堆石坝液压沉降监测系统的温度修正研究.pdf

西北 水 电 2 0 1 1 年 增 刊 1 1 9 文章编号 1 0 0 6 --2 6 1 0 2 0 1 1 J S 1 - _ o l 1 9 0 4 堆石坝液压沉 降监测 系统 的温度修 正研 究 郑庆尧 ， 张亚丽 ， 张利军 ， 贡保臣 ， 江少刚 1 ．北京 市大兴城镇建设开发集团有限公 司， 北京1 0 2 6 0 0 ； 2 ． 北京勘测设计研究院， 北京 1 0 0 0 2 4； 3 ． 北京木联能X - 程科技有限公 司， 北京 1 0 0 1 2 0 摘要 通过对液压沉降监测系统监测数据的分析， 找到了造成观测沉降量波动的关键因素， 并提出了相应的处理措 施 ， 提高了液压沉降监测系统对环境温度变化的适应能力 ， 便于堆石坝内部沉降的自动化观测。对同类型数据分析 整理和坝内自动化沉降监测仪器研制生产具有借鉴意义。 关键词 堆石坝； 液压式沉降仪； 温度修正系数 ； 渗压计； 误差 中图分类号 T V 6 9 8 ． 1 文献标 识码 A S t udy o n t he t e mpe r a t ur e c o r r e c t i o n o f hy dr a ul i c s e t t l e me n t mon i t o r i ng s y s t e m o f r o c k fil l d a m Z H E N G Q i n g y a o ， Z H A N G Y a - l i ， Z H A N G L i - j u n ， G O N G B a o - c h e n ， J I A N G S h a o - g a n g 1 ． B e i j i n g D a x i n g U r b a n C o n s t r u c t i o n D e v e l o p m e n t G r o u p C o ． ， L t d ． ， B e i j i n g 1 0 2 6 0 0 ， C h i n a ； 2 ． H y d r o c h i n a B e ij i n g E n g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n ， C H E C C ， B e i j i n g 1 0 1X E 4 ， C h i n a ； 3 ． B e i j i n g Mi l l e n n i u m E n gi n e e r i n g T e c h n o l o g y C o ． ， L t d ． ， B e r i n g 1 0 0 1 2 0 ， C h i n a Ab s t r a c t T h r o u g h t h e a n a l y s i s o n t h e mo n i t o r i n g d a t a o f h y d r a u l i c s e t t l e me n t mo n i t o r i n g s y s t e m ， t h e k e y f a c t o r s w h i c h c a u s e t h e fl u c t u a t i o n s o f s e t t l e me n t a r e d i s c o v e r e d a n d t h e c o r r e s p o n d i n g i mp r o v e me n t me a s u r e s a r e p r o p o s e d ，i mp r o v i n g t h e a d a p t a b i l i t y o f h y d r a u l i c s e t de me nt mo ni t o ring s y s t e m t o t he c ha ng e o f e n v i r o n me n t t e mp e r a t u r e S O a s t o r e a l i z e a u t o ma t i c mo n i t o rin g o f i n t e r nal s e t t l e me n t o f r o c k f i l l d a m．