈敏度。浮船頭尾要對稱，最好做成銳尖。材料要選用抗銹蝕材料，可用厚0.5mm鋁板或厚0.25mm的鍍鋅板制做。

水箱，用防銹材料制作，水箱的大小、長寬要大于浮船長寬的一倍。高度H，應(yīng)滿足以下要求，即H=浮船吃水深h+a+b。a應(yīng)大于3cm，b=2cm，水箱高應(yīng)略低于觀測墩上的標(biāo)尺。

綜上所述，引張線觀測方法在加裝浮托裝置之后，觀測精度大幅度提高，浮托裝置的制作與安裝對位移標(biāo)點的觀測起到至關(guān)重要的作用。應(yīng)需注意以下幾點：第一，鋼絲的選取直徑為0.9mm的不銹鋼絲，不能過細(xì)，以免易損傷斷線；第二，加設(shè)的保護(hù)管應(yīng)使測線有充足的活動空間，管徑應(yīng)大于設(shè)計位移量的2-3倍；第三，浮托裝置的間距不應(yīng)超過30.0m,太長會使垂徑大于1cm,大大地減小了觀測精度。

注：文章內(nèi)所有公式及圖表請以PDF形式查看。