红石大坝双金属标系统升级改造探讨

于春杨

松花江水力发电有限公司吉林白山发电厂 吉林 吉林 132001

摘要：双金属标在水利等重要建筑物变形监测中被广泛应用，是监测沉降位移的有效手段，具有简单易行，精度高等特点。是变形分析的重要指标。

关键词：监测;双金属标；升级

1 红石电厂安全监测系统现状

2011年监测系统改造后，改用新的自动化系统。监测自动化系统建成初期稳定性较好，可随着时间的推移系统故障率和可靠性低，数据缺失率高，对测值长期稳定性有影响，以致监测数据成果基本不可信，资料分析主要以人工监测数据为主。

2双金属标

双金属标主要布置在坝顶#0、#25坝段，基础廊道#19坝段，以及断层廊道#4、#7坝段。#19坝段的位移计为振弦式，其他坝段为磁致式位移计，共设置了5套双金属管标，观测点5处，位移传感器10支。

目前双金属标系统数据缺失严重，#19坝段双标标点及安装支架锈蚀严重，断层廊道#7坝段双标测点孔内析出物已将双标管胶结，无法自由伸缩。双金属标传感器失效2支；对双标仪进行数据缺失率考核，考核期内缺失率偏高，有5支传感器（占比50%）的缺失率均在3%以上，不符合DL/T5272-2012规范要求。

在原有断层廊道#7坝段双标孔附近重新钻孔，安装双金属标。其他双标测点拆除原有双标仪，重新安装CCD式双标仪，接入相应的数据采集装置实现自动化。

CCD式双标仪5台，双标仪人工观测设备5套，双标钻孔约22m深，修建双标观测墩1个。

2.1CCD双金属标仪

采用中水东北勘测设计研究有限责任公司生产的DB2220A型CCD双金属标仪，该产品是中水东北公司研发的一款专门针对双金属标观测项目的自动化仪器设备，与专用的双金属配套使用可对大坝、基础、高层建筑等不同高程的垂直位移变化进行精密测量。仪器由激光平行光源、CCD驱动模块、信号处理模块及主控模块组成，具有数据采集、数据存储和通讯等功能，是真正的非接触式一维测量。

DB2220A型CCD双金属标仪具备以下技术特点：

（1）设备外壳为进口高强度PVC盒体，外形美观大方；

（2）相比国内类似产品，体积小巧，便于安装；

（3）全密封设计，具备良好的防水、防潮效果，可在100%相对湿度环境下长期连续工作；

（4）观测窗防溅水、防结雾，保证测量结果的准确性；

（5）测量精度高、可靠性强，无需遮光罩，可在常规光线下正常工作；

（6）提供完善的人机交互界面，采用直观的中文菜单控制，可方便定制设备的地址编号、通讯波特率、测量方式、标点顺序等测量控制参数；

（7）提供多种测量控制方式，具备实时手动观测、定时观测及自动化遥测；

（8）完善、开放的通讯协议，可无碍的接入基于RS485通讯的采集网络中；

（9）精心设计的配套底盘，便于设备的安装与更换，设备更换后可保证测值的连续性。

主要技术指标：

1. 量程： 48mm

2. 分度值：两向均为 0.01mm

3. 全量程非线误差：≤0.10 mm

4. 采集速度： 1s~3s 设置

5. 控制方式：现场手动，远程遥控

6. 采集方式：实时采集，连续采集，定时采集（可保存 1184 次定时数据）

7. 通讯总线：RS-485

8. 电源：电压 AC220V(±10%) / 50Hz，功耗 ≤25w

9. 环境温度：-30℃~+60℃

10. 环境湿度：100%

11. 大气压力：86kPa～106kPa。

2.2双金属标

双金属标主要为静力水准系统以及坝内精密水准测量提供基准点。分别布置在坝顶的#0、#25坝段，基础廊道的#19坝段，以及断层廊道内的#4、#7坝段，共设置了5套双金属管标，分别在各自双标的钢管和铝管上安设标点，用于人工和自动观测。观测点5处，相应测点编号为SB0、SB4、SB7、SB19、SB25，位移传感器10支。

