500 m級超長引張線式水平位移計測量準確度研究

嚴 波，熊小虎

(國能大渡河流域水電開發有限公司，四川 成都 610041)

雙江口水電站礫石土心墻堆石壩最大壩高315 m，為世界第一高壩，下游堆石區布設的引張線式水平位移計最大長度達560 m。引張線式水平位移計主要用于土石壩內部水平位移的監測，水平位移計線體超長存在不均勻變形易引起線體回縮、線體沿程阻力增加等問題，導致監測數據誤差偏大[1]。目前，400 m級引張線水平位移計成功應用于長河壩等水電工程，500 m級的工程應用經驗尚較欠缺。本文通過500 m級超長引張線式水平位移計測量準確度影響因素的分析，并開展現場模擬試驗研究，提出了改進引張線分線盤支撐點、測線導輪槽及最優掛重砝碼等系統結構優化方案及監測操作方法，提高了監測儀器的可靠性、穩定性以及監測數據的準確性，為500 m級超長引張線式水平位移計在雙江口工程中的應用提供有力的技術支撐。

1 測量準確度影響因素分析

引張線式水平位移計由錨固板、銦合金鋼絲、保護鋼管、伸縮接頭、測量架、配重機構、讀數游標卡尺等組成，其工作原理為：在測點高程水平鋪設能自由伸縮經防銹處理的鋼管，從測點引出線膨脹系數很小的不銹銦瓦合金鋼絲至觀測房固定標點，經過導向滑輪在其終端懸掛砝碼，測點移動時帶動鋼絲移動，在固定標點處用游標卡尺測出鋼絲的相對位移，即可算出測點的相對水平位移量[1]。測點的位移大小等于某時刻時的讀數與初始讀數之差，加上相應觀測房處固定標點的位移量[2]。觀測房固定標點的水平位移，由壩兩端以視準線測出。

目前國內各廠家的引張線式水平位移計原理大體相同，主要技術指標為：分辨力不大于1 mm，系統綜合誤差不大于20 mm，量程在500～3 000 mm，工作溫度在-35～65 ℃[3]。水平位移計存在的主要問題為銦瓦鋼絲沿線伸縮接頭的分線盤節點多，摩擦力、銦鋼絲變形、壩體沉降、掛重砝碼質量、觀測裝置的變形等均可對觀測成果造成較大誤差，尤其是雙江口水電站引張線式水平位移計管線長度達560 m。

通過對設備廠家、類似工程應用及技術調研分析，本文以因果圖法分析出多項影響超長引張線式水平位移計測量準確度的末端因素，經對每項末端因素分析確認出4項要因，分別為分線盤支撐點摩擦力影響、鋼絲長度與砝碼質量匹配關系的影響、鋼絲絞輪/轉輪中鋼絲重疊的影響、測點沉降對水平位移準確度的影響。

2 試驗準備和方案設計

2.1 試驗平臺搭設

本文試驗設備采用南瑞NYW2型引張線式水平位移測量裝置[4]，試驗平臺采用Φ48 mm腳手架鋼管在試驗場搭設長560 m、寬2 m的試驗平臺支架，分線盤支撐間距為3 m，支撐盤從錨點處向測量裝置處以1.3%坡降安裝，模擬位移裝置和測量裝置分別固定在測點端和觀測端，560 m銦鋼絲(Φ2 mm)一端安裝拉力計后固定在位移裝置的錨板上(錨板處于零檔位)，另一端通過分線盤支撐裝置引至測量端安裝拉力計后固定在測量裝置上，安裝砝碼組件后進行系統調試。系統安裝見圖1。

圖1 引張線式水平位移計測量系統示意

2.2 試驗內容

(1)測量穩定時間。首先僅施常加張力，按滿量程位移量給進往復各3次，每次間隔5 min后正式開始試驗[5]；加施增加張力5 min后讀取終端位移量，隨后每5 min讀取一次數據，待連續兩次數據之差≤2 mm時即可確定觀測穩定時間；針對不同的鋼絲長度和張力組合分別完成測量穩定時間試驗。

(2)測量重復性。首先僅施常加張力，按滿量程位移量給進往復各3次，每次間隔5 min后正式開始試驗；加施增加張力5 min后讀取終端位移量；隨后按照上述試驗確定的穩定時間進行兩次觀測并取平均值為觀測結果；按前一步驟完成3次平行觀測試驗；針對不同的鋼絲長度和張力組合分別完成重復性觀測試驗。

