静力水准系统在黄龙滩大坝变形监测中的应用

       静力水准系统是利用连通管原理，测量两点间或多点间相对高程变化的精密仪器，主要用于大坝、核电站、高层建筑、矿山、滑坡、桥梁等垂直位移和倾斜的监测。静力水准系统一般安装在被测物体等高的测墩上或被测物体墙壁等高线上，通常采用分布式模块化自动测量单元采集数据，通过有线或无线通讯与计算机连接，从而实现自动化观测。

       磁致伸缩式静力水准仪由主体容器、连通管、磁致伸缩液位传感器等部分组成。当仪器主体安装墩发生高程变化时，主体容器相对于位置产生液面变化，引起浮子的相对位置发生变化，通过测量装置测出液面的变化即可计算得出测点的相对沉陷。系统具有传递精度高、结构简单、仪器安装维修方便等优点。本文将对静力水准系统在黄龙滩大坝垂直位移监测中的实施做简要介绍，对试运行期自动化监测和人工监测数据进行初步分析，以检验该自动化监测系统的有效性和稳定性。

1.工程概况

       黄龙滩工程位于湖北省十堰市汉江支流堵河上，电站于1969 年10月动工兴建，1974 年3 元月下闸蓄水，总装机容量510MW，库存10.1亿m3。黄龙滩大坝是一座混凝土重力坝，坝顶高程252.0 m，坝顶宽20 m左右，最大坝高 107 m，坝顶全长 371 m。由右至左共分22个坝段，其中7-14坝段为溢流坝段。受当时技术条件限制，所设大坝安全监测项目不完善，主要有外部变形、渗流和内部观测等，均为人工观测。为实现大坝安全运行状况实时在线监测，全面掌握水工建筑物运行性态，2010 年底由某公司着手对黄龙滩大坝安全监测系统进行自动化改造。一期改造内容为大坝水平位移和垂直位移监测自动化，二期对大坝渗流监测进行自动化改造，并增设环境量、裂缝自动化监测项目。2011年9月，一期变形监测项目自动化改造完成，大坝垂直位移监测采用的是磁致伸缩式静力水准自动化监测仪器。

2.静力水准系统安装

2.1系统组成

       黄龙滩大坝静力水准系统分坝顶静力水准系统和182 m 观测廊道静力水准系统，共设 69 个测点，其中有1个转点，实际测点为68个，均与原人工垂直位移测点同断面对应布置。

       坝顶静力水准系统分为两条，采用上下游分别布设方案，这在国内同类型大坝垂直位移自动化监测中少有。其中下游侧静力水准仪随引张线仪共同敷设在下游电缆沟内，不影响坝面通行及美观；上游侧静力水准直接敷设在坝面靠近防浪墙的台阶上。沿上游侧防浪墙内侧有三到四层台阶，将第二层台阶挖开，挖开后将线缆槽架放置在内，地沟经过修整后再盖上轻型高强度复合盖板，方便以后维护。坝顶上游静力水准系统测点墩设计高程

252.65 m，坝顶下游静力水准系统测点墩设计高程251.754 m。

2.2系统安装

静力水准安装方法如下：

（1）施工时依据设计现场具体放样，按要求在测点处预埋安装部件，埋设三个平均分布的M8×40 螺杆。

（2）利用水准仪或水平管等仪器，检查各测墩顶面水平及高差是否满足要求。各仪器墩面的高差应小于5mm

（3）安装仪器底板。仪器底板必须安装牢固、水平，同一管路上的测点之间安装底板的高差不应大于5mm；检查测墩预埋钢板及三根安装仪器螺杆是否满足安装要求。

（4）将仪器钵体安装在测墩钢板上，调节螺杆螺丝使仪器表面水平及高程满足要求，仪器钵体应水平牢固。

（5）将静力水准管路与仪器连通，连接处稳固、密封。

（6）在管路中加入液体，加液时从一端开始，匀速加液，同时排出管路中的气泡，并用保温材料包裹管路。

（7）加液后，将浮子放入钵体内，并将仪器固定在钵体上。

（8）安装静力水准保护箱，以保护静力水准。

（9）将仪器电缆接入相应的测控单元。

（10）检查管路中是否有气泡，接头处是否漏液。

（11）将钵体内液面根据测值下降到适当位置，保证在其量程的中间位置。

（12）安装自动化传感器，并按接线约定连接信号线至数据采集单元。

3.系统标定运行

3.1系统准确性测试

       静力水准系统共分为三条管路，分别为坝顶上游静力水准、坝顶下游静力水准和182廊道静力水准。每条静力水准管道均使用标准10mm（20mm）厚度的不锈钢垫圈，单独进行管路实验并记录实验结果，对结果进行分析，检验连通管的连通性及自动化数据采集系统的准确性。静力水准仪连通性测试采用基点（可任意点或中间测点）垫高的方法，其过程为：

