無浮托引張線的發(fā)展和技術(shù)特點(diǎn)

周建波，王玉潔，宮玉強(qiáng)

（1.國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州，311122；2.中國長江電力股份有限公司檢修廠，湖北宜昌，443002）

無浮托引張線的發(fā)展和技術(shù)特點(diǎn)

周建波1，王玉潔1，宮玉強(qiáng)2

（1.國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州，311122；2.中國長江電力股份有限公司檢修廠，湖北宜昌，443002）

為了突破無浮托引張線長度200 m的限制，擴(kuò)大無浮托引張線的適用范圍，通過理論和試驗(yàn)分析了引張線長度與垂徑、線體材料特性的關(guān)系，認(rèn)為采用高強(qiáng)度、輕密度的新型材料，可使無浮托引張線長度達(dá)到500 m，并提出無浮托引張線的主要技術(shù)指標(biāo)要求。

水平位移；無浮托引張線；技術(shù)指標(biāo)

0 前言

水平位移監(jiān)測是大壩安全監(jiān)測重要監(jiān)測項(xiàng)目之一，為準(zhǔn)確掌握大壩水平位移變化情況，經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，目前已有視準(zhǔn)線法、交會(huì)法、引張線法、垂線法等多種監(jiān)測方法和手段，其中引張線法工作原理是在兩基準(zhǔn)點(diǎn)張拉一根直線鋼絲作為基準(zhǔn)線，用以測量各被測點(diǎn)位置的相對(duì)偏移值，由于具有觀測精度高、觀測方式靈活、投資小等特點(diǎn)，在混凝土壩中應(yīng)用較為廣泛。

引張線線體一般采用冷拉鋼絲，其抗拉強(qiáng)度在1 180～1 520 MPa之間，密度為7 850 kg/m3，若以垂徑不大于50 cm、鋼絲應(yīng)力不超過1/2允許抗拉強(qiáng)度控制，則最大線體長度在175～199 m之間，與DL 5187-2003《混凝土壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（以下簡稱“規(guī)范”）中規(guī)定的無浮托引張線不能超過200 m一致。因此在實(shí)際工程應(yīng)用中，引張線大多采用有浮托式，即每個(gè)測點(diǎn)均有浮船支撐線體，以減少引張線垂徑，并保證線體能自由活動(dòng)。但根據(jù)國內(nèi)工程應(yīng)用情況，部分工程運(yùn)行當(dāng)中存在水箱液體蒸發(fā)、雜物沉積或浮船擱淺、碰壁，線體過長難以保持自由活動(dòng)等問題，以致不能獲取有效的監(jiān)測成果。

為克服無浮托引張線長度限制和有浮托引張線的運(yùn)行維護(hù)困難等問題，通過最近十來年對(duì)無浮托引張線的理論和材料研究，并在國內(nèi)個(gè)別水電站進(jìn)行試驗(yàn)和使用，無浮托引張線長度可突破原有限制，相關(guān)技術(shù)已趨于成熟。

1 無浮托引張線的發(fā)展和研究

無浮托引張線研究始于20世紀(jì)90年代，最早在葛洲壩水利樞紐工程進(jìn)行試驗(yàn)和投入使用，其研究與應(yīng)用經(jīng)歷了由短到長、分期實(shí)施的過程[1]。2001年11月通過對(duì)原有浮托引張線的改造，首次建成168.1 m長的EX31無浮托引張線。在EX31引張線成功運(yùn)行后，2005年建成287.5 m長的EX28無浮托引張線。為研究長度超過500 m的無浮托引張線性能，2006年在二江泄水閘護(hù)坦新建了509.3 m長的EXS無浮托引張線，之后，在2006～2009年間又陸續(xù)建立了6條無浮托引張線，共計(jì)9條，均采用高強(qiáng)度、耐久性好的DPRP-100型線體材料，張拉方式為“一端固定、一端加力的方式”，坐標(biāo)儀為CCX02-2500光電式單向坐標(biāo)儀，探測精度0.02 mm，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測，基本情況見表1。目前投入運(yùn)行時(shí)間最長的已有十多年，運(yùn)行狀況總體正常。

無浮托引張線已有的主要研究成果包括以下幾方面。

1.1 無浮托引張線懸鏈線

引張線線體靠兩側(cè)端點(diǎn)支撐，受自重影響，其懸鏈線垂徑計(jì)算公式如下：

表1 葛洲壩水利樞紐工程無浮托引張線參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Parameter table of floatless wire alignment at Gezhouba water conservancy project

