安全殼預應力環廊測量點傳統沉降測量方法的替代系統

摘" 要：在核電站安全殼服役過程中，安全殼在外界的作用下會產生沉降。通過布置構建筑物沉降測量系統對安全殼沉降進行測量，以對傳統人工測量方法進行替代。選取安全殼整體打壓試驗期間，安全殼預應力環廊的沉降變化值作為測量對象，通過傳統人工測量方法、沉降測量系統相對照的方式，對沉降監測數據進行數值對比分析。結果表明，構建筑物沉降測量系統在監測過程中，監測的預應力環廊的高程數據隨試驗載荷成相關性變化，與人工測量數據趨勢相同，可對傳統測量方法進行替代，具有極好的應用推廣價值。

關鍵詞：核電站；安全殼；沉降測量；自動化測量；高程數據

中圖分類號：TU196.2" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）04-0020-04

Abstract： In the process of nuclear power plant containment service， the containment will settle under the action of the outside world. The containment settlement is measured by arranging the structural building settlement measurement system to replace the traditional manual measurement method. During the integral compression test of the containment， the settlement change value of the prestressed ring corridor of the containment is taken as the measurement object， and the settlement monitoring data are compared and analyzed by comparing the traditional manual measurement method and the settlement measurement system. The results show that in the monitoring process of the structural building settlement measurement system， the elevation data of the monitored prestressed ring corridor changes in correlation with the test load， which is the same as the manual measurement data， and can replace the traditional measurement methods， with excellent value of application and popularization.

Keywords： nuclear power plant; containment; settlement survey; automatic survey; elevation data

安全殼是核電站反應堆的重要組成部分，由預應力混凝土制成，其功能是保護堆芯不受外界作用的影響，防止核燃料熔毀工況下放射性的泄漏。自20世紀70年代以來，核電站建設單位不斷升級安全殼設計，采用更加堅固的結構以降低安全殼失效概率，實現核電廠安全性的提升。

安全殼結構的失效將破壞反應堆完整性，造成放射性向環境中外泄的嚴重后果，為避免此情況的發生，核電廠運營方必須在反應堆的整個壽命周期內，定期對安全殼的結構進行檢測，對其適用性進行評估，確保核電廠安全穩定運行。

電廠運營方對安全殼結構進行檢測的項目包含結構形變參數監測。在結構形變參數監測中，預應力環廊測量點沉降變形量是一項非常重要的指標，該指標的快速測量和精準監測具有十分重要的意義。

本文從預應力環廊測量點沉降變形量傳統測量方法的測量局限性出發，對具有沉降變形自動測量功能的構建筑物沉降測量系統進行介紹，并結合某核電站安全殼整體打壓試驗期間預應力環廊的沉降測量實例進行分析。

1" 預應力環廊測量點傳統沉降測量過程

預應力環廊測量點沉降變形量與安全殼的沉降量息息相關。安全殼作為大型建筑物，沉降量一般較小，在測量過程中，需要應用很精密的儀器，嚴格按觀測周期進行監測，確保監測在允許的觀測誤差內進行，以達到沉降測量的目的[1]。

預應力環廊測量點沉降量的傳統測量方法和以往工程沉降監測相同，依靠傳統的光學水準測量，并采用等級水準的測量方式。該方法的觀測過程較為復雜，而且存在多人協作、效率低、成本高等問題[2]。人工往返測量觀測，耗時、耗力、作業時間長，每個測段都需要大量人力進行獨立測量，并且為保證精度，還需要考慮時間、氣候、環境等的影響，嚴重制約了測量的進度和效果，同時測量結果不能實時上傳，導致結果滯后[3]。同時，傳統的測量方法需要累計大量的工程經驗和技術手段，監測周期較長，并且難以實現實時遠程監測，不能及時發現問題、消除隱患[4]。

2" 傳統沉降測量在安全殼整體打壓試驗中的局限性

安全殼作為核電站的第三道安全屏障，在服役的過程中，需要定期執行安全殼整體打壓試驗以驗證安全殼在失水事故下的密封性及結構強度。在安全殼整體打壓試驗中，需要在多個試驗壓力平臺，針對不同試驗載荷下安全殼的穹頂、筒體、底板、基礎等結構響應進行測量，并根據測量數據對安全殼抗失水事故的能力進行評估。