（1）垫高前进行逐点读取数据，记录读数A0；

（2）然后将基点（可任意点或中间测点）垫高，并准确记录垫高值H，一般为20mm；垫高后一般需要稳定2h左右，逐点读取数据，记录读数；

（3）分别对坝顶上游静力水准、坝顶

下游静力水准和182廊道静力水准进行管路实验。通过率定实验的数据，初步评价静力水准系统数据误差在允许的 0.12 mm以内，测值准确性能满足要求。坝顶及廊道的三条静力水准系统可以真实反映各坝段的垂直位移。

3.2系统运行情况

       黄龙潭大坝静力水准系统改造于2011年10月完成，同年11月投入试运行。自动化系统选用原人工几何水准观测工作机电作为上下游静力水准系统基准点，以11月人工观测值为自动化初始值。对大坝垂直位移变化情况进行自动化监测。由于前期土建施工及系统安装工作中对（坝顶）仪器安装了不锈钢保护箱，箱内壁敷设了10mm厚的保温材料，对电缆均覆盖了线槽，对孔洞进行了封堵等保护措施，各仪器都能够在坝顶、廊道的恶劣环境下连续工作。观测人员每天在市区监测中心机房即可采集查询到自动化监测数据。系统运行中存在的主要问题：个别仪器运行不稳定，经常性报“Error”故障，运行6个月以来，已更换2支支静力水准仪器，其中上下游线路各一支，占同类仪器总量2.8%。

4.试运行成果分析

       现以坝顶上下游静力水准系统为分析对象，对该自动化系统试运行半年监测资料进行分析。根据规范要求，分析方法采用人工比测法，通过两种不同观测方法来比较测值吻合程度，用来反映监测系统的精确度，验证监测系统的工作状态。

 4.1自动化与人工比测过程线分析

       黄龙滩大坝垂直位移人工监测一直采用自动安平精密水准仪，按照国家一二等水准测量规范，每月对大坝垂直位移进行几何水准观测。电监会大坝中心经对安全监测系统进行综合评价及长期资料分析认定：人工测量精度高、测量成果规律性强。因此可以将自动化监测成果与人工观测成果进行对比分析，判定自动化系统的规律性和准确性。

       过程线比较是通过取某测点相同时间、相同测次的自动化测值和人工测值，分别绘出自动化测量过程线和人工测值过程线，进行规律性和测值变化幅度的比较。由坝顶垂直位移分布图及重点坝段过程线可见：

（1）坝顶垂直位移分布图中，上下游人工与自动化测值接近，趋势同步，变位一致。

（2）自动化与人工测得的坝顶垂直位移变幅都基本呈现中间河床坝段较大，两侧岸坡坝段较小的分布规律，这与坝段高度及坝体结构基本相应，符合重力坝变形特点。

（3）各测点同时段内（图中以 2012 年 1-4 月自动化观测为例）不同月份的垂直位移测值分布线中，3月的分布线位于最下方，1月分布线位于最上方，其余各月的分布线排列在两者之间，4月温度上升，坝体膨胀向上抬升。由此可见，由于坝体温度的滞后性，3月为全年最低温季节，坝体收缩向下沉降最大，这表明坝体垂直位移受温度影响较大。

（4）重点坝段测点位移过程线，人工与自动化同趋势、同变幅、规律性一致。

4.2自动化与人工比测方差分析

       坝顶上下游垂直位移自动化与人工最大、最小值接近，变幅一致；自动化与人工比测差值最大0.5mm，最小0.13mm，基本符合现场比测测试≤0.45 mm的评价标准，说明两者比测值吻合程度较高。

5.结语

通过对黄龙滩大坝垂直位移采用电容式静力水准仪进行自动化监测改造以及观测数据的简要分析，可总结出以下几点：

（1）试运行期监测数据连续性、周期性较好，无系统性偏移，能反映坝体垂直位移规律，而且能反映仪器自身运行状况。

（2）自动化采集的数据与对应时间的人工监测数据比较，变化规律基本一致，变幅相近，可认为自动化监测系统精度合格。

（3）系统人工比测指标分析，自动化与人工观测方差分析偏差小于规范允许的评价标准差，说明自动化与人工观测吻合程度较高。

（4）自动化监测系统维护很重要，尤其是对静水准来说，管路及液体的完好不渗漏关系着测量的准确性，另外温度对测量成果的影响也比较明显，因此要定期开展自动化监测系统的巡检和维护，同时做好人工与自动化比测工作，及时发现异常运行状况，进行分析及应对。