华北某坝静力水准系统运行异常原因分析及处理

华北某坝静力水准系统运行异常原因分析及处理
作者：周世虎；苏春荣；高彦国；赵利锋





       该坝为宽缝混凝土重力坝，1986年竣工，最大坝高52.8m。工程投入运行以来，发挥了很大的经济和社会效益。经过20余年的运行，原有的大坝观测项目，都存在不同程度的缺陷和问题。在水库除险加固工程中，对观测项目进行了完善或更新改造。2003年初，大坝安全监测自动化系统建设、调试完成并投入运行。在基础廊道内安装静力水准系统1套，对基础廊道主要坝段的垂直位移进行监测。在日常运行管理中，主要是通过查看单个测点的测值、编制月报表、年度资料整编等方法，来掌握系统运行状况。日常的分析方法一般只针对单个测点，有一定的局限性，只能看到表面问题，不容易发现深层次的问题和原因。本文全面分析了影响系统运行的各方面因素，逐个方面进行检查、分析、判断，找出导致系统运行异常的主要原因，并采取相应的处理措施，确保系统正常运行。

1、静力水准系统概况

1.1系统测点布置

       系统布设在基础廊道相对平坦的JL＿4～JL＿47坝段，根据廊道底板高低的不同将其分成6段。每个坝段设置一个测点，在廊道底板高差变化较大的JL＿18，JL＿27，JL＿33，JL＿38，JL＿43坝段，另外增设一台静力水准仪，作为各段之间的高程传递点，共安装了49台电容式静力水准仪。静力水准系统的工作基点设置在12号～13号坝段宽缝内，由伸入建基面30m 的一对双金属管标进行监测和校核，安装了2台电容式位移计。在进行自动化监测的同时，每月10号也进行坝基垂直位移的人工比测，按照国家一等精密水准测量精度要求进行施测，自动化和人工比测的成果，两者之间进行校核。

1.2测点成果计算

       整个系统的高程起算点为系统的工作基点（双金属标），所有测点的成果计算都以其为基准，逐个逐段进行推算。其中，JL＿18，JL＿27，JL＿33，JL＿38，JL＿43几个坝段，由于高差变化较大，属于系统各段之间的分界点，同时也是高程传递点。

双金属标的计算公式如下：△=(AC-BD)/(A-B)

式中：Δ 为双金属标的位移；A为铝标的线胀系数，为0．00024；B 为钢标的线胀系数，为0.000012；C为钢标的测值；D 为铝标的测值。

       得到双金属标的位移变化量Δ 以后，以此为基准来推算系统其他测点的位移值。其中：推算第１段测点的计算成果时，用到双金属标的结果；推算第２段测点的计算成果时，用到双金属标、JL＿38坝段中间传递点的结果；推算第３段测点的计算成果时，用到双金属标、JL＿18，JL＿27坝段中间传递点的结果。依此类推，最后一直推算至第6段的JL＿47为止。

2、静力水准系统运行状况

2.1系统运行情况

       系统数据每天采集 2 次，分 别 为 08:00 和20:00。将2003-2010年度系统各测点监测成果绘制过程线，通过对过程线图的检查，可以总结如下。

1）从测值过程线来看，静力水准监测项目的效果不好，虽然测点的位移变化量值不是太大，年变化幅度也不大，但是测值发生多次的突跳、突变，直观反映为测值过程线图形杂乱无章，几乎没有规律性可言。

2）在2003-2010年度内，其中比较明显的有4次突跳过程，分别为2004年12月、2005年8月、2006年6月和2007年11月，测值跳动的幅度约0.4-1.5mm。挑选其中的部分测点，记录相关测值过程线。

3）系统测点发生3次突跳以后，测点的测值至今没有恢复到正常值，测值始终向一个方向趋势性发展。到2010年为止，大部分测点的累计位移值为1.5-2mm，其中部分测点（例如JL＿9、JL＿20、JL＿41测点）的累计位移幅度较大，已经达到4-5mm。

4）自动化监测成果与人工观测成果之间的差值较大。挑选其中部分坝段的测点，进行自动化、人工测值比较，比较后的测值过程绘图。同一个坝段测点，自动化与人工差值较小的一般为0.5-1mm（例如9号、25号、40号测点），差值较大的为2-4mm（例如11号、13号、19号、37号、46号测点）。

2.2系统运行异常

1）由于静力水准系统处于主坝基础廊道内，廊道内常年气温保持在10℃左右，并且近些年水库的上游水位变化不大，因此温度和水位对其影响较小。

2）系统所有测点测值均发生多次突跳，完全不符合坝基垂直位移的变化规律。

3）水库主坝自建库以来已经运行20余年，根据坝体运行经验，坝基垂直位移已经处于稳定时期。大部分测点始终朝一个方向趋势性发展，不符合一般运行规律。

4）通过自动化与人工测值对比发现：人工观测值比较稳定，近些年始终在一个正常的小范围内波动，并未朝一个方向趋势性发展。因此可以判定静力水准系统测值不符合坝基运行规律。综合以上分析可以判定，整个静力水准系统运行异常。

