水布垭水电站面板挠度监测方法比较

2013-10-20黎佛林蔡德所

水力发电 2013年1期

黎佛林，蔡德所，2，秦鹏，唐鑫

（1.三峡大学水利与环境学院，湖北宜昌 340033；2.广西壮族自治区水利厅，广西南宁 530023）

0 引言

随着振动碾压技术的提高，面板堆石坝在我国已成为主要比选或首选坝型[1]，特别是在金沙江、雅鲁藏布江等地形地质复杂、交通运输困难、缺乏防渗土料的西南地区具有巨大的发展空间[2]。面板堆石坝主要按分期堆石筑成，迎水面板可止水防渗。若面板变形过大，就会使面板产生裂缝，导致防渗系统破坏而大面积渗漏，危及大坝安全[3]。基于此，面板挠度监测就成为面板监测的重中之重。

面板挠度监测常规仪器主要使用倾斜仪，它适用于小变形测量，如果坝体变形超过一定限值，测试导管弯曲过大，倾斜仪探头就无法通过导管而使监测中断[4-5]。司洪洋指出倾斜仪监测高面板坝有一定的难度，体现在测斜仪的性能与测管的长度两方面[5]。袁培进、吴铭江指出以伺服加速度计作为传感元件的倾斜仪会不可避免地给测值带来较大的误差，若采用通常的垂向测斜仪显然是不行的。水布垭水电站采用了美国产固定式倾斜仪进行面板挠度监测。光纤陀螺仪（FOG）应用于面板挠度监测是在1999年，蔡德所等进行光纤陀螺监测面板挠度相关技术的理论、实验和工程应用研究[6]，并于2003年与中国航天科技集团上海光纤中心合作，将光纤陀螺首次用于思安江水电站面板堆石坝挠度监测。目前，该技术已连续应用于桂林思安江水电站、清江水布垭水电站、贵州董箐水电站的监测中。

1 水布垭水电站面板变形监测

水布垭水电站面板变形监测中使用了电解液倾斜仪和光纤陀螺仪，在面板长度最大断面0+212桩号铺设FOG测量轨道，同时在该断面上埋设了45支倾斜仪，监测仪器布置见图1。在这45支倾斜仪中，由于仪器自身和所处环境等原因，目前有21只能正常测量，各监测点的对应高程及其测量的标准偏差值（STDEV）见表1。

图1 水布垭水电站面板挠度监测仪器布置

表1 各监测点的对应高程及其测量的STDEV值

2 两种测斜仪测斜结果

以186 m高程这一关键点为例进行分析。因为开始测量时间不一致，为更好作比较，选取统一的时间（2007年3月）为基准点[7]。从2009年5月至2011年11月，光纤陀螺所测的各月平均挠度值=44.70 mm，倾斜仪测的各月平均挠度值=44.06 mm（以面板法向向下为正，反之为负）。该点各月监测值的相关系数R=0.055，说明两者几乎不存在相关性。两者的差异性检验见表2，三种检验方法的显著性水平值P均小于0.05。因此，两种测斜仪测斜结果存在显著性差异。

表2 倾斜仪与FOG的差异性参数检验

利用游程检验，倾斜仪的渐进显著性水平的双尾检验结果0.059≈0.05，陀螺仪检验结果0.000＜0.05，可认为面板挠度受因子影响特别显著。此外，近两年半来库水水位变化很小，因此，包括徐变在内的各作用因子还有待探究。

选择该点在2011年的监测结果进行分析，两种监测结果相关系数R=0.23（见图2），这说明两者联系不明显。从表1可知，除260、264 m和388 m高程外，电解液倾斜仪标准偏差系数远大于陀螺仪的标准偏差系数。若标准偏差越大，说明变化幅度越大，反之，其变幅越小。

图2 两种监测结果相关系数

从整个面板长度方向上分析监测结果。面板挠度年际变化选取2010年6月份与次年6月进行比较分析。2010年6月，倾斜仪与陀螺仪监测值变化趋势大致相同，都垂直面板向下（因倾斜仪TM01_1_8在面板长度89.44 m值为奇异点，经过插值处理），见图3。倾斜仪的点式测量不能准确反映面板挠度变形。倾斜仪在面板长度80～130 m、150～200 m区间挠度值监测结果在小范围波动，两端值较大，说明倾斜仪测值变化不连续具突变性。光纤陀螺仪监测值呈 “W”双谷形变化。

图3 2010年6月监测值比较

面板经过1年的变形，在2011年6月的测量值中可以发现，面板变形趋势与去年大概保持一致，见图4。但是从监测数据发现，倾斜仪测量值在面板长度40～70 m、210～300 m区段变化比较明显，最大变化值达到350 mm。FOG测量值在100～200 m区间变化较大，相对变化量约100 mm，其他区段相对稳定。综合分析，光纤陀螺仪更能准确反映大坝面板变形情况。

图4 2011年6月监测值比较

根据连续30个月的光纤陀螺仪面板挠度监测结果，对逐月测值进行成对样本检验，检验结果见表3。在2010年10月（序列16）后标准偏差和平均值的差值趋小，95%的置信区间的差异范围缩小，说明之后面板挠度值趋于相对稳定。

3 成果分析

从两种方法监测面板挠度的结果看，光纤陀螺与倾斜仪之间相关性低，陀螺仪测值变化稳定，而倾斜仪测值波动大。除少数点外，光纤陀螺测量值偏差系数远小于电解液倾斜仪。通过光纤陀螺仪的高灵敏度特性，连续的测量曲线更能反映面板的实际变形情况，根据光纤陀螺仪监测结论，面板挠度在2010年10月以后变化幅度趋小。

电解液倾斜仪克服了2.5 MPa以上的高水压环境。截至2010年，该桩号45支中有21支能读数，但TM01_1_8测值为奇异点，各月的测值曲线相互间波动较大。由表1可知，越靠近坝顶的电解液失效率越大，且2011年6月的监测曲线较上年整体反弹。因此，电解液倾斜仪在使用寿命和精度上有待改进。

表3 光纤陀螺仪各月测值的成对样本检验

最近研制的光纤陀螺测斜仪能用于环境更加复杂的输油管道中。该光纤陀螺连续测斜仪集惯性导航技术、光学技术、自动控制技术和计算机通信技术于一体，兼具常规连续测斜仪和机械陀螺测斜仪的优点[8]。莫文琴、姜德生等通过试验得出，光纤陀螺仪只需预设测量轨道，基准点容易确定（以起点为基准），能多点连续精确测量，且可对被测工程进行多次定期测量，基本满足工程测量的各项要求。