差動變壓器式測縫計在大壩變形監測中的應用分析

蔡天德，謝東輝，紀珍珍

（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

大壩安全監測系統是大壩重要的附屬設施,是監視大壩運行的耳目,它廣泛布置在大壩各個部位?；炷翂误w是混凝土重力壩的主要構筑物,為了方便施工及避免溫差影響,在壩體施工時一般采用分段澆筑形式進行,由此混凝土壩體上會不可避免進行分縫?；炷林亓蔚纳炜s縫是永久性的,是隨荷載、環境的變化而開合的,為了有效了解壩體的運行狀態,及時發現大壩存在的隱患及其發展趨勢,以便采取有效的工程或非工程措施保證大壩的安全運行,就需要對接縫的開合度進行監測,目前常用的觀測方法是在測點處埋設金屬標點或用測縫計進行［1］。皎口水庫的伸縮縫自動監測采用了二向測縫計,二向測縫計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,穩定性和防潮性好的特點［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,結合發電、養魚、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。壩段之間設伸縮縫,防滲墻部位由紫銅板、瀝青井、鋁板止水。壩體內設灌漿、排水、觀測廊道。

1 二向測縫計介紹

1.1 LVDT測縫計結構和工作原理

LVDT測縫計如圖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,便于自動化數據采集。當伸縮頭發生軸向移動時,改變了線圈電感量,通過電子轉換輸出相應電流信號,當位移量=0 mm時,輸出電流=4 mA,當位移量=10 mm時,輸出電流=20 mA。

圖1 LVDY測縫計

測縫計主要技術指標有：（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：≤0.025%/℃ ；（8）外形尺寸：直徑20 mm,長度200 mm；（9）防護外殼：304不銹鋼,IP65。

1.2 二向測縫計結構和工作原理

二向測縫計由左、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；右支架為測點塊,安裝在接縫右側。支架和所有安裝螺絲為不銹鋼材料。

圖2 二向測縫計結構

圖3 二向測縫計結構

位移傳感器伸縮頭與測點塊之間保持彈性接觸,測量軸向位移；當發生切向變形時,兩者之間產生滑動,這種切向變形的位移量由另外一個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。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。

1.3 二向測縫計安裝方法

1.3.1測縫計支架安裝

測縫計左右支架分別安裝在壩段接縫的左右兩側,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,測縫計支架設計有調節螺絲,調節X和Y方向水平和豎直,傾斜誤差＜0.5°。現場安裝圖見圖4。

圖4 現場安裝圖

1.3.2傳感器安裝

測縫計傳感器探頭是一種活動伸縮結構,配備專用安裝支架,將傳感器固定在測縫計支架上。傳感器探頭初始位移量設置為5 mm,留有±5 mm位移空間。

2 二向測縫計監測數據分析

皎口水庫廊道內共安裝19支二向測縫計,由于儀器較多,選取5支儀器的監測數據來做分析,由原始數據即可繪出壩體接縫變形時程圖,各測點變形隨時間過程線見圖5、圖6。說明：接縫變形時程圖中各個測點過程線是以主坐標（左邊）對應,水庫水位是以副坐標（右邊）對應。

圖5 C6~C10壩體接縫左右岸向變形與庫水位變化時程圖

圖6 C6~C10壩體接縫上下游向變形與庫水位變化時程圖

從壩體接縫時程圖可知,在本次監測歷時中,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?？傮w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 支儀器的特征值進行分析,見表1、表2。

表1 壩體接縫C6~C10自動化監測左右岸向數據特征值表單位：mm

表2 壩體接縫C6~C10自動化監測上下游向數據特征值表單位：mm

從特征值表可知,各點的測值變化幅度很小,左右岸向測值在±1 mm范圍內波動,上下案向測值在±0.5 mm范圍內波動,各點的測值的方差也很小,遠小于庫水位的方差,變形比較穩定,未出現異常變形。

為了更進一步了解二向測縫計監測數據的準確性和可靠性,對壩體接縫人工監測數據進行了分析,皎口水庫人工觀測儀器采用的是型板式三向標點測縫計。

同樣選取5 支自動化監測儀器相對應的人工觀測儀器的監測數據來做分析,由原始數據即可繪出壩體接縫變形時程圖,各測點變形隨時間過程線見圖7、圖8。

圖7 6#~10#壩體接縫上下游向變形與庫水位變化時程圖

圖8 6#~10#壩體接縫左右岸向變形與庫水位變化時程圖

說明：接縫變形時程圖中各個測點過程線是以主坐標（左邊）對應,水庫水位是以副坐標（右邊）對應。

從人工監測壩體接縫時程圖可知,人工監測變形無論是左右向或上下向的值均較小,各點的測值變化幅度很小,與庫水位的關系不明顯,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#人工監測上下游向數據特征值表單位：mm

表4 壩體接縫6#~10#人工監測左右岸向數據特征值表單位：mm

從特征值表可知,各點的測值的方差很小,左右岸向測值在±1 mm范圍內波動,上下案向測值在±0.5 mm范圍內波動,變形比較穩定,未出現異常變形。

通過自動化壩體接縫時程圖與人工監測壩體接縫時程圖對比,可以發現,兩者的觀測數據變化趨勢基本一致。

3 結語

壩體伸縮縫開合度從過程線變化來看：自動化監測與人工觀測數據趨勢基本一致,變化幅度很小,測值在±1 mm范圍內波動,根據《混凝土壩安全監測技術規范》（SL 601-2013）規定,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,壩體整體結合度良好。同時也說明基于LVDT的二向測縫計測值穩定,精度滿足混凝土重力壩的變形監測要求。此次該測縫計在實際工程中的成功使用為其在相似工程中的應用提供了參考依據。