引張線式水平位移計誤差分析和觀測方式研究

李召陽 劉暉 傅羅真

摘要：針對國內引張線式水平位移計一般采用的加卸載測量方式，和國外常采用的“常配重”測量方式之間存在的區別，文章從原材料特性、測量方式、摩擦力影響等方面分析了誤差來源、誤差影響程度以及不確定性，引入誤差修正和減小誤差的方法。結合某工程長期實測數據，驗證了常配重測量方式同樣可以取得準確的監測數據，在實際工程應用中，可結合現場具體情況選擇合適的測量方式。

關鍵詞：引張線式水平位移計；誤差；長期觀測；常配重測量

1 引言

引張線式水平位移計因其結構簡單、長期穩定性好、測量精度高等特點，被廣泛應用于土石壩位移觀測。目前國內工程多采用 “加載-卸載”的測量方式，不測量時銦鋼絲配重較測量時一般會減少50%。而國外認為，銦鋼絲的徐變量非常小，“加載-卸載”的觀測方式沒有必要，長期配重滿足測量要求即可，同時可以減少加卸載系統，提高系統的穩定性，降低系統造價。兩種不同意見的主要分歧在于對測量系統誤差來源及其影響程度的認識不同，本文對該問題進行總結分析，結合實測數據提出作者的看法及建議。

2誤差來源及影響分析

2.1 材料特性。引張線式水平位移計通常選用不銹銦瓦鋼絲作為引張線材料，其材料本身的某些特性會給整個測量裝置帶來誤差。

2.1.2材料徐變特性。有國外權威機構對直徑Ф2mm，長度200m，長期掛重100kg的不銹銦瓦鋼絲進行長達5年的研究，得出以下結論：

1）銦鋼絲徐變量的大小與載荷成正比，且無荷載下限；

2）銦鋼絲的徐變變形隨時間呈對數函數形式變化。第1年徐變量最為顯著，徐變系數約為30×10-6，1年之后徐變量很小，徐變系數約為5×10-6。

直徑為Ф2mm，長度200m的不銹銦瓦鋼絲，長期配重100kg，第一年鋼絲徐變量6mm，第2年到第5年平均徐變量1mm。鋼絲位移計測量方式不論是否加卸載，銦鋼絲徐變均不可消除，但采用加卸載測量方式可以減少鋼絲徐變量帶來的誤差。

2.2 測量方式

2.2.1加卸載測量方式。加卸載測量方式是指系統測量過程中，將鋼絲配重增加到預設重量，測量完成后，卸去部分配重。通常情況下，測量完成后的鋼絲配重為測量時配重的50%。采用加卸載測量方式對鋼絲配重進行加載卸載的過程，會使得鋼絲荷載發生周期性變化。不同測量過程中的重復加載、卸載是引起系統重復性誤差的主要原因。

文獻[2]中指出，直徑為Ф2mm，長度200m，滿載重量100kg，卸載后荷載50kg的銦鋼絲，由“加載-卸載”過程帶來的重復性誤差約為2mm。

2.2.2常配重測量方式。常配重測量方式是指系統測量過程中，鋼絲配重保持預設重量不變。通常情況下，銦鋼絲配重80～100kg。由于鋼絲配重長期保持較高的水平，鋼絲徐變量增加進程相對較快，如前文所述，該測量方式不會因加卸載過程造成重復性誤差。

2.3 摩擦力和鋼絲重疊。摩擦力影響大小與線體張力分布有關，鋼絲重疊則會影響配重力矩的傳遞。根據引張線式鋼絲水平位移計的結構特點，鋼絲從錨固點位置開始，通過鋼絲保護管內分線支撐機構，連接至觀測房變徑導輪上，在鋼絲的移動過程中，摩擦力主要來自鋼絲和分線支撐機構之間以及鋼絲和變徑導輪之間。因此，摩擦力影響大小主要分析鋼絲張力分布對鋼絲沿線支撐機構摩擦力的影響，以及鋼絲和變徑導輪間摩擦力對鋼絲張力分布的影響。同時考慮鋼絲重疊對力矩傳遞的影響，其主要來源于鋼絲在導輪上的纏繞重疊及掛重鋼絲在變徑導輪上的重疊。

2.3.1 摩擦力對鋼絲張力分布的影響。鋼絲和變徑導輪之間的摩擦力，會對鋼絲兩端張力分布產生影響，在鋼絲和導輪產生相對運動的情況下，測點發生相對位移或者加載過程中，當測頭向觀測房方向移動過程中，鋼絲張力因移動方向不同而不同，且隨著鋼絲纏繞圈數的增加，這種影響也隨之增大。

