無(wú)浮托引張線在葛洲壩大壩變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

趙振軍，涂圓圓

(中國(guó)長(zhǎng)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(cè)的主要內(nèi)容之一[1]。引張線法是大壩變形監(jiān)測(cè)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(chēng)為浮托引張線法。這種方法需要人工補(bǔ)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(cè)值精度不高。隨著CFRP、DPRP等輕質(zhì)高強(qiáng)新型復(fù)合材料的發(fā)展和應(yīng)用，使無(wú)浮托引張線監(jiān)測(cè)技術(shù)成為可能[2]。無(wú)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(gè)測(cè)點(diǎn)、總長(zhǎng)4 460多米。初期由于技術(shù)原因，引張線觀測(cè)采用人工目視直讀鋼板尺進(jìn)行觀測(cè)，上世紀(jì)90年代中期開(kāi)始對(duì)葛洲壩引張線逐步實(shí)施自動(dòng)化改造。1994年，應(yīng)用步進(jìn)電機(jī)式引張線儀對(duì)EX14引張線進(jìn)行了自動(dòng)化改造；2002年，應(yīng)用電容式引張線儀對(duì)EX13引張線進(jìn)行了自動(dòng)化改造；2003年至2009年，應(yīng)用無(wú)浮托引張線及CCD光電式坐標(biāo)儀對(duì)EX31、EX28、EXC、EX30、EX01、EX09、EX10、EX17共8條引張線進(jìn)行了自動(dòng)化改造[3]。

1 無(wú)浮托引張線原理

1.1 無(wú)浮托引張線懸鏈方程

圖1為無(wú)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(zhǎng)度重量為q，L為引張線長(zhǎng)度，即兩端點(diǎn)間水平距離(跨度)，f1、f2分別為左右端點(diǎn)線體的垂度，則理論推導(dǎo)表明，引張線長(zhǎng)度L與掛錘重量M1和M2、線體單位長(zhǎng)度重量q以及線體最大垂度f(wàn)1和f2具有如下關(guān)系表達(dá)式，這也是無(wú)浮托引張線設(shè)計(jì)時(shí)使用的主要公式[4-5]。

圖1 無(wú)浮托引張線受力示意圖

若兩端點(diǎn)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(jì)算方法

引張線常用來(lái)監(jiān)測(cè)壩體同一水平截面上的水平位移，如果引張線的垂度過(guò)大，監(jiān)測(cè)不到同一高程上的位移，也無(wú)法在有限空間的廊道內(nèi)安裝。線體最大垂度是設(shè)計(jì)無(wú)浮托引張線的一個(gè)重要指標(biāo)。

無(wú)浮托引張線采用DPRP復(fù)合材料線做線體，根據(jù)相關(guān)計(jì)算公式，引張線的長(zhǎng)度L可超過(guò)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(cè)儀、保護(hù)箱等設(shè)備所需空間)，是可以實(shí)現(xiàn)500 m超長(zhǎng)無(wú)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(qiáng)度高、線膨脹系數(shù)小(小于1×10-6/℃)等特點(diǎn)。根據(jù)相關(guān)公式，可計(jì)算得拉變形后線體的最大垂度值f=0.610 m，不考慮變形時(shí)，f=0.614 m，只有4 mm的差別，因此對(duì)L≤500 m的引張線，采用DPRP復(fù)合材料作線體時(shí)，可以不考慮受拉變形對(duì)最大垂度值的影響[4-5]。

2 葛洲壩大壩無(wú)浮托引張線自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.1 運(yùn)行監(jiān)測(cè)資料分析

從2001年開(kāi)始，在葛洲壩大壩研究采用無(wú)浮托引張線對(duì)原有引張線進(jìn)行自動(dòng)化改造，葛洲壩大壩無(wú)浮托引張線的研究與應(yīng)用，經(jīng)歷了由短到長(zhǎng)、分期實(shí)施的過(guò)程。2003年，建成長(zhǎng)度為168.13 m的第1條無(wú)浮托引張線EX31；在EX31引張線成功運(yùn)行后，2005年，建成長(zhǎng)度為287.52 m的EX28無(wú)浮托引張線；2006年，為研究長(zhǎng)度超過(guò)500 m的無(wú)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(zhǎng)度為509.34 m、5個(gè)測(cè)點(diǎn)、懸鏈線垂徑332 mm的EXS無(wú)浮托引張線試驗(yàn)線；2009年，在葛洲壩大江電廠建立了長(zhǎng)度為507.22 m、14個(gè)測(cè)點(diǎn)、懸鏈線垂徑391 mm的EX17N無(wú)浮托引張線。至此，葛洲壩大壩已先后建立了長(zhǎng)度168.13～509.34 m、懸鏈線垂徑為50～391 mm的9條無(wú)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(tái)，探測(cè)達(dá)到精度0.02 mm。

