差動變壓器式測縫計(jì)在大壩變形監(jiān)測中的應(yīng)用分析

蔡天德，謝東輝，紀(jì)珍珍

（1.寧波市水庫管理中心,浙江 寧波 315000；2.寧波原水有限公司皎口水庫分公司,浙江 寧波 315000 ）

0 引言

大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)是大壩重要的附屬設(shè)施,是監(jiān)視大壩運(yùn)行的耳目,它廣泛布置在大壩各個(gè)部位。混凝土壩體是混凝土重力壩的主要構(gòu)筑物,為了方便施工及避免溫差影響,在壩體施工時(shí)一般采用分段澆筑形式進(jìn)行,由此混凝土壩體上會不可避免進(jìn)行分縫。混凝土重力壩的伸縮縫是永久性的,是隨荷載、環(huán)境的變化而開合的,為了有效了解壩體的運(yùn)行狀態(tài),及時(shí)發(fā)現(xiàn)大壩存在的隱患及其發(fā)展趨勢,以便采取有效的工程或非工程措施保證大壩的安全運(yùn)行,就需要對接縫的開合度進(jìn)行監(jiān)測,目前常用的觀測方法是在測點(diǎn)處埋設(shè)金屬標(biāo)點(diǎn)或用測縫計(jì)進(jìn)行［1］。皎口水庫的伸縮縫自動監(jiān)測采用了二向測縫計(jì),二向測縫計(jì)的傳感器選用回彈式差動變壓器（LVDT）位移傳感器,具有測量精度高,穩(wěn)定性和防潮性好的特點(diǎn)［2］。

皎口水庫位于奉化江支流鄞江上游大小兩皎溪流的匯合處密巖村附近。因壩軸線正處“兩皎”匯合口,或說“兩皎”出口,故名。水庫是以防洪灌溉為主,結(jié)合發(fā)電、養(yǎng)魚、城市供水等綜合利用的大二型水庫。水庫集雨面積259 km2,其中主流大皎溪長43.9 km,集雨面積169 km2,支流小皎溪長24 km,集雨面積90 km2。水庫總庫容12005 萬m3,其中興利庫容7564萬m3,調(diào)洪庫容7038 萬m3,防洪庫容4687萬m3,死庫容244萬m3。水庫大壩共分20 個(gè)壩段,其中5#、6#和7#壩段為溢流壩段,其余為非溢流壩段。壩體為漿砌塊石混凝土重力壩,壩前為鋼筋混凝土防滲面板。壩段之間設(shè)伸縮縫,防滲墻部位由紫銅板、瀝青井、鋁板止水。壩體內(nèi)設(shè)灌漿、排水、觀測廊道。

1 二向測縫計(jì)介紹

1.1 LVDT測縫計(jì)結(jié)構(gòu)和工作原理

LVDT測縫計(jì)如圖1,由不銹鋼外殼的電子倉、線圈倉和回彈式伸縮頭、電纜組成,其采用二線電流輸出,傳輸距離遠(yuǎn),便于自動化數(shù)據(jù)采集。當(dāng)伸縮頭發(fā)生軸向移動時(shí),改變了線圈電感量,通過電子轉(zhuǎn)換輸出相應(yīng)電流信號,當(dāng)位移量=0 mm時(shí),輸出電流=4 mA,當(dāng)位移量=10 mm時(shí),輸出電流=20 mA。

圖1 LVDY測縫計(jì)

測縫計(jì)主要技術(shù)指標(biāo)有：（1）供電電源：12 V ~24 V DC；（2）工作電流：二線4 mA~20 mA電流輸出型,供電電流4 mA~20 mA；（3）位移量程：0-10 mm （±5 mm）；（4）輸出信號：4 mA~20 mA；（5）線性誤差：0.25%；（6）工作溫度：-25℃~+85℃；（7）溫度系數(shù)：≤0.025%/℃ ；（8）外形尺寸：直徑20 mm,長度200 mm；（9）防護(hù)外殼：304不銹鋼,IP65。

1.2 二向測縫計(jì)結(jié)構(gòu)和工作原理

二向測縫計(jì)由左、右支架和X向、Y向位移傳感器組成,見圖2和圖3。左支架上裝有X向和Y向位移傳感器,安裝在壩段接縫左側(cè)；右支架為測點(diǎn)塊,安裝在接縫右側(cè)。支架和所有安裝螺絲為不銹鋼材料。

圖2 二向測縫計(jì)結(jié)構(gòu)

圖3 二向測縫計(jì)結(jié)構(gòu)

位移傳感器伸縮頭與測點(diǎn)塊之間保持彈性接觸,測量軸向位移；當(dāng)發(fā)生切向變形時(shí),兩者之間產(chǎn)生滑動,這種切向變形的位移量由另外一個(gè)垂直安裝的傳感器檢測。X向傳感器測量壩段接縫的開合度,開合度變大為正,反之為負(fù)。Y向傳感器測量壩段的上下游方向位移,向下游位移為正,反之為負(fù)。

