高精度电水平尺棉花滩水电厂地下厂房桥机岩壁梁监测的应用

【摘 要】棉花滩水电站位于福建省永定县汀江干流棉花滩峡谷河段，拦河坝采用碾压砼重力坝，最大坝高为116M，电站装机600MW （4×15 MW），年发电量15.2亿Kw・h，厂房为地下厂房，水库正常蓄水位173m，水库相应库容20.35亿M3，国家重点建设项目。2001年12月四台机组相继建成投产发电。

【关键词】电水平尺;岩壁梁;监测;应用

1 概况

本监测专为棉花滩水电站发电厂房岩锚梁在发电机大修时，受起吊转子等工作荷载时垂直方向变形的自动化观测而实施。棉花滩水电站发电厂房的岩锚梁为钢筋混凝土结构，（单根）长126m，用锚杆固定在厂房两侧的岩壁上。沿梁的纵向在梁顶铺设桥机行走钢轨。桥机的额定起吊重量为500t，预计单次起吊的最大重量为370t（转子）。桥机的自重荷载、起重荷载以及行走时的冲击荷载最后均由该固定在厂房上下游侧岩壁上的岩壁梁来承担。配合2号发电机组大修吊运发电机转子（单个重量370t）时，对上下游两侧岩梁因受力而产生的垂直变形作与加载同步观测。结合从国外引进的高精度电水平尺的使用经验，使用基于电水平尺自动测量的岩壁梁垂直变形观测方法，并组织实施。

2 电水平尺和自动测量

2.1 电水平尺的工作原理和优点

电水平尺（EL Beam）是用于观测结构物微小的倾斜或结构物上指定两点间的高差（垂直变形差）的灵敏仪器。将一个电解质倾角传感器固定在一根刚性金属梁内就构成电水平尺。这种倾角传感器是一个精密的水泡式水准仪，由于水泡内安装有电极，所以能象电桥一样工作。电桥电路据传感器的倾角变化输出相应比例的电压信号。梁一般长2米，牢固安装在作为观测对象的结构物上。安装完毕后，将此倾角传感器初始位置调零，并锁定，然后就可以开始观测。当结构物发生倾斜时（或其上某两点的垂直位置发生变化时）会改变梁的倾角，梁两端的垂直位移差就是结构物（在观测范围内）的垂直变形。该垂直位移差可按公式L（sinq1- sinq0）计算得到，L是梁的长度，q1是现时倾角值，q0是初始倾角值。

优点：高分辨率、可靠的测量数据、安装简单、简单且牢固、遥控测读。

1）高分辨率：电水平尺能观测到小至1秒的倾角变化，相当于一根2米梁两端发生0.01mm的高差（垂直位移）变化。

2）可靠的测量数据：当电水平梁的长度确定后，其倾角的变化量就可简单且精确地换算成梁的毫米

级以下位移量，而与结构物本身的刚度无关。将多个电水平传感器梁首尾相连组成“尺链”，则能计算出并绘出垂直位移曲线。

2.2 技术指标

传感器：电解质倾角传感器;外型尺寸：长度2m ，横截面40x40 mm;量 程：±40分;

分辨率：配备合适的数据采集器可达1秒（角度），此数值相当于一根2米梁两端发生0.01mm的高差;

灵敏度：±1秒（0.005mm/m）;工作温度范围：-20至+50°C。

2.3 自动观测

电水平尺中的电解质倾斜传感器能根据倾角的变化输出相应比例的电压信号。将“尺链”上各个电解质倾斜传感器输出的信号均接到一台CR1000型数据自动采集器（图3）上，就可按设定的时间间隔（可调整的范围为几秒到几小时）对所有接入的传感器进行一次采样读数。每次采样读数所得的数据通过电缆直接从采集器输送到观测计算机中，在计算机内按预先设定的程序将电压信号换算成倾角角度，再根据尺体的长度（L）和尺的组合情况计算出并绘出垂直变形曲线。

3 基于电水平尺的岩壁梁垂直变形自动观测

3.1 电水平尺的布设

在长72m的岩壁梁上，按轨道铺设的范围，沿其纵向用首尾相接的布置方法布设36支每支2m长的电水平尺，形成一个长72m的“尺链”。采用图2（中）所示的计算方法，从尺链的一端（即岩壁梁的一个端点）出发，连续计算岩壁梁上每隔2m的共73个指定点的垂直位移，将这些数据连成一条曲线，就可得到读数时刻沿岩壁梁纵向连续分布的垂直变形曲线。上、下游岩壁梁采取相同的方法布置电水平尺。

3.2 自动观测系统的构成

安装在每根岩壁梁上的所有电水平尺的信号电缆汇集到就近的CR1000型数据自动采集器。数据自动采集器可按预先设定的循环读数时间间隔（1分钟）自动对所有接入的电水平尺进行一次读数，并记录在暂存区中。左右两根岩壁梁各使用一套CR1000型数据自动采集器。两套数据采集器各用一根RS232接口的电缆与一台观测计算机联接，以进行数据和指令的传送。观测计算机安放在吊装现场试验指挥席处。

下图岩壁梁垂直变形电水平尺自动观测系统的构造原理框图。

4 简要分析

将实验数据进行整理后，按照试验时间分别绘制出了变形曲线。

4.1 上游岩壁梁试验情况

共分8个时间点进行试验监测，分别出现变形曲线图，其中第四个时间点的曲线图如下：

结合荷载试验的过程和分析数据后可以认为：

（1）在桥机吊运过程中总体呈现下沉趋势;

（2）在转子下放荷载释放后变形有所反弹，短时有0.05mm的上抬趋势;

（3）在岩壁梁荷载完全释放，经过应力重新调整后，在观测区内有局部下沉，但量级上很小;

（4）吊运过程时，岩壁梁抵抗垂直荷载所致的变形的能力很强，因此相应的垂直变形很小。岩壁梁本身的构造及它与洞壁的联接形式是决定试验结果的主要因素，整体来看，岩壁梁的稳定性很好，在吊运转子过程中对其影响甚微，可以进行安全使用。

（5）由于选用了灵敏的电水平尺，并用“尺链”的布置形式和采用了自动读数等先进的仪器和方法，所以才能测得如此微小的变形和观测到变形的区域。

4.2 下游岩壁梁试验情况

共分8个时间点进行试验监测，分别出现变形曲线图，其中第四个时间点的曲线图如下：

同样下游岩壁梁在吊运过程中呈现相同的趋势，最终变形在0.12mm的范围内。

5 结论

根据岩壁梁设计要求及以往观测经验，本次实验说明岩壁梁在本次发电机大修时吊运转子是安全的，给安全生产带来保证。