雙金屬標在潘家口大壩垂直位移中的應用

張云歧，李海星

（河北省遷西縣海委引灤工程管理局，河北 唐山 064300）

1 工程概況

潘家口水庫為大（1）型多年調節水庫，主壩為混凝土低寬縫重力壩，最大壩高107.50 m，壩頂長1 039.11 m，共分56個壩段，自右至左分別為左岸擋水壩段、左溢流壩段、泄洪底孔壩段、右溢流壩段、電站壩段、右岸擋水壩段。主壩按千年一遇洪水設計，五千年一遇洪水校核，最大泄洪能力為56 200 m3/s。潘家口水庫正常蓄水位▽222 m，最高蓄水位▽224.70 m，發電死水位▽180 m，壩頂高程▽230.50 m，總庫容29.3億m3。潘家口水庫大壩1975年10月主體工程動工，至1985年基本竣工。

為保障潘家口水庫大壩安全運行，建立一套功能齊全、穩定可靠、操作方便的自動安全監測系統，2015年對潘家口水庫大壩原有安全監測系統進行了全面、系統的改造。改造項目內容包括水平及垂直位移、傾斜、接縫、應力應變、滲流、環境量、地震等，其中水平位移和垂直位移是水庫大壩變形觀測的主要內容，是大壩安全監測中的必設項目之一，可以直觀地反映大壩的工作狀況。潘家口大壩水平位移采用引張線加垂線方式測量，垂直位移觀測采用真空激光或靜力水準方式進行測量，真空激光與靜力水準均需要設雙金屬標測點作為工作基點，實現自動化監測。因此，雙金屬標觀測數據是否準確，對整個大壩的垂直位移正常監測起著十分重要的作用。

2 高程傳遞的重要性

潘家口大壩垂直位移測點的位移值是由基準點的位移和測點相對基準點的位移兩部分組成的。基準點位移測值的精度直接影響測點的位移值精度。2015年潘家口大壩安全監測自動化系統改造中是利用激光準直系統和靜力水準進行垂直位移觀測的，這樣就需要將高程傳遞到各基準點，高程傳遞的精度直接影響垂直位移測點的觀測精度，高程傳遞方法成功決定了觀測數據是否準確，對整個垂直位移系統起著舉足輕重的作用。

3 潘家口大壩安全監測自動化高程傳遞方法

3.1 豎直傳高

基本原理是采用標準尺測定豎直高度（高差），采用兩種線膨脹系數相差較大的金屬絲進行高差差分觀測，測定其變化量，根據變化量求算各次高程傳遞時的豎直高度（高差），同時根據兩種不同線膨脹系數的金屬絲的變化差值進行溫度修正。測值誤差產生的來源有：①上下接測標志誤差；②上下接測標志不鉛直誤差；③銦瓦帶尺長誤差；④高差直接丈量誤差；⑤高差差分觀測誤差；⑥銦瓦帶尺溫度影響誤差；⑦傳遞絲的溫度改正影響誤差；⑧傳遞絲徐變影響誤差等。豎直傳高優點是一般占用空間小，成本低。缺點是誤差來源多，測量精度不易保障。

3.2 雙金屬管標傳高

基本原理是將兩種熱膨脹系數不同的金屬（如鋼和鋁）底端固定在一起，做成雙金屬標。由于鋼的熱膨脹系數比鋁的大，當雙金標溫度變化時，在相同的環境下，鋼的變形量大，鋁的變形量小，通過測量這一差值來計算雙金屬標相對于根部的變化來求得雙金屬的絕對高程，作為測量或監測的穩定起點。由于不需要安置測溫裝置來測定溫度，只需通過傳感器測量得到兩只管標的形變量，即可得到雙金屬標處大壩壩體的垂直位移，計算出高程。測值誤差產生的來源有：①鋼標的初始測值誤差；②鋼標本次測值誤差；③鋁標的初始測值誤差；④鋁標的本次測值誤差。雙金屬管標優點是誤差來源少，設備簡便，測量精度易保障，缺點是一般情況下需鉆孔，成本高。

3.3 潘家口大壩安全監測自動化系統高程傳遞

3.3.1 雙金屬標系統位置

為實現潘家口監測系統垂直位移監測及高程傳遞，設置了6套雙金屬標系統，布置在大壩14#、18#、42#、51#壩段。分別為：14#壩段2套（▽230.2～▽202.0、▽202.0～▽146.0）、18#壩段1套（▽154.0～▽96.0）、42#壩段1套（▽154.0～▽96.0）、51#壩段2套（▽230.2～▽202.0、▽202.0～▽160.0）。

