无浮托引张线在葛洲坝大坝变形监测中的应用

赵振军，涂圆圆

(中国长江电力股份有限公司，湖北 宜昌 443002)

变形是大坝结构性状和安全状态最直观、最有效的反映，是大坝安全监测的主要内容之一[1]。引张线法是大坝变形监测的主要方法之一，传统引张线采用钢丝，受钢丝线体重量影响产生较大垂度，中间需布置浮托装置，称为浮托引张线法。这种方法需要人工补充浮液和调整线体高度，且线体易受浮液的黏性影响，线体灵敏度和测值精度不高。随着CFRP、DPRP等轻质高强新型复合材料的发展和应用，使无浮托引张线监测技术成为可能[2]。无浮托引张线技术即是采用新型复合材料线体作为引线线体，因线体质量较轻，因而可取消中间的浮托装置。

葛洲坝大坝共布置了15条引张线、266个测点、总长4 460多米。初期由于技术原因，引张线观测采用人工目视直读钢板尺进行观测，上世纪90年代中期开始对葛洲坝引张线逐步实施自动化改造。1994年，应用步进电机式引张线仪对EX14引张线进行了自动化改造；2002年，应用电容式引张线仪对EX13引张线进行了自动化改造；2003年至2009年，应用无浮托引张线及CCD光电式坐标仪对EX31、EX28、EXC、EX30、EX01、EX09、EX10、EX17共8条引张线进行了自动化改造[3]。

1 无浮托引张线原理

1.1 无浮托引张线悬链方程

图1为无浮托引张线示意图，设左右两端挂锤重量分别为M1和M2，线体单位长度重量为q，L为引张线长度，即两端点间水平距离(跨度)，f1、f2分别为左右端点线体的垂度，则理论推导表明，引张线长度L与挂锤重量M1和M2、线体单位长度重量q以及线体最大垂度f1和f2具有如下关系表达式，这也是无浮托引张线设计时使用的主要公式[4-5]。

图1 无浮托引张线受力示意图

若两端点位置高程相同，且挂锤重量M1=M2=M，则有f1=f2=f，L1=L2=L/2，于是上式可表示为

1.2 线体最大垂度与挂锤重量的关系及计算方法

引张线常用来监测坝体同一水平截面上的水平位移，如果引张线的垂度过大，监测不到同一高程上的位移，也无法在有限空间的廊道内安装。线体最大垂度是设计无浮托引张线的一个重要指标。

无浮托引张线采用DPRP复合材料线做线体，根据相关计算公式，引张线的长度L可超过500 m。因此，只要大坝廊道侧壁高度大于1 m(考虑到引张线遥测仪、保护箱等设备所需空间)，是可以实现500 m超长无浮托引张线系统的。

1.3 线体受拉变形的影响

DPRP复合材料线体DPRP具有质量轻(比重1.5 g/cm3)、抗拉强度高、线膨胀系数小(小于1×10-6/℃)等特点。根据相关公式，可计算得拉变形后线体的最大垂度值f=0.610 m，不考虑变形时，f=0.614 m，只有4 mm的差别，因此对L≤500 m的引张线，采用DPRP复合材料作线体时，可以不考虑受拉变形对最大垂度值的影响[4-5]。

2 葛洲坝大坝无浮托引张线自动化监测系统

2.1 运行监测资料分析

从2001年开始，在葛洲坝大坝研究采用无浮托引张线对原有引张线进行自动化改造，葛洲坝大坝无浮托引张线的研究与应用，经历了由短到长、分期实施的过程。2003年，建成长度为168.13 m的第1条无浮托引张线EX31；在EX31引张线成功运行后，2005年，建成长度为287.52 m的EX28无浮托引张线；2006年，为研究长度超过500 m的无浮托引张线性能，在葛洲坝二江泄水闸护坦新建了1条长度为509.34 m、5个测点、悬链线垂径332 mm的EXS无浮托引张线试验线；2009年，在葛洲坝大江电厂建立了长度为507.22 m、14个测点、悬链线垂径391 mm的EX17N无浮托引张线。至此，葛洲坝大坝已先后建立了长度168.13～509.34 m、悬链线垂径为50～391 mm的9条无浮托引张线。引张线仪为CCX02-2500光电式(CCD)单向坐标仪，共167台，探测达到精度0.02 mm。

