觀音閣水庫靜力水準高程傳遞技術探討

韓啟民

(遼寧省觀音閣水庫管理局，遼寧本溪 117100)

1 工程概況

觀音閣水庫位于太子河干流上，是以城市供水和防洪為主，兼顧灌溉、發(fā)電和養(yǎng)魚的大(1)型水利樞紐工程。水庫控制流域面積2795km2，總庫容21.68億m3。碾壓式混凝土重力攔河壩長1040m，分為65個壩段，最大壩高82m，壩后式電站總裝機2.075萬kW。大壩1～42號壩段設有上、中、下三層廊道，上、中層為觀測廊道，斷面尺寸(寬×高)為1.5m×2.2m。因溢流壩段堰頂低于兩側的擋水壩段22.3m，上層廊道拆分為三段成“凹”字形布置，即:1～15號壩段，高程260.5m;14～29號壩段，高程244.7m;28～42號壩段，高程260.5m。中間段通過設于15號、28號壩段的旋轉樓梯銜接兩端。因為水工結構的特殊性，上層廊道安裝的差動變壓器式靜力水準系統(tǒng)亦分為三段，用以監(jiān)測壩頂的垂直位移。

2 靜力水準的工作原理

靜力水準儀是利用連通器的原理，通過連通管將多支監(jiān)測點的儲液罐連接在一起，基準點置于一個可忽略其自身沉降、垂直位移相對恒定的固定點處，其他監(jiān)測點置于高程大致相同的不同位置。安裝完成并貯滿適宜的液體，通過液體自流使全部儲液罐的液面始終保持在同一水平面。當某一個監(jiān)測點相對于基準點發(fā)生升降時，將引起該測點液面的上升或下降。通過測量液位的變化，了解被測點相對基準點的升降變形，最后由沉降公式計算出監(jiān)測點的實際沉降量。

觀音閣水庫靜力水準系統(tǒng)采用結構簡單、無摩擦阻力、傳遞精度高、非接觸測量形式的差動變壓器式傳感器。儲液罐內灌注主要成分為水、酒精、乙二醇、緩蝕劑及多種表面活性劑的玻璃水，防凍、防霉、抗靜電、易流動，提高并保證了系統(tǒng)的可靠性。當監(jiān)測點產生垂直位移時，儲液罐內液體變位引起裝有鐵芯的浮子與固定在容器頂的兩組線圈間的相對位置改變，最終通過測量裝置測出的電壓變化計算得到監(jiān)測點的相對沉陷。

3 高程傳遞的引入

3.1 引入高程傳遞的客觀條件

觀音閣水庫1～42號壩段上層廊道每一壩段安裝一個靜力水準儀，通過連通器管道聯(lián)通，每段增設一個校準裝置，共計45個。雙金屬標基準點設在左岸灌漿隧洞內，深入基巖30m(本文表示為0號壩段)。上層廊道中段與兩端存在15.8m的高差，按照傳統(tǒng)的方法無法實現(xiàn)連通器全程聯(lián)接。假使聯(lián)接，14～29號壩段承受的壓差將使靜力水準儀不能正常工作。若分段安裝，則由于14號壩段的斷開，造成只有1～14號壩段能夠量測絕對位移，剩余部分只能量測相對位移，不能量測絕對位移，這樣不僅對分析成果造成影響，也違背了設計初衷。因此，當以0號壩段基準點為參照，實測各測點的位移變化時，如何解決上層廊道三個段落的高程聯(lián)系，怎樣進行高程傳遞，是實現(xiàn)壩頂垂直位移自動化監(jiān)測不可繞過的關鍵問題。

3.2 高程傳遞概念

所謂高程傳遞，是指在某些特定的條件下，不能通視或無法利用常規(guī)水準測量方法直接測出高差很大、水平距離卻很短的兩點之間的高差，必須尋找其他方法代替精密水準測量，打破建筑物高差限制，進而實現(xiàn)高程精準傳遞。