(3)測量準確度。首先僅施常加張力，按滿量程位移量給進往復各3次，每次間隔5 min后正式開始試驗；引張線位移錨板人工位移至-200 mm檔位，并記錄；加施增加張力，按照引張線式水平位移計的觀測方法，進行連續兩次觀測并取平均值作為觀測結果，同時記錄兩端拉力計數據；重復上述試驗步驟，完成-300、+200、+300、+500 mm各檔位測量準確度試驗；根據錨板的實際位移量與實際觀測成果進行分析，評判監測儀器設備的觀測精確度。

2.3 試驗方案設計

(1)分線盤支撐點摩擦力的試驗。針對雙聚四氟乙烯軸承對扣滾動摩擦式支撐點與不銹鋼軸承對扣滾動摩擦式支撐點結構，調試560 m長銦鋼絲的測量系統，開展30、40、50、60、70 kg 5級砝碼掛重不同位移的測量準確度試驗，從測量誤差、拉力損失等方面評價應用效果。2種支撐裝置見圖2。

圖2 支撐裝置(左為不銹鋼，右為雙聚四氟乙烯)

(2)鋼絲長度與砝碼掛重匹配的試驗。選用較優的支撐點裝置調試測量系統，針對560、450、300 m 3種鋼絲長度分別加載30、40、50、60、70 kg 5級砝碼掛重，分析給定位移量對應標尺讀數穩定的時間和總誤差的大小，確定不同鋼絲長度下的最優砝碼掛重。

(3)鋼絲絞輪/轉輪中鋼絲重疊的試驗。選用較優的支撐點裝置調試560 m長銦鋼絲的測量系統，加載最優砝碼掛重，采用傳統銦鋼絲導輪槽和測線導輪槽、加寬變徑的銦鋼絲導輪槽和測線導輪槽，分別開展-300、-200、200、300、500 mm的測量準確度試驗，根據測量誤差評價導輪槽結構。2種導輪槽裝置見圖3。

圖3 導輪槽裝置(左為傳統變徑，右為改進后變徑)

圖4 分線盤間隔51 m均勻沉降示意

圖5 分線盤間隔69 m不均勻沉降示意

圖6 分線盤間隔69 m不均勻沉降/上抬示意

(4)測點沉降對水平位移精度影響的試驗。選用較優的支撐點裝置調試560 m長銦鋼絲的測量系統，加載最優砝碼掛重，人為調整部分支撐點的高度模擬大壩的沉降變形，進行3組沉降試驗：間隔51 m均勻沉降、間隔69 m不均勻沉降、間隔69 m不均勻沉降/上抬，通過沉降量與水平測值變化量之間的關系，分析評價壩體沉降變形對水平位移監測成果的影響[6]。3組試驗沉降點見圖4～6。

3 試驗結果分析

3.1 分線盤支撐點摩擦力的影響分析

按照試驗步驟進行30(常掛10 kg，觀測加載20 kg)、40(常掛20 kg，觀測加載20 kg)、50(常掛25 kg，觀測加載25 kg)、60(常掛30 kg，觀測加載30 kg)、70 kg(常掛35 kg，觀測加載35 kg)掛重2種不同分線盤支撐點裝置的測量準確度試驗。

表1為雙聚四氟乙烯軸承對扣滾動摩擦式支撐點裝置系統測量成果。從表1可以發現，當砝碼增加時，測點端與錨板端的拉力損失隨加掛砝碼的增加而增加；掛載70 kg砝碼，測量端拉力損失24.8 kg，測點端拉力損失49.6 kg，說明觀測架和分線盤支撐裝置與受力鋼絲之間存在較大的摩阻力，從而影響了鋼絲對力的有效傳導，最終導致測量誤差大且無規律性；測量誤差的標準差隨砝碼的增加而增加，誤差的離散分布逐漸增大，測量數據的穩定性較差。

表1 雙聚四氟乙烯支撐點測量成果

表2為不銹鋼軸承對扣滾動摩擦式支撐點裝置系統測量成果。從表2可以看出，當砝碼增加時，測量端與錨板端的拉力損失隨加掛砝碼的增加而增加；掛載70 kg砝碼，測量端拉力損失7.8 kg，測點端拉力損失8.3 kg，銦鋼絲測量端和測點端張力測值大致相等，張力的損失主要發生在觀測架的傳力裝置上，鋼絲位移計的分線盤對鋼絲張力的影響較小，僅為0.5 kg。對比兩種支撐點試驗成果可知，不銹鋼軸承支撐點裝置的拉力損失遠小于雙聚四氟乙烯軸承，不銹鋼軸承支撐點裝置同重砝碼的測量誤差也小于雙聚四氟乙烯軸承的測量誤差。

