双金属标在潘家口大坝垂直位移中的应用

张云歧，李海星

（河北省迁西县海委引滦工程管理局，河北 唐山 064300）

1 工程概况

潘家口水库为大（1）型多年调节水库，主坝为混凝土低宽缝重力坝，最大坝高107.50 m，坝顶长1 039.11 m，共分56个坝段，自右至左分别为左岸挡水坝段、左溢流坝段、泄洪底孔坝段、右溢流坝段、电站坝段、右岸挡水坝段。主坝按千年一遇洪水设计，五千年一遇洪水校核，最大泄洪能力为56 200 m3/s。潘家口水库正常蓄水位▽222 m，最高蓄水位▽224.70 m，发电死水位▽180 m，坝顶高程▽230.50 m，总库容29.3亿m3。潘家口水库大坝1975年10月主体工程动工，至1985年基本竣工。

为保障潘家口水库大坝安全运行，建立一套功能齐全、稳定可靠、操作方便的自动安全监测系统，2015年对潘家口水库大坝原有安全监测系统进行了全面、系统的改造。改造项目内容包括水平及垂直位移、倾斜、接缝、应力应变、渗流、环境量、地震等，其中水平位移和垂直位移是水库大坝变形观测的主要内容，是大坝安全监测中的必设项目之一，可以直观地反映大坝的工作状况。潘家口大坝水平位移采用引张线加垂线方式测量，垂直位移观测采用真空激光或静力水准方式进行测量，真空激光与静力水准均需要设双金属标测点作为工作基点，实现自动化监测。因此，双金属标观测数据是否准确，对整个大坝的垂直位移正常监测起着十分重要的作用。

2 高程传递的重要性

潘家口大坝垂直位移测点的位移值是由基准点的位移和测点相对基准点的位移两部分组成的。基准点位移测值的精度直接影响测点的位移值精度。2015年潘家口大坝安全监测自动化系统改造中是利用激光准直系统和静力水准进行垂直位移观测的，这样就需要将高程传递到各基准点，高程传递的精度直接影响垂直位移测点的观测精度，高程传递方法成功决定了观测数据是否准确，对整个垂直位移系统起着举足轻重的作用。

3 潘家口大坝安全监测自动化高程传递方法

3.1 竖直传高

基本原理是采用标准尺测定竖直高度（高差），采用两种线膨胀系数相差较大的金属丝进行高差差分观测，测定其变化量，根据变化量求算各次高程传递时的竖直高度（高差），同时根据两种不同线膨胀系数的金属丝的变化差值进行温度修正。测值误差产生的来源有：①上下接测标志误差；②上下接测标志不铅直误差；③铟瓦带尺长误差；④高差直接丈量误差；⑤高差差分观测误差；⑥铟瓦带尺温度影响误差；⑦传递丝的温度改正影响误差；⑧传递丝徐变影响误差等。竖直传高优点是一般占用空间小，成本低。缺点是误差来源多，测量精度不易保障。

3.2 双金属管标传高

基本原理是将两种热膨胀系数不同的金属（如钢和铝）底端固定在一起，做成双金属标。由于钢的热膨胀系数比铝的大，当双金标温度变化时，在相同的环境下，钢的变形量大，铝的变形量小，通过测量这一差值来计算双金属标相对于根部的变化来求得双金属的绝对高程，作为测量或监测的稳定起点。由于不需要安置测温装置来测定温度，只需通过传感器测量得到两只管标的形变量，即可得到双金属标处大坝坝体的垂直位移，计算出高程。测值误差产生的来源有：①钢标的初始测值误差；②钢标本次测值误差；③铝标的初始测值误差；④铝标的本次测值误差。双金属管标优点是误差来源少，设备简便，测量精度易保障，缺点是一般情况下需钻孔，成本高。

3.3 潘家口大坝安全监测自动化系统高程传递

3.3.1 双金属标系统位置

为实现潘家口监测系统垂直位移监测及高程传递，设置了6套双金属标系统，布置在大坝14#、18#、42#、51#坝段。分别为：14#坝段2套（▽230.2～▽202.0、▽202.0～▽146.0）、18#坝段1套（▽154.0～▽96.0）、42#坝段1套（▽154.0～▽96.0）、51#坝段2套（▽230.2～▽202.0、▽202.0～▽160.0）。