式中：y為計(jì)算點(diǎn)處懸鏈線垂徑（m）；x為計(jì)算點(diǎn)與左端點(diǎn)間距（m）；M為加力重錘重量（kg）；q為引張線的線密度（kg/m）；L為兩端點(diǎn)間距離（m）；h為兩端點(diǎn)間高差（m）。示意圖見圖1。

當(dāng)h=0時(shí)，其最大垂徑y(tǒng)max位于L/2處，計(jì)算公式為：

實(shí)際應(yīng)用顯示，理論計(jì)算與實(shí)際引張線安裝后的實(shí)測結(jié)果比較，兩者互差在3%以內(nèi)[1]。

圖1 懸鏈線示意圖Fig.1 Sketch map of catenary

1.2 線體材料研制

引張線長度與垂徑、線體張力成正比，與線密度與反比，但受現(xiàn)場條件限制，垂徑加大余地較小，一般小于50 cm，因此無浮托引張線長度要超過200 m，必須在線體密度和線體抗拉強(qiáng)度上有所突破。據(jù)不完全了解，目前國內(nèi)已研發(fā)的無浮托引張線材料有長春市朝陽監(jiān)測技術(shù)有限公司的DPRP線體和南瑞集團(tuán)公司水利水電技術(shù)分公司的碳纖維增加聚合物（CFRP）線體[2]，主要性能指標(biāo)為：DPRP線體抗拉強(qiáng)度3 000 MPa，密度1 500 kg/m3；CFRP線體抗拉強(qiáng)度2 500 MPa，密度1 500 kg/m3?？芍滦筒牧暇€體抗拉強(qiáng)度較冷拉鋼絲提高1.6～2.0倍，線體密度為冷拉鋼絲密度的1/5。

1.3 風(fēng)對(duì)無浮托引張線的影響[1]

為研究局部橫向風(fēng)對(duì)無浮托引張線的影響，在引張線中部保護(hù)管斷開10 cm長的缺口，用1.2～2.0 m/s的橫向風(fēng)吹動(dòng)線體，并每分鐘觀測1次。測試顯示，橫向風(fēng)引起線體最大位移不大于0.15 mm，表明在保護(hù)管沒有大的破損情況下，外界橫向風(fēng)影響很小。

1.4 長期狀態(tài)下的垂徑變化[1]

由于線體處于高應(yīng)力狀態(tài)下，且受外界溫度、濕度影響，線體在縱向會(huì)產(chǎn)生拉伸或緊縮，若線體伸縮過大導(dǎo)致垂徑變化超過線體活動(dòng)范圍，將影響觀測成果，為此對(duì)引張線中部測點(diǎn)的垂直位移進(jìn)行了長期觀測。經(jīng)兩個(gè)年周期觀測顯示，垂徑有逐年增大趨勢，但每年增幅小于垂徑的3‰，在可接受范圍內(nèi)。

2 主要特點(diǎn)及優(yōu)勢

無浮托引張線由于不需要浮船作為支撐，因此與測點(diǎn)裝置、護(hù)管處于無接觸的狀態(tài)，主要特點(diǎn)和優(yōu)勢包括以下幾點(diǎn)。

2.1 實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化觀測

有浮托引張線需要經(jīng)常性檢查浮船和水箱水位，以保證引張線的觀測精度，規(guī)范對(duì)觀測方法要求：“一測次觀測前，應(yīng)檢查、調(diào)整全線設(shè)備，使浮船和測線處于自由狀態(tài)”。雖然有浮托引張線也安裝了引張線坐標(biāo)儀進(jìn)行自動(dòng)化觀測，但由于每次觀測前仍需要人為調(diào)整測線的工作狀態(tài)，因此不能實(shí)現(xiàn)完全的自動(dòng)化觀測。無浮托引張線則不存在上述問題，由于其不與周邊設(shè)備接觸，因此不需要在每次觀測前進(jìn)行開箱檢查，實(shí)現(xiàn)了真正的自動(dòng)化觀測。

2.2 維護(hù)工作量小

有浮托引張線將浮船置于水箱中，保證其能自由活動(dòng)，但水箱中的水體受外界影響明顯，如北方冬季浮液結(jié)冰限制浮船活動(dòng)，需進(jìn)行保溫或解凍處理，南方則因氣溫高導(dǎo)致蒸發(fā)嚴(yán)重，如海南大廣壩，一般7 d蒸發(fā)完，需經(jīng)常性加水補(bǔ)液[3]；另外，由于浮托裝置有水，容易引來小動(dòng)物，特別是飛蛾之類，嚴(yán)重影響線體活動(dòng)自由，需經(jīng)常進(jìn)行清理工作，導(dǎo)致有浮托引張線日常維護(hù)工作量較大。無浮托引張線由于沒有浮液，不需要進(jìn)行上述維護(hù)工作，既減輕了工作量，也減少了對(duì)線體的干擾。

