引张线式水平位移计误差分析和观测方式研究

李召阳 刘晖 傅罗真

摘要：针对国内引张线式水平位移计一般采用的加卸载测量方式，和国外常采用的“常配重”测量方式之间存在的区别，文章从原材料特性、测量方式、摩擦力影响等方面分析了误差来源、误差影响程度以及不确定性，引入误差修正和减小误差的方法。结合某工程长期实测数据，验证了常配重测量方式同样可以取得准确的监测数据，在实际工程应用中，可结合现场具体情况选择合适的测量方式。

关键词：引张线式水平位移计；误差；长期观测；常配重测量

1 引言

引张线式水平位移计因其结构简单、长期稳定性好、测量精度高等特点，被广泛应用于土石坝位移观测。目前国内工程多采用 “加载-卸载”的测量方式，不测量时铟钢丝配重较测量时一般会减少50%。而国外认为，铟钢丝的徐变量非常小，“加载-卸载”的观测方式没有必要，长期配重满足测量要求即可，同时可以减少加卸载系统，提高系统的稳定性，降低系统造价。两种不同意见的主要分歧在于对测量系统误差来源及其影响程度的认识不同，本文对该问题进行总结分析，结合实测数据提出作者的看法及建议。

2误差来源及影响分析

2.1 材料特性。引张线式水平位移计通常选用不锈铟瓦钢丝作为引张线材料，其材料本身的某些特性会给整个测量装置带来误差。

2.1.2材料徐变特性。有国外权威机构对直径Ф2mm，长度200m，长期挂重100kg的不锈铟瓦钢丝进行长达5年的研究，得出以下结论：

1）铟钢丝徐变量的大小与载荷成正比，且无荷载下限；

2）铟钢丝的徐变变形随时间呈对数函数形式变化。第1年徐变量最为显著，徐变系数约为30×10-6，1年之后徐变量很小，徐变系数约为5×10-6。

直径为Ф2mm，长度200m的不锈铟瓦钢丝，长期配重100kg，第一年钢丝徐变量6mm，第2年到第5年平均徐变量1mm。钢丝位移计测量方式不论是否加卸载，铟钢丝徐变均不可消除，但采用加卸载测量方式可以减少钢丝徐变量带来的误差。

2.2 测量方式

2.2.1加卸载测量方式。加卸载测量方式是指系统测量过程中，将钢丝配重增加到预设重量，测量完成后，卸去部分配重。通常情况下，测量完成后的钢丝配重为测量时配重的50%。采用加卸载测量方式对钢丝配重进行加载卸载的过程，会使得钢丝荷载发生周期性变化。不同测量过程中的重复加载、卸载是引起系统重复性误差的主要原因。

文献[2]中指出，直径为Ф2mm，长度200m，满载重量100kg，卸载后荷载50kg的铟钢丝，由“加载-卸载”过程带来的重复性误差约为2mm。

2.2.2常配重测量方式。常配重测量方式是指系统测量过程中，钢丝配重保持预设重量不变。通常情况下，銦钢丝配重80～100kg。由于钢丝配重长期保持较高的水平，钢丝徐变量增加进程相对较快，如前文所述，该测量方式不会因加卸载过程造成重复性误差。

2.3 摩擦力和钢丝重叠。摩擦力影响大小与线体张力分布有关，钢丝重叠则会影响配重力矩的传递。根据引张线式钢丝水平位移计的结构特点，钢丝从锚固点位置开始，通过钢丝保护管内分线支撑机构，连接至观测房变径导轮上，在钢丝的移动过程中，摩擦力主要来自钢丝和分线支撑机构之间以及钢丝和变径导轮之间。因此，摩擦力影响大小主要分析钢丝张力分布对钢丝沿线支撑机构摩擦力的影响，以及钢丝和变径导轮间摩擦力对钢丝张力分布的影响。同时考虑钢丝重叠对力矩传递的影响，其主要来源于钢丝在导轮上的缠绕重叠及挂重钢丝在变径导轮上的重叠。