選取二江電廠灌漿廊道EX09引張線，對(duì)更新改造后運(yùn)行5年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。EX09引張線于2008年12月實(shí)施無(wú)浮托引張線改造，EX09引張線全長(zhǎng)258.1 m，共20個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)機(jī)組段3個(gè)測(cè)點(diǎn)。取1、4、7號(hào)機(jī)組段的EX0901、EX0909、EX0918三個(gè)代表性測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析，圖2為測(cè)點(diǎn)EX0901、EX0909、EX0918測(cè)值過(guò)程線，由圖2可以看出：

1)過(guò)程線平滑，規(guī)律性較強(qiáng)，無(wú)明顯的突變和尖點(diǎn)測(cè)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(wú)浮托引張線測(cè)點(diǎn)EX0901、EX0909、EX0918水平位移過(guò)程線

2.2 無(wú)浮托式引張線自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與人工觀測(cè)資料成果對(duì)比分析

將2000年以前的人工觀測(cè)值和2009年實(shí)現(xiàn)無(wú)浮托式引張線改造之后的測(cè)值過(guò)程線和回歸模型進(jìn)行對(duì)比分析。圖3為測(cè)點(diǎn)EX0901、EX0909、EX0918測(cè)值過(guò)程線，圖4為EX0918人工觀測(cè)值數(shù)據(jù)模型分析殘差、擬合值和實(shí)測(cè)值過(guò)程線，圖5為EX0918自動(dòng)化觀測(cè)值數(shù)據(jù)模型分析殘差、擬合值和實(shí)測(cè)值過(guò)程線。

1)從過(guò)程線可知：在2009年實(shí)現(xiàn)無(wú)浮托式引張線改造后的監(jiān)測(cè)成果相比，過(guò)程線更光滑，周期性規(guī)律更強(qiáng)，周期性的峰值和谷值明晰，表明無(wú)浮托式引張線自動(dòng)化觀測(cè)精度更高。

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

圖3 測(cè)點(diǎn)EX0901、EX0909、EX0918水平位移過(guò)程線

圖4 EX0918人工觀測(cè)值數(shù)據(jù)模型分析殘差、擬合值和實(shí)測(cè)值過(guò)程線

圖5 EX0918自動(dòng)化觀測(cè)值數(shù)據(jù)模型分析殘差、擬合值和實(shí)測(cè)值過(guò)程線

2.3 無(wú)浮托式引張線系統(tǒng)與步進(jìn)電機(jī)式、電容式引張線系統(tǒng)對(duì)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(dòng)化系統(tǒng)建于1994年，為步進(jìn)電機(jī)式引張線儀。由于自動(dòng)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(cè)控模塊已停止生產(chǎn)，多數(shù)儀器設(shè)備無(wú)法運(yùn)行，目前EX14引張線自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)已停止運(yùn)行，在2012年度改為人工觀測(cè)。

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(dòng)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(cè)量，2003年開(kāi)始取自動(dòng)化測(cè)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(wèn)題，該系統(tǒng)于2009年停止運(yùn)行，恢復(fù)人工觀測(cè)。

圖6為EX14引張線部分測(cè)點(diǎn)測(cè)值過(guò)程線，圖7為EX13引張線部分測(cè)點(diǎn)測(cè)值過(guò)程線，將圖2與圖6、圖7對(duì)比可知：無(wú)浮托引張線過(guò)程線平滑，周期性規(guī)律強(qiáng)，觀測(cè)精度高，系統(tǒng)運(yùn)行可靠。

圖6 EX14引張線部分測(cè)點(diǎn)測(cè)值過(guò)程線

圖7 EX13引張線部分測(cè)點(diǎn)測(cè)值過(guò)程線

3 結(jié) 語(yǔ)

1)葛洲壩大壩無(wú)浮托引張線自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)從2003年建成的第一條無(wú)浮托引張線EX31運(yùn)行至今，最長(zhǎng)已運(yùn)行近10年，最短也運(yùn)行5年時(shí)間，運(yùn)行期間系統(tǒng)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)采集及時(shí)，測(cè)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(cè)、效率低、測(cè)值精度差、維護(hù)任務(wù)重等問(wèn)題。

2)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，無(wú)浮托引張線系統(tǒng)真實(shí)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(cè)系統(tǒng)自動(dòng)化程度，為及時(shí)了解大壩的運(yùn)行性態(tài)和發(fā)展趨勢(shì)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患，及時(shí)評(píng)估工程的安全狀況和及時(shí)作出安全狀況評(píng)價(jià)提供了可靠依據(jù)。

3)葛洲壩大壩無(wú)浮托引張線自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)施和應(yīng)用，為無(wú)浮托引張線系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用積累了寶貴的實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在大壩安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中具有良好的借鑒意義。