2.3 受溫度影響小

有浮托引張線的浮船在水箱里活動(dòng)空間較小，鋼絲受溫度影響，會(huì)產(chǎn)生縱向的伸長或縮短，當(dāng)變形量較大時(shí)會(huì)導(dǎo)致浮船側(cè)向碰壁，導(dǎo)致線體活動(dòng)不自由。無浮托引張線受溫度影響縱向拉伸或縮短，僅對(duì)垂徑有微量的影響，不會(huì)產(chǎn)生碰壁現(xiàn)象和影響觀測精度。

3 無浮托引張線實(shí)際運(yùn)行情況

葛洲壩水利樞紐的無浮托引張線投入運(yùn)用多年，其工作狀態(tài)值得關(guān)注。2011年葛洲壩水利樞紐大壩安全第三次定期檢查期間，對(duì)無浮托引張線的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了檢查和測試，包括線體檢查、線體三角形測試、線體復(fù)位能力測試、線體穩(wěn)定性測試、實(shí)測數(shù)據(jù)精度等，具體內(nèi)容如下：

（1）線體檢查：線體干凈無銹蝕，線體懸掛高度適中，無碰管壁現(xiàn)象，表明經(jīng)過多年運(yùn)行，線體垂徑保持穩(wěn)定，線體在高應(yīng)力狀態(tài)下未出現(xiàn)顯著拉伸現(xiàn)象。

（2）線體三角形測試：為檢驗(yàn)引張線的安裝質(zhì)量及抗干擾性能，先在線體中部固定線體，記錄各測點(diǎn)讀數(shù)，然后向上游或下游推移10 mm，待線體穩(wěn)定后，再對(duì)各測點(diǎn)進(jìn)行讀數(shù)，按相似三角形原理，計(jì)算各測點(diǎn)的理論位移值，并將實(shí)測位移值與理論位移值進(jìn)行比較，以評(píng)價(jià)線體狀態(tài)，測試結(jié)果顯示，實(shí)測位移值和理論位移值最大較差0.11 mm，線體狀況較好。

（3）線體復(fù)位能力測試：在引張線處于自由靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，先測讀各個(gè)測點(diǎn)，然后撥動(dòng)線體，讓線體自然復(fù)位，記錄穩(wěn)定復(fù)位時(shí)間和各測點(diǎn)讀數(shù)，對(duì)比前后2次讀數(shù)。測試成果顯示，引張線復(fù)位時(shí)間小于3 min，復(fù)位最大較差0.09 mm，線體復(fù)位能力強(qiáng)。

（4）線體穩(wěn)定性測試：對(duì)各測點(diǎn)在短時(shí)間內(nèi)連續(xù)測讀15次，計(jì)算中誤差，評(píng)價(jià)線體穩(wěn)定性。測試成果顯示，最大中誤差為0.11 mm，線體在自然狀態(tài)下較為穩(wěn)定，受外界干擾少。

（5）實(shí)測數(shù)據(jù)精度：通過多年觀測，積累了一定的監(jiān)測數(shù)據(jù)，圖2為EX28引張線典型測點(diǎn)過程線，其監(jiān)測數(shù)據(jù)規(guī)律明顯，呈明顯年周期變化，說明觀測精度較高，能很好地反映大壩的變形情況。

圖2 EX28引張線典型測點(diǎn)過程線Fig.2Graphbytypicalmeasuring pointsofwirealignment EX28

綜上所述，葛洲壩水利樞紐的無浮托引張線最短已運(yùn)行7年，最長已有13年，其運(yùn)行狀況總體良好，表明無浮托引張線在該工程的應(yīng)用是成功的。

4 主要技術(shù)指標(biāo)

無浮托引張線雖然已取得了一定階段性的成果，但目前主要由各生產(chǎn)廠家自行制定技術(shù)要求，相關(guān)規(guī)范尚未對(duì)無浮托引張線的技術(shù)指標(biāo)作具體規(guī)定，因此有必要對(duì)無浮托引張線的技術(shù)指標(biāo)作進(jìn)一步探討，具體如下：

由前述分析可知，無浮托引張線要在實(shí)際工程中應(yīng)用，必須同時(shí)滿足垂徑和線體允許應(yīng)力兩方面的要求，以此作為約束條件，其公式變?yōu)椋?/p>

式中：ρ為線體材料密度（kg/m3）；σ為線體應(yīng)力（MPa）；[y允許]為允許最大垂徑（m）；[σ允許]為線體允許最大拉應(yīng)力（MPa），一般取線體抗拉強(qiáng)度[σ抗拉]的1/2。