2.3.1 摩擦力对钢丝张力分布的影响。钢丝和变径导轮之间的摩擦力，会对钢丝两端张力分布产生影响，在钢丝和导轮产生相对运动的情况下，测点发生相对位移或者加载过程中，当测头向观测房方向移动过程中，钢丝张力因移动方向不同而不同，且随着钢丝缠绕圈数的增加，这种影响也随之增大。

2.3.2 张力分布对钢丝沿线支撑摩擦力的影响。在考虑钢丝自重以及摩擦力影响的前提下，其张力分布在钢丝沿线是不均匀的，通常情况下，靠近施力端张力要大于远端。在钢丝水平位移计系统中，钢丝固定端存在不确定运动工况，在固定端往不同方向运动时，其张力分布是变化的。

根据公式（2）（3）所示，钢丝线体在张力作用下克服摩擦力，使得线体垂度降低，张力竖直方向分量影响钢丝和支撑点之间的摩擦分布，且随着张力的增大而增大，但支撑点之间的相对运动会产生一定的相对沉降，甚至产生水平方向的相对位移，使得钢丝张力对摩擦力分布的影响无法准确量化。但在通常情况下，适当增大钢丝张力，会减小系统测量的误差，尽量减少配重钢丝的重叠可提高系统的测量精度。

2.4 误差影响综合分析。从上述分析来看，引张线式钢丝水平位移计测量误差主要来源为：钢丝材料特性、测量方式、摩擦力以及和钢丝张力间相互影响。从理论角度可分析几种因素的独立影响，但在实际应用中，几种因素对观测系统误差的影响同时存在，影响程度难以精确计算。

引张线钢丝因其材料的温度特性，温度引起的线体膨胀较小，但在温差较大的季节和地区，可采用公式（1）进行修正。

引张线钢丝徐变产生的误差是客观存在的，可以通过预挂重的方式，使钢丝快速完成较大徐变的过程，再用于工程应用中，可有效减少徐变量带来的误差影响。

“加载-卸载”的测量方式带来的重复性误差通常情况下不可避免，且难以准确量化，因此可改变测量方式来避免该误差的出现。

理论上可对摩擦力和线体张力之间影响进行分析计算，但实际应用中，摩擦力带来的线体应力状态的改变很难准确计算，只能做定性分析，可以通过减小线体和支撑之间的摩擦系数来减小摩擦力带来的影响。

一般情况下，配种钢丝在导轮上叠加缠绕会增大了钢丝间的摩擦，会对线体张力造成影响，应最大限度的减少配重钢丝的叠加缠绕。

3 实测数据

以下数据来源于某工程各长度铟钢丝实际监测数据，时间跨度2014年1月到2017年8月，历时3年半。采用常配重测量方式，设备安装时间2013年7月，实际投运时间2014年1月，铟钢丝配重100kg半年后投入使用。实际监测点共计40个，铟钢丝长度35m～220m，直径φ2，支撑点间距6m，常配重100kg。

实测数据可以看出，引张线式钢丝水平位移计测量数据和全站仪测量数据误差范围0.4mm～0.5mm，以全站仪数据为基准，可以认为常配重测量方式得到的数据是比较准确的。以下数据图形为不同长度钢丝的随机节选，其中测点09、10、11、14、21、29、35、40钢丝长度分别为：70m、220m、200m、130m、175m、150m、35m、50m。

4结束语

综上所述，本文就引张线式钢丝水平位移计系统得出如下结论和建议：

（1）温度影响因素突出的季节和地区，可对线体膨胀影响进行修正；（2）铟钢丝徐变量小，时间跨度长，对实际测值影响有限，可以采用预先配重预拉的方式来降低徐变量的影响程度；（3）配重钢丝導轮上设置导槽，最大限度减少配重钢丝的重叠；（4）引张线体和支撑点间的摩擦对测量系统有一定的影响，但难以精确计算，可采用减少支撑点和钢丝间摩擦系数的方式减小误差影响。 （5）通过工程实践，常配重测量方式同样可得到准确可靠的监测数据，在实际工程应用中，可结合现场具体情况选择合适的测量方式。

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（作者单位：南瑞集团（国网电力科学研究院）有限公司1

国网新源水电有限公司富春江水力发电厂2）