3.3.2 雙金屬標傳高安裝方案

（1）在▽202廊道的14#壩段，新建1套雙金屬管標，將高程傳遞到▽202廊道，作為▽202廊道右端垂直位移監測工作基準點，再將高程傳遞到壩頂，作為壩頂右端垂直位移的校核工作基點；（2）在18#壩段的▽154廊道，新建1套雙金屬管標，作為▽154廊道的真空激光右端的垂直位移基點；（3）在42#壩段的▽154廊道，新建1套雙金屬管標，作為▽154廊道的真空激光左端的垂直位移基點；（4）在▽202廊道的51#壩段，新建1套雙金屬管標，將高程傳遞到▽202廊道，作為▽202廊道左端垂直位移監測工作基準點，再將高程傳遞到壩頂，作為壩頂左端垂直位移的校核工作基點。

3.3.3 雙金屬標傳高改造方案

改造方案：原設計是在▽202廊道以下采用雙金屬管標，在▽202廊道以上采用豎直傳高。考慮到豎直傳高誤差來源較多，測值精度不容易控制。經設計同意，結合現場實際情況在▽202廊道以上均采用倒裝雙金屬管標，即頂部固定，底部安裝儀器的方法。改造后18#、42#壩段高程傳遞方式不變，14#壩段及51#壩段傳遞方式如下：在▽202廊道的14#壩段，新建1套雙金屬管標，將高程傳遞到▽202廊道，作為▽202廊道右端垂直位移監測工作基準點，再建一套倒裝的雙金屬標，將高程傳遞到壩頂，作為壩頂右端垂直位移的校核工作基點；在▽202廊道的51#壩段，新建1套雙金屬管標，將高程傳遞到▽202廊道，作為▽202廊道左端垂直位移監測工作基準點，再建一套倒裝的雙金屬標，將高程傳遞到壩頂，作為壩頂左端垂直位移的校核工作基點。

改造施工：是在原垂線孔洞，充分利用垂線變化范圍外有限空間，倒裝雙金屬管標，在▽227高程測站將雙標及保護管固定與壩體結為一體，在▽202高程測站將保護管固定，考慮到雙金屬管只有24 m，雙金屬管的安裝及鉛直度容易保證，將外保護管的直徑由Φ168 mm改為Φ120 mm，減輕了重量，保證了雙金屬管標的穩定性，在▽202測站安裝傳感器，高程計算時對正倒裝公式進行修正（雙金屬標倒裝安裝屬于首例施工）。現場施工情況見下圖1。

圖1 ▽202廊道以上倒裝雙金屬標改造施工圖

4 監測資料分析情況

在2018年6月6日投入試運行后，按照《混凝土壩安全監測技術規范》的要求，測量頻次為1次/d，初始雙標儀為震弦式儀器，由于廊道運行環境異常潮濕，儀器部件有銹蝕現象，影響測量精度，于2019年5月后更換為電容式儀器。

選取2019年6月至2021年12月14#壩段SB14-2a測點的監測數據資料進行統計分析（倒裝雙金屬標測值），分析成果表明：更換儀器后，倒裝雙金屬標系統運行正常。從測值及過程線來看，測值反映了壩體的實際變化情況，符合混凝土壩的變化規律，見圖2。通過測試、計算其測值中誤差為±0.005 mm，則位移中誤差為±0.02 mm完全達到了規范的要求（混凝土壩安全監測技術規范規定垂直位移位移量中誤差限差值為：壩體±1.00 mm，壩基±0.30 mm）。說明雙金屬標系統的監測精度高，測值數據完整可靠。

圖2 14#壩段▽202廊道以上倒裝雙金屬標測值過程線圖

5 結論

雙金屬標是大壩垂直位移監測中一種重要的測量裝置，雙金屬標觀測數據是否準確，對整個激光準直系統及靜力水準系統的正常工作起著舉足輕重的作用。潘家口大壩垂直位移監測中采用倒裝雙金屬管標傳遞大壩高程已運行3 a，投入運行后正常，觀測精度滿足規范要求，穩定性好，故障低，測值數據完整，未出現因系統故障而引起的數據異常及觀測中斷。可見只要在施工中嚴格執行安裝標準，選用高精度位移傳感器實現高傳，提高加工精度，測量精度是完全滿足規范要求，該高程傳遞方法可推廣應用。