韩启民

(辽宁省观音阁水库管理局，辽宁本溪 117100)

1 工程概况

观音阁水库位于太子河干流上，是以城市供水和防洪为主，兼顾灌溉、发电和养鱼的大(1)型水利枢纽工程。水库控制流域面积2795km2，总库容21.68亿m3。碾压式混凝土重力拦河坝长1040m，分为65个坝段，最大坝高82m，坝后式电站总装机2.075万kW。大坝1～42号坝段设有上、中、下三层廊道，上、中层为观测廊道，断面尺寸(宽×高)为1.5m×2.2m。因溢流坝段堰顶低于两侧的挡水坝段22.3m，上层廊道拆分为三段成“凹”字形布置，即:1～15号坝段，高程260.5m;14～29号坝段，高程244.7m;28～42号坝段，高程260.5m。中间段通过设于15号、28号坝段的旋转楼梯衔接两端。因为水工结构的特殊性，上层廊道安装的差动变压器式静力水准系统亦分为三段，用以监测坝顶的垂直位移。

2 静力水准的工作原理

静力水准仪是利用连通器的原理，通过连通管将多支监测点的储液罐连接在一起，基准点置于一个可忽略其自身沉降、垂直位移相对恒定的固定点处，其他监测点置于高程大致相同的不同位置。安装完成并贮满适宜的液体，通过液体自流使全部储液罐的液面始终保持在同一水平面。当某一个监测点相对于基准点发生升降时，将引起该测点液面的上升或下降。通过测量液位的变化，了解被测点相对基准点的升降变形，最后由沉降公式计算出监测点的实际沉降量。

观音阁水库静力水准系统采用结构简单、无摩擦阻力、传递精度高、非接触测量形式的差动变压器式传感器。储液罐内灌注主要成分为水、酒精、乙二醇、缓蚀剂及多种表面活性剂的玻璃水，防冻、防霉、抗静电、易流动，提高并保证了系统的可靠性。当监测点产生垂直位移时，储液罐内液体变位引起装有铁芯的浮子与固定在容器顶的两组线圈间的相对位置改变，最终通过测量装置测出的电压变化计算得到监测点的相对沉陷。

3 高程传递的引入

3.1 引入高程传递的客观条件

观音阁水库1～42号坝段上层廊道每一坝段安装一个静力水准仪，通过连通器管道联通，每段增设一个校准装置，共计45个。双金属标基准点设在左岸灌浆隧洞内，深入基岩30m(本文表示为0号坝段)。上层廊道中段与两端存在15.8m的高差，按照传统的方法无法实现连通器全程联接。假使联接，14～29号坝段承受的压差将使静力水准仪不能正常工作。若分段安装，则由于14号坝段的断开，造成只有1～14号坝段能够量测绝对位移，剩余部分只能量测相对位移，不能量测绝对位移，这样不仅对分析成果造成影响，也违背了设计初衷。因此，当以0号坝段基准点为参照，实测各测点的位移变化时，如何解决上层廊道三个段落的高程联系，怎样进行高程传递，是实现坝顶垂直位移自动化监测不可绕过的关键问题。

3.2 高程传递概念

所谓高程传递，是指在某些特定的条件下，不能通视或无法利用常规水准测量方法直接测出高差很大、水平距离却很短的两点之间的高差，必须寻找其他方法代替精密水准测量，打破建筑物高差限制，进而实现高程精准传递。

3.3 高程传递常用方法及适用性

目前，在矿井、高层建筑中常用的高程传递方法主要有悬挂钢尺、GPS高程测量、全站仪垂直测高三种。经过比较分析，认为都不能应用于此:

a.悬挂钢尺能够准确改正各项影响因素，可靠性高，但必须人工现场测读，不能实现自动化。

b.GPS具有全天候特点，在廊道内却是毫无用武之地。

c.全站仪不受建筑物高度限制，精度较高、方便快捷，但同悬挂钢尺方法一样不能实现自动化。

经过反复的研究和论证，将广泛应用的双金属标介入高程传递体系，实现260.5m高程向244.7m高程的精准传递。

4 基于双金属标的高程传递介入静力水准系统

4.1 双金属标的特点和原理

双金属标是利用铝的线胀系数是钢的两倍这一物理特性、以固定点为参考点的长度测量装置。同心的保护管与钢管之间、钢管与铝管之间预留的空隙保证了钢、铝管的伸长、缩短不受影响。在重力的作用下，插在基础岩石中的管底部自然形成固定点。两个管子的相同部位处在同一个温度场中，在不受其他外力的作用下，温度是引起金属材料长度变化的唯一因素，测定轴线方向的变形量，即可求出温度改正量，从而扣除温度变化对于变形测量的影响。

双金属标处坝体的绝对变形量S的计算方法如下:

式中:SYS钢．cg1、SYS铝．cg1 是安装在钢管、铝管上的仪器测得的变形量。

4.2 双金属标介入静力水准系统原理

14号坝段和29号坝段是联通上、下两部分廊道的两个节点，分别处于260.5m高程和244.7m高程。在14号坝段和29号坝段分别安装双金属标，即可测出下层平面对上层平面的绝对位移。0号坝段基准点的绝对位移通过水准仪的量测、换算，得出14号坝段(上)的绝对位移。计算时加入双金属标传递值，则导出14号坝段(下)的绝对位移值。同理，可得到29号坝段(上)、(下)的绝对位移。

4.3 高程传递部分计算

14号坝段双金属标仪绝对位移为:S14#=2 SYS钢14#．cg1 － SYS铝14#．cg1

29号坝段双金属标仪绝对位移为:S29#=2 SYS钢29#．cg1 － SYS铝29#．cg1

a.对14号～29号坝段下层廊道(244.7m高程，下同):

JLi．cg2——第 i个静力水准测点的第二个成果，即该坝段的绝对位移，mm;

程，下同)处的绝对位移;

S14#——14#坝段双金属标仪绝对位移;

JLi．cg1——第 i个静力水准测点的第一个成果，即该坝段的相对位移，mm;

JLi．cg2——第 i个静力水准测点的第二个成果，即该坝段的绝对位移，mm;

S29#——29#坝段双金属标仪绝对位移;

JLi．cg1——第 i个静力水准测点的第一个成果，即该坝段的相对位移，mm。

4.4 高程传递过程中的误差问题

鉴于高程传递计算时不可避免地存在着累计误差，所以要求在测算的过程中，各测点位移计算值必须取同一时刻的观测数据，尽可能减少不必要的误差值。所有静力水准、双金属标仪基准值必须取同一时刻数据，当某一个测点没有测值时，应不计算绝对位移或根据前后原始观测数据内插后选用。

按上述计算无法避免累计误差，且29～42号坝段的累计误差最大:

按照误差传递理论:

29～42号坝段的沉降误差为0.39mm。

《国家一、二等水准测量规范》(GB/T 12897—2006)中规定:一等水准测量偶然中误差允许值0.45mm。《混凝土坝安全监测技术规范》(DL/T 5178—2003)中规定:坝顶垂直位移量中误差限值±1.0mm。29～42号坝段的沉降误差计算值满足规范要求，不影响监测精度。

4 结语

基于双金属标的高程传递技术良好地解决了观音阁水库上层廊道静力水准系统高程传递的“瓶颈”，使异形结构、不良工作环境下的坝顶垂直位移监测实现自动化监测成为可能，同时为材料的物理性能与水工监测理论结合提供了应用例证。■