水布埡水電站面板撓度監測方法比較

黎佛林 ， 蔡德所 ，2， 秦 鵬 ， 唐 鑫

（1.三峽大學水利與環境學院，湖北 宜昌 340033；2.廣西壯族自治區水利廳，廣西 南寧 530023）

0 引言

隨著振動碾壓技術的提高，面板堆石壩在我國已成為主要比選或首選壩型[1]，特別是在金沙江、雅魯藏布江等地形地質復雜、交通運輸困難、缺乏防滲土料的西南地區具有巨大的發展空間[2]。面板堆石壩主要按分期堆石筑成，迎水面板可止水防滲。若面板變形過大，就會使面板產生裂縫，導致防滲系統破壞而大面積滲漏，危及大壩安全[3]。基于此，面板撓度監測就成為面板監測的重中之重。

面板撓度監測常規儀器主要使用傾斜儀，它適用于小變形測量，如果壩體變形超過一定限值，測試導管彎曲過大，傾斜儀探頭就無法通過導管而使監測中斷[4-5]。司洪洋指出傾斜儀監測高面板壩有一定的難度，體現在測斜儀的性能與測管的長度兩方面[5]。袁培進、吳銘江指出以伺服加速度計作為傳感元件的傾斜儀會不可避免地給測值帶來較大的誤差，若采用通常的垂向測斜儀顯然是不行的。水布埡水電站采用了美國產固定式傾斜儀進行面板撓度監測。光纖陀螺儀 （FOG）應用于面板撓度監測是在1999年，蔡德所等進行光纖陀螺監測面板撓度相關技術的理論、實驗和工程應用研究[6]，并于2003年與中國航天科技集團上海光纖中心合作，將光纖陀螺首次用于思安江水電站面板堆石壩撓度監測。目前，該技術已連續應用于桂林思安江水電站、清江水布埡水電站、貴州董箐水電站的監測中。

1 水布埡水電站面板變形監測

水布埡水電站面板變形監測中使用了電解液傾斜儀和光纖陀螺儀，在面板長度最大斷面0+212樁號鋪設FOG測量軌道，同時在該斷面上埋設了45支傾斜儀，監測儀器布置見圖1。在這45支傾斜儀中，由于儀器自身和所處環境等原因，目前有21只能正常測量，各監測點的對應高程及其測量的標準偏差值 （STDEV）見表1。

圖1 水布埡水電站面板撓度監測儀器布置

表1 各監測點的對應高程及其測量的STDEV值

2 兩種測斜儀測斜結果

以186 m高程這一關鍵點為例進行分析。因為開始測量時間不一致，為更好作比較，選取統一的時間 （2007年3月）為基準點[7]。從2009年5月至2011年11月，光纖陀螺所測的各月平均撓度值=44.70 mm，傾斜儀測的各月平均撓度值=44.06 mm（以面板法向向下為正，反之為負）。該點各月監測值的相關系數R=0.055，說明兩者幾乎不存在相關性。兩者的差異性檢驗見表2，三種檢驗方法的顯著性水平值P均小于0.05。因此，兩種測斜儀測斜結果存在顯著性差異。

表2 傾斜儀與FOG的差異性參數檢驗

利用游程檢驗，傾斜儀的漸進顯著性水平的雙尾檢驗結果0.059≈0.05，陀螺儀檢驗結果0.000＜0.05，可認為面板撓度受因子影響特別顯著。此外，近兩年半來庫水水位變化很小，因此，包括徐變在內的各作用因子還有待探究。

選擇該點在2011年的監測結果進行分析，兩種監測結果相關系數R=0.23（見圖2），這說明兩者聯系不明顯。從表1可知 ，除260、264 m和388 m高程外，電解液傾斜儀標準偏差系數遠大于陀螺儀的標準偏差系數。若標準偏差越大，說明變化幅度越大，反之，其變幅越小。

圖2 兩種監測結果相關系數

從整個面板長度方向上分析監測結果。面板撓度年際變化選取2010年6月份與次年6月進行比較分析。2010年6月，傾斜儀與陀螺儀監測值變化趨勢大致相同，都垂直面板向下 （因傾斜儀TM01_1_8在面板長度89.44 m值為奇異點，經過插值處理），見圖3。傾斜儀的點式測量不能準確反映面板撓度變形。傾斜儀在面板長度80～130 m、150～200 m區間撓度值監測結果在小范圍波動，兩端值較大，說明傾斜儀測值變化不連續具突變性。光纖陀螺儀監測值呈 “W”雙谷形變化。