选取二江电厂灌浆廊道EX09引张线，对更新改造后运行5年的监测数据进行分析。EX09引张线于2008年12月实施无浮托引张线改造，EX09引张线全长258.1 m，共20个测点，每个机组段3个测点。取1、4、7号机组段的EX0901、EX0909、EX0918三个代表性测点进行分析，图2为测点EX0901、EX0909、EX0918测值过程线，由图2可以看出：

1)过程线平滑，规律性较强，无明显的突变和尖点测值；

2)水平位移主要受温度的影响，水平位移呈较明显的年周期性变化，温度升高向上游位移，温度降低向下游位移，坝体呈弹性变化，约有1.5月左右的滞后。

图2 无浮托引张线测点EX0901、EX0909、EX0918水平位移过程线

2.2 无浮托式引张线自动化监测系统与人工观测资料成果对比分析

将2000年以前的人工观测值和2009年实现无浮托式引张线改造之后的测值过程线和回归模型进行对比分析。图3为测点EX0901、EX0909、EX0918测值过程线，图4为EX0918人工观测值数据模型分析残差、拟合值和实测值过程线，图5为EX0918自动化观测值数据模型分析残差、拟合值和实测值过程线。

1)从过程线可知：在2009年实现无浮托式引张线改造后的监测成果相比，过程线更光滑，周期性规律更强，周期性的峰值和谷值明晰，表明无浮托式引张线自动化观测精度更高。

2)从模型结果可知：人工测值模型的标准差均比自动化测值大，复相关系数比自动化测值小。自动化测值模型的拟合值与实测值的拟合度比人工测值模型好，模型的残差也小。

图3 测点EX0901、EX0909、EX0918水平位移过程线

图4 EX0918人工观测值数据模型分析残差、拟合值和实测值过程线

图5 EX0918自动化观测值数据模型分析残差、拟合值和实测值过程线

2.3 无浮托式引张线系统与步进电机式、电容式引张线系统对比分析

EX14引张线系统布置在二江泄水闸闸尾廊道内，自动化系统建于1994年，为步进电机式引张线仪。由于自动化仪器原生产厂家产品的更新换代，原有引张线仪、坐标仪及测控模块已停止生产，多数仪器设备无法运行，目前EX14引张线自动观测系统已停止运行，在2012年度改为人工观测。

EX13引张线位于二江泄水闸闸首廊道，于2001年10月进行自动化改造，该系统采用电容式坐标仪和引张线仪进行测量，2003年开始取自动化测值，到2008年底发现多数仪器存在零位漂移和灵敏度漂移，采集的数据有问题，该系统于2009年停止运行，恢复人工观测。

图6为EX14引张线部分测点测值过程线，图7为EX13引张线部分测点测值过程线，将图2与图6、图7对比可知：无浮托引张线过程线平滑，周期性规律强，观测精度高，系统运行可靠。

图6 EX14引张线部分测点测值过程线

图7 EX13引张线部分测点测值过程线

3 结 语

1)葛洲坝大坝无浮托引张线自动化监测系统从2003年建成的第一条无浮托引张线EX31运行至今，最长已运行近10年，最短也运行5年时间，运行期间系统稳定，数据采集及时，测值可靠，数据精度高，改变了传统引张线系统依靠人工观测、效率低、测值精度差、维护任务重等问题。

2)与人工观测数据对比，无浮托引张线系统真实反映了葛洲坝大坝基础变形，大大提高了葛洲坝大坝引张线观测系统自动化程度，为及时了解大坝的运行性态和发展趋势，及时发现隐患，及时评估工程的安全状况和及时作出安全状况评价提供了可靠依据。

3)葛洲坝大坝无浮托引张线自动化监测系统的实施和应用，为无浮托引张线系统的广泛应用积累了宝贵的实际运行经验，在大坝安全监测领域中具有良好的借鉴意义。