在安全殼整體打壓試驗中，安全殼在試驗載荷的作用下，在底板及筒體等結構位置產生變形，這些變形值存在變形量小、不易測量、數據瞬時變化不易捕捉的特點。傳統沉降監測方法在該工況的應用場景下，具有以下技術不足：①測量數據受到人為因素、儀器精度的影響較大，在被監測數據較小的情況下，這些影響極易影響監測結果；②測量過程耗時長，需要在試驗中停留壓力平臺以進行人工測量，影響試驗開展效率；③測量頻次很低，無法實現被測物的實時監測及監測數據趨勢分析；④高程傳遞使用鋼尺測量方法，鋼尺受溫度影響大，需要人工對鋼尺的溫度變形進行修正，計算復雜。

因此，在安全殼整體打壓試驗這類需要大量數據采集的過程中，傳統沉降測量過程具有很大局限性，需要采用其他方案獲取準確可靠的監測數據。

3" 構建筑物沉降測量系統的設置

隨著微電子技術、新型傳感器及網絡通信技術的發展，各種自動化監測系統在環境工程及重大建筑物中的應用十分廣泛，應力、變形、滲壓、滲流、應變、溫度等自動化監測技術也越來越成熟[5]。在安全殼的沉降監測過程中，引入自動化監測設備，構建應用于核電站的構建筑物沉降測量系統，以對需要大量數據采集場景下的傳統測量方案進行替代。

在構建筑物沉降測量系統的設置過程中，選取安全殼整體打壓試驗期間的安全殼預應力環廊的沉降變化值測量作為參考對象。延伸如下幾點技術需求：①在構建筑物沉降監測中減少人員作業量，采用高精度采集部件進行測量替代，降低人為因素、儀器精度對測量精度的影響；②當存在較大高差時，利用高精度傳感器實現高程測量值的精準傳遞，實現數據即時產生；③所有測量數據可實現實時監測，并可自動利用檢測數據進行趨勢分析。

依據技術需求，構建筑物沉降測量系統設置如下系統：沉降測量系統、高程傳遞系統、數據采集系統。

沉降測量系統：沉降測量系統在遠離構建筑物位置的穩定地基上設置基準點，在待測沉降點上設監測點，將變形測量裝置分別通過剛性連接方式，安裝在基準點0、監測點1至監測點n上。變形測量裝置間用柔性管道進行連接，內部在測量過程前注入液體，將液體充至適當高度后，利用振弦式測量原理，對液體液位進行測量，進而通過測量數據對監測點的高程變化值進行換算。以基準點0、監測點1為例，變形測量裝置安裝后，初始充入液體，依據伯努利原理裝置內的液體液面在同一水平面上，基準點 0、監測點1分別測得裝置內液面距內置振弦式傳感器起測點位置的距離為h0、h1。經過一段時間T1后的某一時刻t1，基準點0位置不變，監測點1發生沉降，沉降量為d1。因監測點1傳感器的位置發生改變，基準點0傳感器內的液體為保持液面在同一水平面，向監測點1傳感器流動。此時基準點 0、監測點1傳感器分別測得液面距傳感器起測點位置的距離為h0′、h1′，根據相對位置的幾何關系，可以得出

d1=（h1′-h1）-（h0′-h0）。

同理，可以得出當第n個監測點發生沉降時，沉降量的通式為

dn=（hn′-hn）-（h0′-h0）。

由此，只要測出初始安裝時刻，及后續任一時刻t1基準點0及各監測點液面到傳感器起測點位置的距離，即可得出監測點相對于基準點0在T1時段內的沉降量。若得出的數值為正值，說明該測點抬升了。由于沉降測量系統監測的沉降量是實時得到的，因而除可測量構建筑物的沉降值，還可實時換算沉降量變化速率，為構建筑物后續的老化評估提供依據。