S u b s e q u e n t l y ，t h e s t u d y i s w i t h i mp o r t a n t s i g n i fi c a n c e f o r t h e s i mi l a r d a t a a n aly s i s a n d p r o c e s s i n g a s w e l l a s t h e r e s e a r c h a n d ma n u f a c t ur i n g o f a u t o ma t i c s e t t l e me n t mo n i t o r i n g d e v i c e s ． Ke y wo r d s Ro c k fi1 1 d a m ，Hy d r a ul i c s e t t l e me n t i n s t r u me nt ，Te mp e r a t u r e c o r r e c t i o n c oe ffi c i e n t ，Pi e z o me t e r，Er r o r 0 概 述 堆石 坝能充分利用 当地天然材料 ， 可适应不同 的地质条件 ， 施工方法 比较简便 ， 以其安全性 、 经济 性 、 适应性 ， 并能解决开挖堆渣问题 等优点 ， 在坝工 界很受重视 ， 在中国发展较快。坝体 内部沉降观测 是堆石坝安全监测 的一个重要监测项 目， 对 于评价 坝的填筑质量 、 计算大坝的沉降量 、 监测大坝运行状 态都很重要 。 堆石坝 内部沉 降观测 常用 的仪器有水管沉 降 仪 、 液压式沉降仪和沉降磁环等。水管式沉 降仪有 单管和双管 2种形式 ， 为实现 自动化观测 ， 用 电磁 阀 控制加液等操作 ， 并在观测端透 明管底部安装液压 传感器可实现 自动测凑。液压式沉降仪是在沉降测 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 8 - 2 6 作者简介 郑 庆尧 1 9 7 1 一 ， 男 ， 北京 市大兴 县人 ， 工 程师 ， 主要 从事岩土工程工作． 点处安装液压传感器 如 精密渗压计 ， 以进 、 出通 液管连接储液罐 ， 用传感器观测沉降测点处液体压 力的变化 ， 换算测点沉降 J 。由液压式沉降仪组成 的沉降监测系统 ， 应进行气压改正。在无成 功经验 可借鉴的情况下 ， 笔者结合某水 电站面板堆石坝的 工程实践 ， 分析影响液压沉 降监测系统精度 的相关 因素并提 出了解决方案 。 1 液压沉降监测系统的1 作原理 液压沉降监测系统 由布置在不同断面和高程的 液压式沉降仪组成。其原理是在坝内沉降测点处安 装高精度渗压计 ， 由进 、 回2根通液管给渗压计供液， 并将渗压计与固定在观测房的储液罐联通， 排出管路 内的气泡 ， 测读渗压计所受液体压强 的变化 ， 除以液 体的比重 ， 换算 出测点处相对于储液罐液面的液柱高 度变化 ， 来计算i 贝 相对于观测房 储液罐 的相对沉 降 ， 用外观方法测量观测房的绝对沉 降， 计算坝 内测 点的绝对沉降量。在观测房安装 同型号渗压计 ， 位置 与储液罐相对固定 ， 修正储液罐处气压及液面高度的 1 2 0 郑庆尧， 张亚丽， 张利军， 贡保 臣， 江少刚． 堆石坝液压沉降监测系统的温度修正研 究 变化。其工作原理如图 1 所示。 图 1 液压式 沉降仪工作原理示意图 按照 图 1 所示工作原理组装 的液压式沉降仪 ， 在工程实际应用 中发现 ， 经气压改正后 的观测沉降 量随时间的波动较大 ， 甚至影响到对 大坝 内部沉降 的判断。 2 系统误差分析及改进 大坝 内部沉降的计算 由 3部分组成 J ① 测点 处渗压计观i 贝 0 的测点沉降 P ． ， 由测读渗压计的频 率 、 温度变化计算得 到； ② 观测房处渗压计 观测 的 外界气压变化 和液 面变 化量 P 2 ， 由测读 气压计 作为气压改正 的渗压计 的频率 、 温度变化计算得 到 ； ③ 观测房 的绝对沉降 P ， 由外观精密水 准测 量或其它 自动化方法观测得到。总沉降量 P 可表 示为 PP1 一P 2P 3 1 无论作为沉降测点 的渗压计还是作为气压改正 的气压计 ， 均因所处周围环境温度的变化 ， 仪器也热 胀冷缩 ， 测值随温度的变化而变化 ， 所 以 P 】 ， P 中均 包含温度修正项 ， 即 P1 ．2△ P △ P 2 式中 △ P 为仪器 由于测点沉降或气压和液面变化 产生的水头增加量 ， m； △ P 为由于温度变化仪器应 变产生的水头测值变化 ， m。 △ P ， 可由仪器厂家提供 的线性系数计算 出来 。 现在着重对 △ P 进行分析 因金属是热的良导体 ， 外 界温度变化后 ， 经过一段时间， 仪器内部温度与外界 基本一致 ， 由于温度变化产生附加 的水头变化 ， 记为 A P 这一部分可由仪器厂家提供 的温度修正 系数 得到修正 。 观测房渗压计处在大气中， 气温是在不断变化 的 ， 或 当测点渗压计 的覆盖层较薄时 ， 渗压计处在温 度不断变化的环境 中， 仪器 内部和外壳的温度很难 同步。