2.3.2 張力分布對鋼絲沿線支撐摩擦力的影響。在考慮鋼絲自重以及摩擦力影響的前提下，其張力分布在鋼絲沿線是不均勻的，通常情況下，靠近施力端張力要大于遠端。在鋼絲水平位移計系統中，鋼絲固定端存在不確定運動工況，在固定端往不同方向運動時，其張力分布是變化的。

根據公式（2）（3）所示，鋼絲線體在張力作用下克服摩擦力，使得線體垂度降低，張力豎直方向分量影響鋼絲和支撐點之間的摩擦分布，且隨著張力的增大而增大，但支撐點之間的相對運動會產生一定的相對沉降，甚至產生水平方向的相對位移，使得鋼絲張力對摩擦力分布的影響無法準確量化。但在通常情況下，適當增大鋼絲張力，會減小系統測量的誤差，盡量減少配重鋼絲的重疊可提高系統的測量精度。

2.4 誤差影響綜合分析。從上述分析來看，引張線式鋼絲水平位移計測量誤差主要來源為：鋼絲材料特性、測量方式、摩擦力以及和鋼絲張力間相互影響。從理論角度可分析幾種因素的獨立影響，但在實際應用中，幾種因素對觀測系統誤差的影響同時存在，影響程度難以精確計算。

引張線鋼絲因其材料的溫度特性，溫度引起的線體膨脹較小，但在溫差較大的季節和地區，可采用公式（1）進行修正。

引張線鋼絲徐變產生的誤差是客觀存在的，可以通過預掛重的方式，使鋼絲快速完成較大徐變的過程，再用于工程應用中，可有效減少徐變量帶來的誤差影響。

“加載-卸載”的測量方式帶來的重復性誤差通常情況下不可避免，且難以準確量化，因此可改變測量方式來避免該誤差的出現。

理論上可對摩擦力和線體張力之間影響進行分析計算，但實際應用中，摩擦力帶來的線體應力狀態的改變很難準確計算，只能做定性分析，可以通過減小線體和支撐之間的摩擦系數來減小摩擦力帶來的影響。

一般情況下，配種鋼絲在導輪上疊加纏繞會增大了鋼絲間的摩擦，會對線體張力造成影響，應最大限度的減少配重鋼絲的疊加纏繞。

3 實測數據

以下數據來源于某工程各長度銦鋼絲實際監測數據，時間跨度2014年1月到2017年8月，歷時3年半。采用常配重測量方式，設備安裝時間2013年7月，實際投運時間2014年1月，銦鋼絲配重100kg半年后投入使用。實際監測點共計40個，銦鋼絲長度35m～220m，直徑φ2，支撐點間距6m，常配重100kg。

實測數據可以看出，引張線式鋼絲水平位移計測量數據和全站儀測量數據誤差范圍0.4mm～0.5mm，以全站儀數據為基準，可以認為常配重測量方式得到的數據是比較準確的。以下數據圖形為不同長度鋼絲的隨機節選，其中測點09、10、11、14、21、29、35、40鋼絲長度分別為：70m、220m、200m、130m、175m、150m、35m、50m。

4結束語

綜上所述，本文就引張線式鋼絲水平位移計系統得出如下結論和建議：

（1）溫度影響因素突出的季節和地區，可對線體膨脹影響進行修正；（2）銦鋼絲徐變量小，時間跨度長，對實際測值影響有限，可以采用預先配重預拉的方式來降低徐變量的影響程度；（3）配重鋼絲導輪上設置導槽，最大限度減少配重鋼絲的重疊；（4）引張線體和支撐點間的摩擦對測量系統有一定的影響，但難以精確計算，可采用減少支撐點和鋼絲間摩擦系數的方式減小誤差影響。 （5）通過工程實踐，常配重測量方式同樣可得到準確可靠的監測數據，在實際工程應用中，可結合現場具體情況選擇合適的測量方式。

參考文獻：

[1]馬貴昌.YS-1型水平垂直位移計的研制[J].大壩觀測與土工測試，1986，10（3）：59-70.

[2]李之中，劉冠軍.引張線式水平位移計系統誤差分析[J].水電自動化與大壩監測，2009，33（6）：62-64.

[3]張啟岳，李宗澤.400米超長水平垂直位移計的實驗研究[R].南京：南京水利科學研究院，1995.

[4]盧欣春，劉冠軍，李學勝.無浮托引張線系統淺析[J].水電自動化與大壩監測，2010，34（2）：38-40.

[5]劉冠軍，李之中，李學勝，王軍濤.長管線引張線式水平位移監測裝置試驗分析[J].水電自動化與大壩監測，2012，36（4）：53-56.

（作者單位：南瑞集團（國網電力科學研究院）有限公司1

國網新源水電有限公司富春江水力發電廠2）