3.3.2 双金属标传高安装方案

（1）在▽202廊道的14#坝段，新建1套双金属管标，将高程传递到▽202廊道，作为▽202廊道右端垂直位移监测工作基准点，再将高程传递到坝顶，作为坝顶右端垂直位移的校核工作基点；（2）在18#坝段的▽154廊道，新建1套双金属管标，作为▽154廊道的真空激光右端的垂直位移基点；（3）在42#坝段的▽154廊道，新建1套双金属管标，作为▽154廊道的真空激光左端的垂直位移基点；（4）在▽202廊道的51#坝段，新建1套双金属管标，将高程传递到▽202廊道，作为▽202廊道左端垂直位移监测工作基准点，再将高程传递到坝顶，作为坝顶左端垂直位移的校核工作基点。

3.3.3 双金属标传高改造方案

改造方案：原设计是在▽202廊道以下采用双金属管标，在▽202廊道以上采用竖直传高。考虑到竖直传高误差来源较多，测值精度不容易控制。经设计同意，结合现场实际情况在▽202廊道以上均采用倒装双金属管标，即顶部固定，底部安装仪器的方法。改造后18#、42#坝段高程传递方式不变，14#坝段及51#坝段传递方式如下：在▽202廊道的14#坝段，新建1套双金属管标，将高程传递到▽202廊道，作为▽202廊道右端垂直位移监测工作基准点，再建一套倒装的双金属标，将高程传递到坝顶，作为坝顶右端垂直位移的校核工作基点；在▽202廊道的51#坝段，新建1套双金属管标，将高程传递到▽202廊道，作为▽202廊道左端垂直位移监测工作基准点，再建一套倒装的双金属标，将高程传递到坝顶，作为坝顶左端垂直位移的校核工作基点。

改造施工：是在原垂线孔洞，充分利用垂线变化范围外有限空间，倒装双金属管标，在▽227高程测站将双标及保护管固定与坝体结为一体，在▽202高程测站将保护管固定，考虑到双金属管只有24 m，双金属管的安装及铅直度容易保证，将外保护管的直径由Φ168 mm改为Φ120 mm，减轻了重量，保证了双金属管标的稳定性，在▽202测站安装传感器，高程计算时对正倒装公式进行修正（双金属标倒装安装属于首例施工）。现场施工情况见下图1。

图1 ▽202廊道以上倒装双金属标改造施工图

4 监测资料分析情况

在2018年6月6日投入试运行后，按照《混凝土坝安全监测技术规范》的要求，测量频次为1次/d，初始双标仪为震弦式仪器，由于廊道运行环境异常潮湿，仪器部件有锈蚀现象，影响测量精度，于2019年5月后更换为电容式仪器。

选取2019年6月至2021年12月14#坝段SB14-2a测点的监测数据资料进行统计分析（倒装双金属标测值），分析成果表明：更换仪器后，倒装双金属标系统运行正常。从测值及过程线来看，测值反映了坝体的实际变化情况，符合混凝土坝的变化规律，见图2。通过测试、计算其测值中误差为±0.005 mm，则位移中误差为±0.02 mm完全达到了规范的要求（混凝土坝安全监测技术规范规定垂直位移位移量中误差限差值为：坝体±1.00 mm，坝基±0.30 mm）。说明双金属标系统的监测精度高，测值数据完整可靠。

图2 14#坝段▽202廊道以上倒装双金属标测值过程线图

5 结论

双金属标是大坝垂直位移监测中一种重要的测量装置，双金属标观测数据是否准确，对整个激光准直系统及静力水准系统的正常工作起着举足轻重的作用。潘家口大坝垂直位移监测中采用倒装双金属管标传递大坝高程已运行3 a，投入运行后正常，观测精度满足规范要求，稳定性好，故障低，测值数据完整，未出现因系统故障而引起的数据异常及观测中断。可见只要在施工中严格执行安装标准，选用高精度位移传感器实现高传，提高加工精度，测量精度是完全满足规范要求，该高程传递方法可推广应用。