浅谈引张线观测的布置与计算

田献文

一、工程基本情况

朱庄水库位于沙河市孔庄办事处朱庄村西，属滏阳河流域南澧河上游，控制流域面积1220km2，总库容4.162亿m3，是一座以防洪、工农业供水为主，发电、养殖为辅的大（II）型水利枢纽工程。该工程于1971年10月动工兴建， 1985年4月峻工验收。坝体为浆砌石砼重力坝，最大坝高95 m ,坝长544m。水库为百年设计，千年校核。

朱庄水库的水平位移观测，除坝顶采用视准线法及第七、第九、第十一、第十四2四个坝段安装垂线观测水平位移外，并在溢流坝（八、九、十坝段）及右岸非溢流坝（十一至十七1坝段）的廊道中，安装两条引张线观测水平位移。“引张线”法，是观测水平位移最简便、精度高的方法之一。因朱庄水库自建成至今已运行30多年，引张线及相关装置已损坏严重，需重新进行计算、布置。

二、引张线的布设

根据朱庄水库的地形条件和坝型，并且坝轴线又是折线形，坝体内廊道分为上下几层并不是平直贯通的。因此，不能用一条引张线观测整个坝 体的水平位移。根据坝体内廊道布设情况，分别在溢流坝段229.413廊道内及右岸非溢流坝244.0廊道内，共布置了两条引张线，以观测（八至十七1）十四个坝段的水平位移。

两条引张线的长度分别为：溢流坝段自桩号0+246至0+370长124m,测点布设在下游面廊道壁，右岸非溢流坝自桩号0+368至0+573.5长205.5m,测点布设在上游面廊道壁，悬线高度距廊道底1.1m。

引张线平行于坝轴线，在229.413廊道中的引张线位于坝轴线上2.65 m，由于溢流坝的坝段较长（每段36.75m或37.5m）,故每个坝段布置了两个测点，均设在永久缝附近，这样亦可观测坝段的扭转变位；在244廊道中的引张线位于坝轴线上7.25m,由于坝段较短（15～20m），故每个坝段布置了一个测点，均在坝段中。

三、引张线浮托装置的计算：

“引张线”是用一条不锈钢丝，两端施加张力使之引张为一条直线。但是，由于线段自重的作用，在立面上看，实际上为一悬链线，所谓“引张线”为一条直线，系指其水平投影而言，如图一所示。

图一

经验证明，引张线越长，垂径f值越大。为了减小引张线的垂径采用安装浮托装置的办法，以解决垂径过大的问题。加入浮托装置后，整个线段的水平投影仍为一直线，如图二。

图 二

1）悬垂线的垂径计算：

近似计算公式： （1）

式中：l 为线段长度，以m计；

g 为悬线单位重（kg/m）；

H 为水平张力，近似于锤重，以kg计。

朱庄水库的引张线，采用不锈钢丝φ为0.9毫米，悬线单位重g为0.005kg/m，锤重w是40kg，在没有浮托支撑情况下，两条引张线的总垂径分别为：

229.413廊道引张线 m；

224.0廊道引张线 m；

安装浮托装置后，各测点间的垂径计算成果如下表：

表一引张线加浮托后垂径计算表

注：244.0廊道中0+392至0+492之间有五个坝块，间距均为20m。

从上表可以看出，安装浮托装置后，溢流坝段各测点间垂径：减小到1cm左右，非溢流坝段各测点间垂径均在1cm以下，使引张线全段近似在同一高度上，大大提高了观测精度。

2）浮托装置的计算

浮托装置由水箱、浮船组成。浮船放置在水箱中，用以浮托不锈钢丝（如图三）。

当浮船中心偏离直线AB，势必产生垂直于AB线段的水平分力F，浮船克服水中阻力R，向线段AB位置浮动，而最后在一定位置上静止。

图 三

图 四

浮船偏离线段AB越小，所产生的水平分力F也越小，当浮船偏离AB线小至δ，使产生的水平分力F与浮船在水中阻力R相等时，浮船即自行静止，此时δ值可称为引张线的灵敏度。

浮船偏离AB线时，所产生的水平分力F，计算公式如下：

- - - - - （2）

式中：F1———为左边三角形ACC＇产生的水平力；

F2———为右边三角形BCC＇产生的水平力；

I———为偏离AB线的距离；

H———为引张线水平张力，即锤重。

设引张线在线段中间偏离距I= 1cm，F值的计算：

①229.413引张线，全线长124米，l1= l2=62m，H=40kg，F=40×0.01×=0.013kg当靠近端点A或B 10m处，偏离1cm时F=40×0.01=0.044kg

②224.0 引张线，全线长205.5米，l1= l2=102.75m，H=40kg，F=40×0.01=0.008kg当靠近端点A或B 10m处，偏离1cm时F=40×0.01=0.042kg

从以上计算可以看到，当偏离线段同一数值时，线段中间产生的水平分力为最小。也就是说，在引张线的中间段，只要用很小的力，就可使引张线移动，因此，应注意防风，以保证引张线静止。我们加装了管径为20cm的透明塑料管，保证引张线在管中移动无障碍。

浮船的大小（或船的排水量），主要依据引张线各测点间距与钢丝单位重量g而定，其次为引张线两端的张力，若忽略悬链线的弧长与l的微小之差，浮船的载荷G计算公式为：

G=g + 船自重 - - - - - - - - - -（3）

式中 l1 l2 及g意义同前。

以溢流坝引张线为例：l1≈10m，l2=30m

G=×0.005 + 船自重

=100g+船自重

设计浮船时，船的排水量要大于实际排水量的1.5倍，浮船必须高出水面，以1.5 ～2.0cm为宜。

船形，应考虑便于静止，并应尽量减小其阻力，以提高引张线的灵敏度。浮船头尾要对称，最好做成锐尖。材料要选用抗锈蚀材料，可用厚0.5mm铝板或厚0.25mm的镀锌板制做。

水箱，用防锈材料制作，水箱的大小、长宽要大于浮船长宽的一倍。高度H，应满足以下要求，即H=浮船吃水深h+a+b。a应大于3cm，b=2cm，水箱高应略低于观测墩上的标尺。

综上所述，引张线观测方法在加装浮托装置之后，观测精度大幅度提高，浮托装置的制作与安装对位移标点的观测起到至关重要的作用。应需注意以下几点：第一，钢丝的选取直径为0.9mm的不锈钢丝，不能过细，以免易损伤断线；第二，加设的保护管应使测线有充足的活动空间，管径应大于设计位移量的2-3倍；第三，浮托装置的间距不应超过30.0m,太长会使垂径大于1cm,大大地减小了观测精度。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。