高程傳遞系統：當測量位置存在較大高差時，需要采用高程傳遞方法將高程從一個水平面傳遞到另一個水平面。在預應力環廊測量點的測量中，預應力環廊待測點與穩定地基上的基準點存在將近6 m的高差，需要利用高程傳遞系統對垂直位移進行監測，這是聯系待測點和穩定地基基準點的一個重要紐帶，以達到統一高程測量基準的目的。高程傳遞系統由剛性長桿、位移傳感器及張緊結構構成。剛性長桿采用受溫度、張力影響小的材料，以減少外界因素影響，達到高程傳遞的目的。高精度位移傳感器為高程傳遞測量的重要結構，該結構通過螺紋連接于剛性長桿，剛性長桿極大程度縮短位移傳感器的量程，為位移傳感器高精度的配置提供條件。位移傳感器下端通過張緊結構與預應力環廊結構進行連接，張緊結構的設置可彌補剛性長桿長度與現場結構高度間的差值，使剛性長桿適用于多種工作場景，同時張緊結構也可調整位移傳感器初值，避免位移傳感器測量空行程，也可使位移傳感器工作于測量敏感區域。

高程傳遞系統在現場布置中通過剛性連接與被監測結構固定，當預應力環廊待測點與基準點間高差產生變化時，位移傳感器監測值隨之變化，實現兩者間高程的實時傳遞。

數據采集系統：數據采集系統內主要包含數據采集單元、數據處理存儲單元及指令發送單元。數據采集單元中包含供電部件、激振部件、測量部件，可對沉降測量系統內有源、無源傳感器提供激勵并進行信號采集。數據處理存儲單元將采集傳感器的數據信息進行存儲，進行可視化處理，以供現場作業人員在下位機進行即時數據查看、變化趨勢分析。指令發送單元接受上位機指令信號，進行編譯后向數據采集單元、數據處理存儲單元發送相關采集指令。數據采集系統與系統內的采集傳感器通過有線連接，將沉降測量系統及高程傳遞系統的位移信息定時傳遞至監控主機，采集系統具備數據云端功能，以便于數據分析人員遠程對測量信息進行監測及分析。

4" 構建筑物沉降測量系統在預應力環廊測量點現場應用的對比分析

4.1" 工程概況

某核電站預應力環廊位于安全殼下部，處于廠區基準面-12 m處，環廊高度2 m，寬度2 m，為環形結構，對應環廊的監測長度約為120 m。

4.2" 監測實施

2022年9月，采用構建筑物沉降測量系統對該電站安全殼整體打壓試驗期間的預應力環廊沉降進行監測。根據現場情況，在預應力環廊內每10 m處布設一個監測點，環廊內共計布設13個監測點，基準點0布設在遠離變形影響區域外的-6.7 m的廠房內，高程傳遞系統布置于預應力環廊洞口。監測點布設如圖1所示。在變形測量裝置的布置過程中，各裝置與結構采取剛性連接，以便即時跟蹤結構變形響應。高程傳遞系統上下兩端布置變形測量裝置，高程傳遞裝置下端的變形測量裝置作為預應力環廊內監測點的臨時基準點，臨時基準點的高程變化通過高程傳遞裝置進行傳遞。由于變形測量裝置存在通液管和通氣管，造成系統布設的軟管長度較長，為避免現場人員場地交叉作業影響現場監測，導致測量結果偏差，軟管在布置過程中采用了牢靠固定方式和保護方法。此外，在布置各測量裝置通信電纜的過程中，考慮了通信電纜標識、走線方向和屏蔽保護方式，以避免通信電纜連接錯誤及外界噪聲產生的信號干擾。在電纜布置的過程中，通過優化線路，最大程度遠離預應力環廊墻壁搭設供電電纜。

系統內各測量裝置傳感器安裝好后，利用手持式數據采集器對各傳感器數據進行調試采集，確認傳感器數據正常后，將通信電纜連接至數據采集系統，按照預設5 min采集1次的采集頻率對所接入的傳感器進行數據采集。采集數據采集后上傳至監控主機，主機內部配置顯示軟件實現預應力環廊沉降的在線監測。