圖3 2010年6月監測值比較

面板經過1年的變形，在2011年6月的測量值中可以發現，面板變形趨勢與去年大概保持一致，見圖4。但是從監測數據發現，傾斜儀測量值在面板長度40～70 m、210～300 m區段變化比較明顯，最大變化值達到350 mm。FOG測量值在100～200 m區間變化較大，相對變化量約100 mm，其他區段相對穩定。綜合分析，光纖陀螺儀更能準確反映大壩面板變形情況。

圖4 2011年6月監測值比較

根據連續30個月的光纖陀螺儀面板撓度監測結果，對逐月測值進行成對樣本檢驗，檢驗結果見表3。在2010年10月 （序列16）后標準偏差和平均值的差值趨小，95%的置信區間的差異范圍縮小，說明之后面板撓度值趨于相對穩定。

3 成果分析

從兩種方法監測面板撓度的結果看，光纖陀螺與傾斜儀之間相關性低，陀螺儀測值變化穩定，而傾斜儀測值波動大。除少數點外，光纖陀螺測量值偏差系數遠小于電解液傾斜儀。通過光纖陀螺儀的高靈敏度特性，連續的測量曲線更能反映面板的實際變形情況，根據光纖陀螺儀監測結論，面板撓度在2010年10月以后變化幅度趨小。

電解液傾斜儀克服了2.5 MPa以上的高水壓環境。截至2010年，該樁號45支中有21支能讀數，但TM01_1_8測值為奇異點，各月的測值曲線相互間波動較大。由表1可知，越靠近壩頂的電解液失效率越大，且2011年6月的監測曲線較上年整體反彈。因此，電解液傾斜儀在使用壽命和精度上有待改進。

表3 光纖陀螺儀各月測值的成對樣本檢驗

最近研制的光纖陀螺測斜儀能用于環境更加復雜的輸油管道中。該光纖陀螺連續測斜儀集慣性導航技術、光學技術、自動控制技術和計算機通信技術于一體，兼具常規連續測斜儀和機械陀螺測斜儀的優點[8]。莫文琴、姜德生等通過試驗得出，光纖陀螺儀只需預設測量軌道，基準點容易確定 （以起點為基準），能多點連續精確測量，且可對被測工程進行多次定期測量，基本滿足工程測量的各項要求。

4 結語

（1）電解液傾斜儀和光纖陀螺儀都成功應用于水布埡水電站面板撓度的安全監測中，但兩者的監測結果存在顯著性差異，相關性不明顯。

（2）監測值都垂直面板向下，光纖陀螺儀監測值呈 “W”雙谷形；傾斜儀測值變化不連續具突變性。經過方差分析和均值比較，光纖陀螺儀監測值較傾斜儀的測值更準確地反映大壩面板變形情況。各月測值的成對樣本檢驗可知，面板撓度在2010年10月以后趨于穩定。

（3）隨著光纖陀螺技術的發展，陀螺管道材料的改進，光纖陀螺技術用于面板撓度監測將得到進一步發展。

［1］楊澤艷，周建平，蔣國澄，等.中國混凝土面板堆石壩的發展［J］.水力發電， 2011， 37（2）:18-23.

［2］譚愷炎.高混凝土面板堆石壩安全監測若干問題的討論［J］.大壩與安全， 2010（3）:6-29.

［3］季凡，趙衛.水布埡水電站大壩安全監測設計與新型儀器應用［J］.人民長江， 2007， 38（7）:124-126.

［4］吳銘江，袁培進.工程安全監測工作回顧［J］.中國水利水電科學研究院學報，2008，6（4）:323-328.

［5］司洪洋.當前我國混凝土面板壩監測中的若干問題［J］.大壩觀測與土工測試，1997， 21（5）:8-11， 27.

［6］朱聯祥，蔡德所.全數字光纖陀螺閉環檢測系統［J］.光纖與電纜及其應用技術，2001（2）:21-25.

［7］劉健夫.光纖陀螺監測系統研究及其在面板撓度監測中的應用［D］.宜昌: 三峽大學， 2012.

［8］石油.光纖陀螺連續測斜儀［J］.軍民兩用技術與產品，2010（4）:29.