1.3 二向測縫計(jì)安裝方法

1.3.1測縫計(jì)支架安裝

測縫計(jì)左右支架分別安裝在壩段接縫的左右兩側(cè),用不銹鋼膨脹螺絲固定,左右支架間距約10 mm。

廊道墻面不平整,測縫計(jì)支架設(shè)計(jì)有調(diào)節(jié)螺絲,調(diào)節(jié)X和Y方向水平和豎直,傾斜誤差＜0.5°。現(xiàn)場安裝圖見圖4。

圖4 現(xiàn)場安裝圖

1.3.2傳感器安裝

測縫計(jì)傳感器探頭是一種活動伸縮結(jié)構(gòu),配備專用安裝支架,將傳感器固定在測縫計(jì)支架上。傳感器探頭初始位移量設(shè)置為5 mm,留有±5 mm位移空間。

2 二向測縫計(jì)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

皎口水庫廊道內(nèi)共安裝19支二向測縫計(jì),由于儀器較多,選取5支儀器的監(jiān)測數(shù)據(jù)來做分析,由原始數(shù)據(jù)即可繪出壩體接縫變形時(shí)程圖,各測點(diǎn)變形隨時(shí)間過程線見圖5、圖6。說明：接縫變形時(shí)程圖中各個(gè)測點(diǎn)過程線是以主坐標(biāo)（左邊）對應(yīng),水庫水位是以副坐標(biāo)（右邊）對應(yīng)。

圖5 C6~C10壩體接縫左右岸向變形與庫水位變化時(shí)程圖

圖6 C6~C10壩體接縫上下游向變形與庫水位變化時(shí)程圖

從壩體接縫時(shí)程圖可知,在本次監(jiān)測歷時(shí)中,壩體接縫左右岸變形較上下游向大,說明壩體接縫主要是以左右岸向變形為主。總體而言,壩體接縫無論是左右岸向還是上下游向變幅都很小,并且變幅主要是周期性變化,永久性變形很小,無異常變形。

為了更清晰表述起見,對5 支儀器的特征值進(jìn)行分析,見表1、表2。

表1 壩體接縫C6~C10自動化監(jiān)測左右岸向數(shù)據(jù)特征值表單位：mm

表2 壩體接縫C6~C10自動化監(jiān)測上下游向數(shù)據(jù)特征值表單位：mm

從特征值表可知,各點(diǎn)的測值變化幅度很小,左右岸向測值在±1 mm范圍內(nèi)波動,上下案向測值在±0.5 mm范圍內(nèi)波動,各點(diǎn)的測值的方差也很小,遠(yuǎn)小于庫水位的方差,變形比較穩(wěn)定,未出現(xiàn)異常變形。

為了更進(jìn)一步了解二向測縫計(jì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性,對壩體接縫人工監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,皎口水庫人工觀測儀器采用的是型板式三向標(biāo)點(diǎn)測縫計(jì)。

同樣選取5 支自動化監(jiān)測儀器相對應(yīng)的人工觀測儀器的監(jiān)測數(shù)據(jù)來做分析,由原始數(shù)據(jù)即可繪出壩體接縫變形時(shí)程圖,各測點(diǎn)變形隨時(shí)間過程線見圖7、圖8。

圖7 6#~10#壩體接縫上下游向變形與庫水位變化時(shí)程圖

圖8 6#~10#壩體接縫左右岸向變形與庫水位變化時(shí)程圖

說明：接縫變形時(shí)程圖中各個(gè)測點(diǎn)過程線是以主坐標(biāo)（左邊）對應(yīng),水庫水位是以副坐標(biāo)（右邊）對應(yīng)。

從人工監(jiān)測壩體接縫時(shí)程圖可知,人工監(jiān)測變形無論是左右向或上下向的值均較小,各點(diǎn)的測值變化幅度很小,與庫水位的關(guān)系不明顯,測值無異常變化。

為了更清晰表述起見,對5支儀器的特征值做了分析,見表3、表4。

表3 壩體接縫6#~10#人工監(jiān)測上下游向數(shù)據(jù)特征值表單位：mm

表4 壩體接縫6#~10#人工監(jiān)測左右岸向數(shù)據(jù)特征值表單位：mm

從特征值表可知,各點(diǎn)的測值的方差很小,左右岸向測值在±1 mm范圍內(nèi)波動,上下案向測值在±0.5 mm范圍內(nèi)波動,變形比較穩(wěn)定,未出現(xiàn)異常變形。

通過自動化壩體接縫時(shí)程圖與人工監(jiān)測壩體接縫時(shí)程圖對比,可以發(fā)現(xiàn),兩者的觀測數(shù)據(jù)變化趨勢基本一致。

3 結(jié)語

壩體伸縮縫開合度從過程線變化來看：自動化監(jiān)測與人工觀測數(shù)據(jù)趨勢基本一致,變化幅度很小,測值在±1 mm范圍內(nèi)波動,根據(jù)《混凝土壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（SL 601-2013）規(guī)定,重力壩壩體水平位移測量精度≤±1 mm,說明大壩各壩段接縫處開合度在要求范圍內(nèi),壩體整體結(jié)合度良好。同時(shí)也說明基于LVDT的二向測縫計(jì)測值穩(wěn)定,精度滿足混凝土重力壩的變形監(jiān)測要求。此次該測縫計(jì)在實(shí)際工程中的成功使用為其在相似工程中的應(yīng)用提供了參考依據(jù)。