本次改造方案：在原有断层廊道#7坝段双标孔附近重新钻孔，根据现场及施工条件选择适当位置重新钻孔，安装双金属标。

在大坝断层廊道#7坝段的底板上布置观测墩，在观测墩内布置深入坝基内的双金属标保护管、钢管、铝管，双金属标从断层廊道到基岩约22m深。

其他双标测点拆除原有双标仪，重新安装CCD式双标仪，将电源线和通讯线沿原有线槽或者新增线槽敷设到指定的监测站实现自动化。

3双金属标安装

(1)钻孔

1. 1. 钻孔的开孔孔位按照要求确定，开孔孔位与设计位置的偏差不大于10cm，并记录实际孔位；

   2. 钻孔时，钻机滑轨水平，立轴竖直，钻杆和钻具严格保持平直；

   3. 在钻孔处用混凝土浇筑钻机底盘，预埋紧固螺栓，严格调平钻机滑轨，其倾斜小于0.1%，然后将钻机紧固在混凝土底座上；

   4. 钻具尽量加长，钻具上部设导向环，导向环外径略小于导向管内径2～4mm；

   5. 钻进时，采用低钻速、小压力、小水量；

   6. 经常检查钻孔偏斜值，每钻进1～2m即检测一次。发现孔斜超限，及时采取相应措施加以纠正；

   7. 双标孔均进行冲洗，根据监理人指示采用风水联合冲洗或用导管通入大流量水流，从孔底向孔外冲洗的方法进行冲洗；裂隙冲洗方法及冲洗压力根据不同的地质条件，通过现场试验确定；

   8. 裂隙冲洗应冲至回水澄清后10 min结束，且总的时间要求，单孔不小于30min，串通孔不少于2h；对回水达不到澄清要求的孔段，继续进行冲洗，孔内残存的沉积物厚度不得超过20cm。

(2)双标保护管的埋设

1. 全面冲洗钻孔，除净孔内残留岩粉；

2. 自上而下准确测定钻孔偏斜值、确定钻孔保护管埋设位置；

3. 保护管为Φ108×6.5mm的无缝钢管，保护管保持平直，底部加以焊封。底部0.5m的内部加工为粗糙面，以便用水泥浆固结锚块。各段钢管接头处，精细加工，保证连接后整个保护管的平直度，并防止漏水；

4. 下保护管前，在钻孔底部先放入少量水泥浆（高于孔底约0.5m）。保护管下到孔底后，略提起并用钻机或千斤顶进行固定。然后准确测定保护管的偏斜值。如偏斜过大，应加以调整，直到满足设计要求，方可用水泥浆固结。待水泥浆固结后，拆除固定保护管的钻机；

5. 其后应再次测定保护管的偏斜值，以便确定倒垂锚块的埋设位置；

6. 双金属标仪的安装埋设；

7. 双金属标的铝管采用Φ45×7mm的无缝钢管，钢管规格为Φ76×6.5mm；

8. 双金属标的两个管与双标孔保护管相互套在一起，埋设在双标孔内。双金属标的钢管与保护管之间、双金属标的两个管之间以一定间隔设置钢性支撑，防止双金属标的两个管产生侧向弯曲以及满足孔斜的要求，同时又保证两管能够随温度的变化自由伸缩；

9. 钢管底部0.5m范围内的管内壁应成毛面，以增强锚头的锚固效果。

(3)双标仪器安装

双金属管标一般用于坝基、岩体垂直位移的绝对量测量，或作为静力水准系统和真空激光准直系统的竖直位移工作基点。

弹性理论推导计算结果表明，在半空间体的边界上施加一定的荷载，所引起的竖直位移量在半空间体的深度方向的衰减非常快，到达一定的深度以后，荷载所引起的竖直位移可忽略不计。

双金属管标测量就是利用双金属管（一般采用钢管和铝管）线膨胀系数的差异，在确定埋深以后，通过弦式传感器测定两种双金属管顶部相对于地表面的位移值，进而计算出双金属管锚固点至孔口地面之间基岩的竖直位移的变化量。其沉降计算公式如下式所示：

式中：α铝、α钢分别为铝管芯、钢管芯的热膨胀系数；

R钢、R铝分别为钢管标、铝管标的位移读数（量距仪测值）；

一般取α铝=2α钢 （钢取1、铝取2），因此，

△h=2 R钢-R铝

实际选材时，一般α铝=23～24×10-6，α钢=12×10-6。

4参考文献

《大坝安全监测数据库表结构和标识符标准》（DL/T 1321-2014）；

《大坝安全监测自动化系统通信规约》（DL/T 324-2010）；

《混凝土坝安全监测技术规范》（DL/T 5178-2016）；

《大坝安全监测系统验收规范》（GB/T 22385-2008）；

《大坝安全自动监测系统设备基本技术条件》（SL268-2001）；