GK振弦式傾斜儀在大壩安全監測中的應用

趙紅旭，馬成武，陳和權，豆澤軍

（中水東北勘測設計研究有限責任公司工程測繪公司，吉林長春 130062）

0 引言

豐滿水電站為吉林省境內第二松花江干流上修建的第一座大型水力發電工程，控制流域面積42 500 km2。壩址多年平均流量為439 m3/s。水庫正常蓄水位263.50 m，相應庫容87.7×108m3；萬年一遇校核洪水位267.70 m，相應總庫容109.88×108m3。是一座以發電為主，并承擔下游防洪、灌溉、工農業及城市供水、旅游等多方面綜合利用的大型工程。

豐滿水電站始建于1937年的偽滿時期，是我國最早建設的大型水電站。由于當時的建設條件，大壩施工質量較差，滲漏嚴重，存在安全隱患，雖然1997年以前對大壩進行了外包混凝土、預應力錨索、灌漿、排水等綜合處理，但226 m高程以下上游壩面未做防滲處理，由于上游壩面還未能形成完全封閉的防滲結構，壩體滲漏嚴重的問題始終未能得到徹底的解決。

1 安全檢測概述

2006年2月，東北電網有限公司就豐滿水電站大壩防滲灌漿試驗、溢流壩段降低滲水壓力工程舉行公開招投標，工程總體要求是：在攔截壩體滲漏水量的基礎上，加強壩體排水，有效降低壩體滲透壓力，減少溢流面下部負溫區混凝土含水量，從根本上解決溢流壩面凍脹問題，確保大壩安全運行。我公司通過招投標的方式承擔了溢流壩段降低滲水壓力帷幕灌漿工程中上游壩面變形監測工作，目的是在溢流壩體灌漿實施過程中，監測大壩上游面的位移變化情況，防止灌漿對壩體造成損壞，保障帷幕灌漿期間壩體的安全。

本次帷幕灌漿工程從2008年3月正式開始，變形監測工作同時進行，并伴隨壩體帷幕灌漿施工全過程。

2 安全監測系統設計

2.1 監測儀器布置

豐滿水電站攔河大壩為混凝土重力壩，最大壩高91.7 m，壩頂全長1 080 m，共分60個壩段，壩段長18 m。左岸1～8號壩段為非溢流壩段，9～19號壩段為溢流壩段。壩頂寬度11 m，堰頂高程252.5 m，溢流孔孔口尺寸12 m×6 m，閘墩厚度6 m。針對工程的具體情況，本著“重點突出、兼顧全面、經濟合理、運行方便”的設計原則，在壩體防滲灌漿區每個壩段（選在壩體透水量較大的部位9～17號壩段）的不同高度按照“品”字形布設1～2個觀測點，形成既覆蓋全面又重點突出的監測網絡，以期能夠達到在溢流壩段降低滲水壓力帷幕灌漿工程中全面反應大壩運行性態，確保施工期的壩體安全。

水下變形監測儀器采用美國基康公司研制的固定式振弦測斜儀，型號為GK-6350，標準量程垂直方向±10°，精度為0.1%FS。

2.2 傾斜儀的安裝及工作原理

2.2.1傾斜儀的工作原理

GK-6350振弦式傾斜儀用于長期測量結構的傾斜變化，包括大壩、基礎、擋土墻以及相似結構，基本原理是利用安裝在被監測結構上的傾斜傳感器來精確測量傾斜度。

傳感器由懸掛的擺塊和彈性鉸組成，振弦應變針支撐著擺塊，應變針感應由擺塊重心偏轉產生力的變化。懸垂塊和傳感器裝在防水的保護外殼內，其包括連接傳感器和固定板的組件。為了減小腐蝕影響，外筒由不銹鋼管制成。雙軸系統將兩個互成90°夾角的傳感器安裝在雙軸支架上。

2.2.2傾斜儀的安裝

首先安裝單軸固定架，此固定架用于垂直壩面上的固定。標記好固定的位置，并鉆一個直徑12 mm的孔，深度大約為100 mm，把孔清理干凈。將錨桿推入孔中，可使用手錘敲到孔底，等錨桿固定后再繼續安裝。用配備的部件把固定支架連接到螺栓上，用水平儀或其他水平裝置調整固定架，保持其和墻面垂直。用配套的帶帽螺桿、墊圈、螺母把傾斜儀連接到固定架上，不要上緊螺母，連接便攜式讀數儀，在固定架的軌道內調節傳感器，并觀察讀數，把讀數和相應儀器率定表給出的零點讀數對比，直到兩數值相差在±50個數以內為止。讀數滿意后，擰緊帽螺釘，把傾斜儀固定，固定后再次檢查讀數，確保讀數和零讀數相差在±50個數以內。

2.2.3傾斜度計算

傾斜度通過GK-401或GK-403的B檔進行數字化測量。這些數字顯示值和傾斜角變化的關系由下列線性方程給定：

△θ=(R0-R1)G

式中：R0—初始讀數；R1—是當前讀數；G—是傳感器率定系數。

當傾斜度小于2°時，該線性方程能很好地反映其關系。當大于這個角度時，誤差就會增大。線性方程引入的誤差見率定表。

為得到更精確的傾斜度數值可采用下列多項式方程：θ=AR2+BR+C

在公式里，A，B和C是率定表上提供的系數。分別用R=R0和R=R1計算θ的值，把它們的差值與用(R0-R1)計算出來的△θ作比較。

2.3 自動化監測系統構成

自動化監測系統采用BGK-M ICRO分布式網絡測量系統（以下簡稱測量系統），采用混合式測量電路，可測量現場的各支傳感器并進行記錄，集用戶管理、測量管理、數據管理、通訊管理于一身，為工程安全的自動化測量及數據處理提供了極大的方便和有力的支持。

測量系統由計算機、BGK-M ICRO-MCU分布式網絡測量單元（內置BGK-M ICRO系列測量模塊）、智能式儀器（可獨立作為網絡節點的儀器）等組成，并配置有1臺2 kVAde UPS、1臺掃描儀、1臺激光打印機等設備。通過1個RS-232/485轉換模塊與現場監控網絡相連，對現場的每一支儀器進行控制、測量、查詢等。通過相應配套的軟件可完成本工程安全監測儀器的自動測量、數據處理、圖標制作、異常測值報警等工作。

表1為系統的組成框圖（1個測量單元系統）。

其中各終端傳感器布置如前所述。各傳感器采用專用的信號電纜接入分布式網絡測量單元（BGK-M ICROMCU），然后采用數據通訊電纜接入至監控管理中心站。監控管理中心站布設在左壩頭的水工分廠廠房內，所有的電纜和信號電纜連接至此。

3 監測成果及分析

此次監測時間較長（239 d全天監測），頻次較多（每10 m in一次的采集頻率），因此監測數據較多，為了便于分析，采用每天最大值作為分析樣本。通過圖表分析、特征值統計法分析兩種方法都可以看出在整個監測過程中，各支監測設備的位移變化值均小于DL/T5178-2003《混凝土大壩安全監測技術規范》0.2 mm的限差要求，監測數據呈波動性變化，符合偶然誤差變化規律，說明沒有系統誤差出現，監測質量較好，同時也證明壩體未產生系統變形，整個灌漿期間大壩運行安全穩定。

［1］DL/T5178-2003,混凝土大壩安全監測技術規范［S］.北京：中國水利水電出版社.

［2］基康儀器（北京）BGK-M icro-40測量單元操作使用手冊［R］.