3.3 高程傳遞常用方法及適用性

目前，在礦井、高層建筑中常用的高程傳遞方法主要有懸掛鋼尺、GPS高程測量、全站儀垂直測高三種。經過比較分析，認為都不能應用于此:

a.懸掛鋼尺能夠準確改正各項影響因素，可靠性高，但必須人工現(xiàn)場測讀，不能實現(xiàn)自動化。

b.GPS具有全天候特點，在廊道內卻是毫無用武之地。

c.全站儀不受建筑物高度限制，精度較高、方便快捷，但同懸掛鋼尺方法一樣不能實現(xiàn)自動化。

經過反復的研究和論證，將廣泛應用的雙金屬標介入高程傳遞體系，實現(xiàn)260.5m高程向244.7m高程的精準傳遞。

4 基于雙金屬標的高程傳遞介入靜力水準系統(tǒng)

4.1 雙金屬標的特點和原理

雙金屬標是利用鋁的線脹系數是鋼的兩倍這一物理特性、以固定點為參考點的長度測量裝置。同心的保護管與鋼管之間、鋼管與鋁管之間預留的空隙保證了鋼、鋁管的伸長、縮短不受影響。在重力的作用下，插在基礎巖石中的管底部自然形成固定點。兩個管子的相同部位處在同一個溫度場中，在不受其他外力的作用下，溫度是引起金屬材料長度變化的唯一因素，測定軸線方向的變形量，即可求出溫度改正量，從而扣除溫度變化對于變形測量的影響。

雙金屬標處壩體的絕對變形量S的計算方法如下:

式中:SYS鋼．cg1、SYS鋁．cg1 是安裝在鋼管、鋁管上的儀器測得的變形量。

4.2 雙金屬標介入靜力水準系統(tǒng)原理

14號壩段和29號壩段是聯(lián)通上、下兩部分廊道的兩個節(jié)點，分別處于260.5m高程和244.7m高程。在14號壩段和29號壩段分別安裝雙金屬標，即可測出下層平面對上層平面的絕對位移。0號壩段基準點的絕對位移通過水準儀的量測、換算，得出14號壩段(上)的絕對位移。計算時加入雙金屬標傳遞值，則導出14號壩段(下)的絕對位移值。同理，可得到29號壩段(上)、(下)的絕對位移。

4.3 高程傳遞部分計算

14號壩段雙金屬標儀絕對位移為:S14#=2 SYS鋼14#．cg1 － SYS鋁14#．cg1

29號壩段雙金屬標儀絕對位移為:S29#=2 SYS鋼29#．cg1 － SYS鋁29#．cg1

a.對14號～29號壩段下層廊道(244.7m高程，下同):

JLi．cg2——第 i個靜力水準測點的第二個成果，即該壩段的絕對位移，mm;

程，下同)處的絕對位移;

S14#——14#壩段雙金屬標儀絕對位移;

JLi．cg1——第 i個靜力水準測點的第一個成果，即該壩段的相對位移，mm;

JLi．cg2——第 i個靜力水準測點的第二個成果，即該壩段的絕對位移，mm;

S29#——29#壩段雙金屬標儀絕對位移;

JLi．cg1——第 i個靜力水準測點的第一個成果，即該壩段的相對位移，mm。

4.4 高程傳遞過程中的誤差問題

鑒于高程傳遞計算時不可避免地存在著累計誤差，所以要求在測算的過程中，各測點位移計算值必須取同一時刻的觀測數據，盡可能減少不必要的誤差值。所有靜力水準、雙金屬標儀基準值必須取同一時刻數據，當某一個測點沒有測值時，應不計算絕對位移或根據前后原始觀測數據內插后選用。

按上述計算無法避免累計誤差，且29～42號壩段的累計誤差最大:

按照誤差傳遞理論:

29～42號壩段的沉降誤差為0.39mm。

《國家一、二等水準測量規(guī)范》(GB/T 12897—2006)中規(guī)定:一等水準測量偶然中誤差允許值0.45mm。《混凝土壩安全監(jiān)測技術規(guī)范》(DL/T 5178—2003)中規(guī)定:壩頂垂直位移量中誤差限值±1.0mm。29～42號壩段的沉降誤差計算值滿足規(guī)范要求，不影響監(jiān)測精度。

4 結語

基于雙金屬標的高程傳遞技術良好地解決了觀音閣水庫上層廊道靜力水準系統(tǒng)高程傳遞的“瓶頸”，使異形結構、不良工作環(huán)境下的壩頂垂直位移監(jiān)測實現(xiàn)自動化監(jiān)測成為可能，同時為材料的物理性能與水工監(jiān)測理論結合提供了應用例證。■