4.3" 監測數據分析

在項目的整體實施過程中，構建筑物沉降測量系統運轉穩定，采集數據完整，采集頻次較人工測量存在大幅的提升。圖2為安全殼整體打壓試驗前系統監測數據，由監測數據可見，預應力環廊的高程監測數據最大變化值為0.02 mm，相關高程數據變化處于儀器采集正常波動范圍，各監測點的高程值基本不變，表明取得的監測數據連續可靠。

圖3為安全殼整體打壓試驗實施期間系統的監測數據。可以發現，自試驗開始后，預應力環廊的高程監測數據隨時間推移而上升，該表現原因為試驗期間試驗載荷不斷加大，安全殼受試驗載荷影響發生變形，預應力環廊隨之發生變形。在試驗后期，試驗載荷卸載，安全殼變形恢復，預應力環廊沉降監測數據隨之恢復。可以看到，在整體的監測過程中，預應力環廊的高程監測數據隨試驗載荷成相關性變化，測量結果可反應預應力環廊測量點在試驗期間發生的沉降。

4.4" 構建筑物沉降測量系統與人工沉降監測數據對比分析

為評估構建筑物沉降測量系統的測量準確性，在系統監測期間，采用傳統人工測量方法對預應力環廊進行同步監測，以便進行比較分析。對比兩方案的數據分析結果，人工監測數據與沉降測量系統對各監測點的監測數據都隨時間呈現相同變化趨勢，2種方法的監測數據的變化量基本一致。試驗期間，最大的變化量出現在安全殼整體打壓試驗最高壓力平臺的201監測點，測量結果為0.21 mm。

4.5" 系統應用過程的影響因素

因系統傳感器采集原理，構建筑物沉降測量系統在現場監測過程中，會受到氣壓、溫度、外界震動和液體蒸發等外界因素的影響。因預應力環廊為已竣工建筑的內部環境，且為地下結構，試驗溫度基本恒定，測量環境內無通風設施，各監測點間氣壓影響因素可忽略，同時安全殼整體打壓試驗監測時間短，也為降低外界因素影響提供條件。相比以往監測應用場景，構建筑物沉降測量系統在該工況下適用性更高，影響因素更少，但在應用過程應考慮作業期間其他作業人員對系統的誤碰風險，并采取相應保護提醒措施。

5" 結束語

基于某核電站預應力環廊測量結果，對比安全殼整體打壓試驗前及試驗期間構建筑物沉降測量系統的采集數據可知，在試驗前測量系統采集數據處于正常波動范圍，當試驗期間存在試驗載荷的情況下，采集數據最大變化值出現在試驗的最高壓力平臺，試驗載荷卸載，變化值恢復，構建筑物沉降測量系統的采集數據與試驗載荷呈現較強的相關性。

從構建筑物沉降測量系統的采集數據與人工方法的測量數據對比分析結果可以看出，兩者監測數據的結果趨勢保持一致。

結果表明，構建筑物沉降測量系統具有采集數據即時產生、監測數據量大、數據結果自動分析的特點，在核電站安全殼整體打壓試驗工況下，可對預應力環廊測量點測量過程中的傳統人工方法進行替代。同時，該系統在綜合考慮外界因素影響的情況下，可應用于核電站各類構建筑物沉降變形的日常監測，具有極好的應用推廣價值。

參考文獻：

[1] 鄭志勇，張光華.高大型建筑物沉降監測的方法及精度分析[J].地礦測繪，2005（3）：23-24.

[2] 李嘯嘯，張曉松.靜力水準系統在水工建筑物沉降監測中的應用[J].大壩與安全，2014（6）：62-65，71.

[3] 張訓虎，章磊，王曉奇.基于GPS的高速鐵路沉降觀測可行性研究[J].測繪通報，2014（10）：92-94，97.

[4] 陳龍浩，郭廣禮，朱曉峻，等.液體靜力水準儀變形監測精度分析[J].煤礦安全，2015，46（3）：201-204.

[5] 賀麗娟.自動化監測系統在高速鐵路線下工程變形中的應用[J].自動化與儀器儀表，2015（9）：42-43.