由于仪器 内外温度不一致产生的应变使渗压 计产生附加的观测水头 ， 记为 △ p 即 A P △ P △ P 3 如上所述 ， △ P 可 由仪器厂家提供 的温度修 正 系数计算和修正 ， 而 △ P 没有得到修正 ， 每次观测时 大气 的温度不同， 正是 由于 △ P 的存在 ， 使液压式沉 降仪观测的沉降量出现波动。尤其当温度变化较快 或仪器外壳较厚时 ， △ P 产生的误差更大 ， 令观测数 据使用起来很不方便 。 为减小 △ P 误差 的影 响， 必须减小仪器 的内外 温差 ， 使渗压计 内外 的温度梯度尽可能的小。为此 ， 将渗压计置于保温隔热材料 中， 用反光锡纸包裹 ， 并 将气压计埋设于观测房的沙土坑 内， 在坑 四周做防 水层 ， 将沙土人工夯实并在坑 内浇适量的水 ， 坑 口用 混凝土覆盖 ， 提高沙土的比热容 ， 如图2所示 。 图 2 液 压式 沉 降 仪 改 进 示 意 图 经改进后 ， 液压沉降监 0 系统工作状态稳定 ， 短 期波动基本消除 ， 经 2个温度周期 2 3 的监测对比 分析发现， 沉降监测曲线以年为单位呈周期性波动。 4 温度修正系数分析及处理 经过式 1 ～ 3 的分析和技术改进 ， 基本解决 了短期无规律 的跳 动， 沉降过程线呈现为以年为周 期的波动 。从理论 上分析 ， 大坝 的沉降过程线应有 渐近线 ， 不应波动 J 。渗压计 的沉降通过观测频率 和温度 2个物理量计算 ， 函数表达式如下 P _ 厂 R g t 4 式中 P为渗压计所测的沉降量 ， m； k为钢弦的线性 系数 ， m ／ F ． S ； O L 为温度修正系数 ， m ／ C； R为钢弦 的模数 ， 频率的平方除以 1 0 0 0 F ． S ； t 为弦式精密渗 压计观测 的温度 ， 。 因工程现场条件所 限， 仪器安装埋设前一般用 充满水的压力容器率 定钢弦的线性 系数 ， 而温度 修正系数则直接采用厂家提供的数值 ， 所 以沉 降的 周期性波动很可能为 △ P 的周期性波动。为此 ， 对 式 4 求模数的偏导， 去除温度 的影响。 aP 一 ．O ff R 一 r 、 O R O R 、 通过式 5 和监测数据 ， 求 出气压变化 ， 进而计 西北 水 电 2 0 1 1年 增刊 1 2 1 算 出温度修正系数 ， 和厂家提供 的温度修 正系数 比 较 ， 来找出沉降波动的原因。 笔者作如下假设 ， 在大坝建成 4 a后 ， 大部分沉 降已完成 ， 在很短时问 1 个月 内坝 内沉降很小 ， 坝 内沉降测点反映的主要为气压和温度 的变化 ， 而坝 内温度场在短时间内基本恒定 ， 找 出坝 内测点观测 温度相同的未经气压改正的“ 沉降” ， 就是不受温度 修正系数影响的气压变化量 ， 用 同时段气压计观测 总变化量减去该变化 量的差除 以气压 计的温度变 化 ， 来推导气压计的综合温度修正系数。为此 ， 以其 中的～套液压式沉降仪 S S 2 1为例 ， 进行推导 。 液压式沉降仪 S S 2 1 位于 2 A号观测房 ， 有 5个 测点 S S 2 一 J ． 1 ～ S S 2 1 ～ 5 ， 对应的气压计编号 B 2 1 V S 0 3 0 4 ， 线性系数0 ． 0 5 1 8 8 0 0 k P a ／ F ， 国外厂商提供 的出厂钢弦温度修正系数0 ． 0 2 1 6 0 O 0 k P a ／ ℃ ， 换算 成水头为0 ． 0 0 5 2 9 1 8 n 1 ／ ， F ， 0 ． 0 0 2 2 0 3 2 n C。 【 。选取 的原始观测数值见表 1 ， 2 。 表 1 沉 降仪 S S 2 1 部 分观测数据表 3 83 3． 8 3 8 2 6． 4 3 8 2 4． 2 3 8 1 7． 1 3 8 4 0． 7 3 8 4 7 ．1 3 8 3 4． 5 2 0 0 7 0 5 2 7 3 8 3 4 ． 6 s s 2 1 3 v s o 2 9 6 表 2 气压计 B 2 1部分观测数据表 2 o o 7 0 4 3 0 2 o o 7 0 5 01 2 o o 7 0 5 0 2 3 8 8 8 ． 2 3 8 8 1 ． 2 3 8 7 9 ． 9 2 o o 7 0 5 0 3 3 8 9 3 ． 7 1 4． 6 I 4． 5 1 4． 6 l 5 ． 1 2 0 0 7 0 5 0 4 2 0 0 7 0 5 0 5 20 0 7 O 5 0 9 3 8 9 4． 2 3 8 9 4． o 3 8 9 7 ． 4 2 0 0 7 0 51 3 3 8 9 1 ． 9 1 5． 2 1 5． 1 1 6 ． 6 1 7 ． 0 3 9 1 5． 6 3 9 2 8 ． 8 3 9 2 4． 3 3 9 2 4． 