表2 不銹鋼支撐點測量成果

通過對雙聚四氟乙烯與不銹鋼兩種裝置的數據進行分析可知，觀測砝碼增加后，鋼絲受較大的拉力作用，鋼絲下垂垂徑、摩擦力均減小，銦鋼絲兩端張力差最大在4.9 kg內，說明不銹鋼軸承分線盤裝置從根本上減小了系統的摩擦力，系統測量的精準度大大提高。

3.2 砝碼掛重匹配關系的影響分析

采用不銹鋼軸承支撐點裝置調試測量系統，針對560、450、300 m 3種鋼絲長度分別加載30、40、50、60、70 kg 5級砝碼掛重，開展穩定時間、重復性及準確度試驗。

表3為鋼絲長度與砝碼掛重的匹配關系試驗成果。由表3可知，560 m鋼絲長度下，砝碼掛重在30～50 kg時，穩定時間需要20～25 min；砝碼掛重在60～70 kg時，穩定時間需要15 min。當測點沒有發生位移時，60 kg砝碼掛重產生的最大重復測量誤差為2 mm，其他掛重產生的最大重復測量誤差在3～5 mm，可見重復加掛砝碼帶來的重復測量誤差數值是存在的，其對測值的影響不可忽視。當測頭錨板在-300～500 mm之間移動時，60 kg砝碼掛重產生的最大位移偏差為5 mm，其他掛重產生的最大位移偏差大于14 mm。綜合以上分析，60 kg砝碼掛重測量需要的穩定時間最短(15 min)，最大重復測量誤差最小(2 mm)，最大位移偏差也最小(5 mm)，60 kg砝碼掛重為最優掛重。

表3 鋼絲長度與砝碼掛重的匹配關系試驗成果

3.3 鋼絲絞輪/轉輪中鋼絲重疊的影響分析

采用不銹鋼軸承支撐點裝置調試560 m長銦鋼絲測量系統，加載最優掛重60 kg，開展兩種導輪槽結構下-300、-200、200、300、500 mm的測量準確度試驗。

表4為2種導輪槽的測量誤差試驗成果，銦鋼絲導輪槽和測線導輪槽由于原結構較窄導致了銦鋼絲繞線長度比測線向下延放長度大，造成測量吊錘向下延放不到位產生一定的觀測誤差；經過導輪槽加寬后，銦鋼絲導輪槽上纏繞的鋼絲長度與測線導輪槽向下方延放的長度基本一致，減小了鋼絲絞輪/轉輪中鋼絲重疊的影響，從而提高了系統的測量精度。

表4 60 kg掛重測量誤差試驗成果 mm

3.4 測點沉降對測量精度的影響分析

采用不銹鋼軸承支撐點裝置調試560 m長銦鋼絲的測量系統，加載最優掛重60 kg，開展3組測點沉降試驗。表5為測量沉降對水平位移影響試驗成果。由表5可知，在模擬壩體大變形(沉降)的環境下，監測設施能夠正常工作。不同的測點沉降方式，經沉降位移修正后的位移最大綜合誤差在-8.0～10.5 mm之間。本次沉降試驗的沉降工況與土石壩的沉降變形存在較大差異，土石壩內部不會出現如此大的不均勻沉降，該套設備誤差滿足《引張線式水平位移計》中系統誤差≤10 mm的要求。

表5 測點沉降對水平位移影響試驗成果

4 結 語

(1)通過不斷改良和創新，研究出不銹鋼軸承對扣滾動摩擦式的支撐點裝置，顯著降低了分線盤支撐點摩擦力的影響，從而大大提高了系統測量的精準度。

(2)根據試驗數據分析成果得到，500 m級引張線式位移計最優匹配掛重為60 kg，此時穩定時間最短(15 min)，最大重復測量誤差最小(2 mm)，最大位移誤差最小(5 mm)。該成果對于指導施工儀器安裝埋設和運行期監測數據準確獲取具有十分重要的意義。

(3)通過對測量裝置變徑導輪中銦鋼絲導輪槽和測線導輪槽進行改進加寬，減小了鋼絲絞輪/轉輪中鋼絲重疊的影響，從而有效提升了系統的測量精度。

(4)通過模擬壩體不同類型的大變形(沉降)環境下監測設施的運行性態，取得了測點沉降對水平位移精度影響的量化指標，修正后最大綜合誤差10.5 mm，基本滿足《引張線式水平位移計》中系統誤差的要求。

通過引張線式水平位移計現場模擬試驗的研究分析，確定了其在雙江口300 m級高土石壩的適用性和最佳監測實施方案，同時，試驗研究成果填補了國內外500 m級超長引張線式水平位移計行業成果空白，具有一定的推廣應用和借鑒價值，可為后續監測設計與安裝拓展思路、提供參考。