3、系统运行异常原因分析

3.1现场检查

       通过仔细的现场检查，没有发现系统设备损坏、测点安装支架变位、连接管路损坏、液体渗漏等异常情况。因此可以确定并非外界环境因素造成系统运行异常。其中，2007年11月，进行过更换仪器基座固定卡片的施工，施工后测值发生向下突跳。由此可见，2007年11月的那次突跳过程，是由于更换仪器固定卡片的施工影响所致。但是其他的3次突跳过程，是其他原因所致。

3.2系统监测仪器、设备检查测试

       对系统的数据采集模块、监测仪器进行全面检查、测试，未发现仪器设备损坏。监测仪器自检正常，采集模块运行正常，能够进行正常的采集数据，没有数据报警。对机房控制中心的大坝安全监控软件、系统参数配置、数据库系统进行检查，软件系统运行正常、系统参数正确、数据库系统完整无误，未发现异常。因此可以确定并非仪器设备损坏或软件系统部分造成系统运行异常。

3.3工作基点检查

       静力水准系统的工作基点，为设置在JL＿12～JL＿13坝段宽缝内伸入建基面30m 的一个双金属管标，采用了2台电容式位移计，对其进行现场检查，未发现异常现象。为了便于对比分析，将2003-2010年度双金属标的自动化和人工监测成果绘制测值过程线。从双金属标自动化测值过程线来看，在此期间双金属标发生了多次突跳，分别为 2003 年 7月、2004年3月、2004年12月、2006年5月、2008年1月、2008年11月。其中，2004年12月、2006年5月的 2 次突跳幅度比较大，分别为 0.2mm 和0.3mm。而且，双金属标始终是向一个方向发展，测值反映其始终在向下位移，且位移幅度已经接近0.9mm。从双金属标人工测值过程线来看，人工测值一直比较稳定，测值始终在－0.20～0.20mm，并未发生突跳和趋势性发展变化。

       双金属标自动化测值逐渐远离人工测值，呈现一个方向发展的趋势性变化。同时发现，很大一部分静力水准测点的测值过程线，也有同样的趋势性变化，很显然是受其影响所致。综合以上分析可知，双金属标自动化监测仪器运行异常，必然产生一个系统性误差，引起静力水准系统测点的测值异常。因此初步分析判断为，双金属标监测仪器运行异常，是引起静力水准系统运行异常的一个重要因素。

4、处理措施

       自动化监测系统投入运行以来，在进行自动化监测的同时，每月10号也进行坝基垂直位移的人工比测。通过每次测量钢标、铝标之间的高差h，也可以得到钢标的位移变化值及高程值。从双金属标的人工观测结果来看，测值始终在－0.20～0.20mm，表示钢标位移变化量一直比较稳定。因此，可以用每月的人工测值代替双金属标自动化测值，进行静力水准系统的成果计算。将2003-2010年的静力水准成果，双金属标用对应的每月人工测值进行替换，重新进行最后成果计算。针对重新计算的成果，重新绘制测值过程线进行检查、分析，部分测点的测值过程记录。通过对测值过程线进行全面的检查、分析和判断，对于系统测点的测值异常类型进行分类和归纳，发现以下4种异常情况。

1）工作基点原因引起测点测值异常

       测点原测值异常，表现为向一个方向的趋势性变化。将双金属标用人工测值替换，重新进行成果计算以后，测点的测值恢复正常，位移变化在一个正常范围之内，和人工测值也基本一致。此类型的测点数目为16个，占测点总数的33%。2010年10月底，对运行异常的双金属标进行了更换，更换完成以后，双金属标自动化测值恢复正常，测值与人工比测值一致。

2）测点监测仪器本身运行异常

       将双金属标用人工测值替换，重新进行成果计算以后，测点的测值仍然异常，属于测点监测仪器本身运行异常所致。此类型的测点数目为6个，占测点总数的12%。

3）测点监测仪器后期运行异常

       将双金属标用人工测值替换，重新进行成果计算以后，运行初期头几年的测值恢复正常，说明运行初期的测值异常是由于双金属标异常所致。但是，后期几年的测值仍然异常，属于测点监测仪器后期运行异常所致。此类型的测点数目为6个，占测点总数的12%。

4）中间传递点原因引起测点测值异常

      将双金属标用人工测值替换，重新进行成果计算以后，运行初期头几年的测值恢复正常，说明运行初期的测值异常是由于双金属标异常所致。但是，后期几年的测值仍然异常，进一步分析发现，是由于中间传递点监测仪器运行异常所致，主要是27号坝段的中间传递点（JL1＿27、JL2＿27）后期运行异常所致。它的测值异常，直接导致其后的19个坝段测点的测值异常。此类型的测点数目为21个，占测点总数的43%。

5、结语

       通过以上的系统分析来看，大坝静力水准系统运行异常，不是单一的原因引起的，涉及几个方面的因素，而且原因比较复杂。其中：系统工作基点（双金属标）和中间传递点（27号坝段测点）运行异常是最主要的原因，这2个方面原因所涉及的测点共37个，所占比例达到76%。另外，个别测点的监测仪器运行异常，也是其中一个原因。有的是从开始投入运行就表现异常，有的是运行后期表现异常，所涉及的测点共12个，所占比例为24%。目前，对于运行异常的工作基点（双金属标）已经进行了更换，更换后其测值恢复正常，其影响得以消除。对于运行异常的中间传递点及其他个别测点的监测仪器，下一步需要继续进行更换，以确保监测成果的正确性，保证整个静力水准系统的正常运行。






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