3 表 3 气 压计 B 2 1仪器 外壳温度修正系数计算过程表 通过 5组沉降仪的观测数据及对应的气压计数 据 每组数据起始 日期为相对初 时值 ， 可以计算出 5个 B 2 - 1 气压计外壳温度修正系数 ， 然后将这 5个 “ 兮 兮 盯 ∞ 砌 砌 加 加 如 叭 “ 巧 ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ’。 1 2 2 郑庆 尧 ， 张 亚丽 ， 张利 军 ， 贡 保 臣， 江 少 刚． 堆石 坝液 压沉 降监 测 系统 的温度 修 正研 究 温度修正系数平均作为气压计 B 2 - 1的外壳修正系 数 ， 计算过程见表 3 。 通过表 3推导出气压计 B 2 1 V S 0 3 0 4 的综合 温度修正系数为 0 ． 0 4 9 4 7 5 m ／ C。用此方法推导其 它 5只气压计 的综合温 度修正系数 ， 汇总 在表 4 。 可看出推导的温度综合修正系数与国外厂商提供 的 温度修正系数相差很大 ， 坝 内沉降量 以年周期波动 的原因与厂家提供 的温度修正系数太小 、 不能完全 修正温度变化引起的渗压计应变有关。 表 4 气压计综合温 度修 正系数汇总表 平均值0 ． 0 0 5 3 0 5 5 0 ． 0 0 1 3 2 8 1 4 温度修正 系数率定 为了验证理论推导和得到较为准确气压计综合 温度修正系数 ， 便于在工程实践中应用 ， 并处理 以往 监测数据 ， 2 0 0 7年 6月在标准实验室内对气压计的 综合温度修正系数进行精确率定 ， 率定的气压计综 合温度修正系数汇总如表 5 。 毒 期 韵 ￡ 表 5 气压计综合温度修正 系数率定汇 总表 经与仪器厂家联系 ， 确认仪器的温度修正 系数 有出入。用率定的温度综合修正系数重新计算整理 改造后的数据 ， 数据的周期性波动消除， 沉降的过程 线如图 3， 已基本能反映大坝内部沉降的一般规律 。 5结语 1 液压式沉 降监测 系统便于实 现 自动化监 测 ， 测读人为误差影响小 ， 在工程应用成功经验较少 的情况下 ， 如观测结果计算数值异常 ， 可从仪器工作 环境 、 安装过程、 仪器结构 、 仪器参数 、 测读等方面着 手分析 ； 2 无论振弦式还是差阻式仪器， 在温度变化 较大的环境中应用时， 应考 虑温度变化对仪器的影 响 ， 尤其是温度变化较快时应注意内外温差 的影响； 3 在现场率定条件有限时 ， 对同批次的监测 仪器最好抽取一定数量进行温度修正系数的率定 。 图 3 液压式沉降仪 S S 2 1 沉 降量过程线 图 参考文献 [ 1 ] 杨柯 ， 顾淦臣． 鲁布革大坝原型观测资料分析 及安全评估专 家 系统的设计与实现 [ J ] ． 水力发 电 ， 1 9 9 7， 2 3 1 0 6 - 9 ． [ 2 ] 李岳军 ， 吴毅瑾 ， 何世海 ， 侯靖． 泰安抽水 蓄能电站上水 库工程 设计及施工技术特点 [ J ] ． 西北水 电， 2 0 0 6 ， 3 2 3 7 8 8 1 ， 8 3 ． [ 3 ] 贡保 臣 ， 刘 爱梅 ， 陆声鸿 ， 等． 堆石 坝 内部 沉降 观测方 法浅 析 [ J ] ． 水力发电 ， 2 0 0 5 ， 3 1 1 0 9 8 1 0 0 ． [ 4 ] 贡保 臣， 吴毅瑾 ， 沈义生．液 压式沉降仪工作 原理及改进 [ J ] ． 水力发 电， 2 0 0 8， 3 4 1 2 5 8 5 9 ． [ 5 ] 贡 保 臣 ， 何 晨．液 压 式沉 降仪 维 修改 进 综合 分 析 总结 报 告 [ R] ． 北京 北京木联能工程科技有限公 司 ， 2 0 0 8 ． 0 0 _ 8 0 0 0 0_ 8 0 0 0 _ ￡ 0 - 8 0 0 N 0 - 乙 0 - 8 0 0 N 0 _ l 0_ 8 0 0 N 0 _【 0 0 o - _【 _【 0 0 0 _ 0 _【 0 0 0 _ 6 0 0 0 0 ． ∞ 0 0 0 0 ． 卜 0 ． 卜 0 0 0 - 9 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 - ￡ 0 0 0 。 。 。 期 z o - l 。 。 。 日 0 - 乙 _【 _ 9 0 0 0 - I _【 ． 0 0 0 1 0一 - 9 0 0 0- 6 0 - 9 0 0 乙 0 I 8 0 ． 0 0 0 _ 9 0 0 0_ 9 0 _ 9 0 0 N 0 0 - 9 0 0 0 0 _ 9 0 0 0_ ￡ 0 _ 9 0 0 0 0 - 9 0 0 0- 1 0 - 9 0 0 0 一 0 0 N o - _I 一 0 0 0- 0_【 0 0 如 加 2 0