將約束條件代入方程式，可得：

由于線體抗拉強(qiáng)度和線體材料密度都屬于線體材料特性，設(shè)B=[σ抗拉]/ρ，稱為應(yīng)力密度比，則公式如下：

由公式可知，線體長度與最大允許垂徑和應(yīng)力密度比呈指數(shù)相關(guān)，在最大允許垂徑分別為0.3 m、0.5 m和0.7 m時(shí)，線體長度和應(yīng)力密度比的關(guān)系見圖3。以最大垂徑0.5 m為例，線體長度要超過200 m，則應(yīng)力密度比必須達(dá)到0.2以上，線體長度要達(dá)到500 m，則線體應(yīng)力密度比需達(dá)到1.3。

引張線布置受工程現(xiàn)場條件限制，如壩頂一般開槽布置，壩基一般布置在基礎(chǔ)廊道內(nèi)，因此垂徑不可能太大，一般要求在0.5 m以內(nèi)。因此，無浮托引張線長度要超過規(guī)范要求的200 m，必須要提高應(yīng)力密度比，而應(yīng)力密度比跟線體材料的抗拉強(qiáng)度成正比，和材料密度成反比，為此要盡可能提高線體抗拉強(qiáng)度、降低材料密度。在最大垂徑為0.5 m情況下，應(yīng)力密度比分別為0.2、0.8、1.3和1.8時(shí)，線體材料密度和抗拉強(qiáng)度關(guān)系圖見圖4。由圖可知，應(yīng)力密度比越大，其關(guān)系直線斜率越大，表明對(duì)材料的要求越高。冷拉鋼絲基本處于B=0.2水平，其極限長度為200 m左右，而DPRP、CFRP材料則基本在B=1.3水平以上，線體極限長度可以超過500 m，甚至可以達(dá)到600 m。

圖3 線體長度和應(yīng)力密度比的關(guān)系Fig.3 Relation between wire length and the ratio of stress and density

圖4 線體材料密度和抗拉強(qiáng)度關(guān)系圖（ymax=0.5 m）Fig.4 Relationship between density and tensile strength of wire(ymax=0.5 m)

根據(jù)上述分析，認(rèn)為無浮托引張線主要技術(shù)指標(biāo)如下：

（1）引張線最大垂徑必須滿足現(xiàn)場施工、觀測的要求，一般不超過0.5 m；

（3）線體材料在高應(yīng)力狀態(tài)下，應(yīng)沒有顯著的塑性拉伸；

（4）為滿足觀測要求，測線應(yīng)為圓形截面，直徑宜為0.8～1.2 mm；

（5）引張線保護(hù)管必須全程密封，做到防水、防風(fēng)，保護(hù)管內(nèi)徑宜大于100 mm。

5 結(jié)語

無浮托引張線經(jīng)過近十余年的研究和實(shí)踐，已證明了高強(qiáng)度、輕質(zhì)材料能滿足安全監(jiān)測需求，線體長度能突破200 m的限制，且與有浮托引張線相比，在自動(dòng)化監(jiān)測、運(yùn)行維護(hù)等方面優(yōu)勢明顯，通過對(duì)其技術(shù)指標(biāo)的進(jìn)一步研究確認(rèn)，從理論上證明了采用無浮托引張線的可行性和合理性，有利于無浮托引張線在更多工程中的推廣應(yīng)用，為保障大壩安全發(fā)揮更大的作用。 ■

[1]魯結(jié)根,趙建華.500 m無浮托引張線研究與應(yīng)用[J].華東電力,2010,38(8):1181-1184.

[2]彭虹.三談變形監(jiān)測自動(dòng)化中的幾個(gè)問題[J].大壩與安全, 2011(2):17-23.

[3]莊正新.無浮托引張線在葛洲壩監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].水電與新能源,2005(4):62-64.

作者郵箱：zhou_jb@ecidi.com

Development and technical characteristics of floatless wire alignment

by ZHOU Jian-bo,WANG Yu-jie and GONG Yu-qiang
Large Dam Safety Supervision Center of National Energy Administration

At present,the length of floatless wire alignment is less than 200 m.In order to break through the restriction and expand its application field,the relationship between the length of wire alignment and the vertical diameter as well as the material properties of wire is analyzed.The results show that the length of wire alignment could go beyond 500 m based on new material with high strength and light den?sity.This paper also puts forward the main technical indexes of floatless wire alignment.

horizontal displacement;floatless wire alignment;technical index

TV698.1

A

1671-1092（2016）05-0028-04

2016-09-08

周建波（1979-），男，浙江平陽人，高級(jí)工程師，主要從事大壩安全管理工作。