田志剛 ，宋厚源 ，郭 鵬

（1.山東省水利科學研究院，山東 濟南 250014；2.平陰縣水務局，山東 平陰 250400）

土石壩因土體自身固結及外荷載作用下會產(chǎn)生正常沉降，速率逐漸降低并趨于穩(wěn)定。在非正常情況下如滑坡、滲透變形等情況下也會發(fā)生較大的沉降，在這種情況下垂向位移的速率是逐漸增大的，直至發(fā)生突變。壩基在土壓力作用下也會發(fā)生沉降，表現(xiàn)為壩頂?shù)某两?。土壩垂直位移測量主要采用幾何水準法和三角高程測量法，該方法測量精度受到人為因素、儀器精度的影響較大，無法實現(xiàn)實時監(jiān)測，測量頻次很低，大部分一年數(shù)次，無法根據(jù)檢測數(shù)據(jù)進行趨勢分析。衛(wèi)星觀測法是近年來隨著全球衛(wèi)星定位技術的發(fā)展而形成的測量方法，影響其測量精度的因素很多，尤其是垂直位移的測量精度，主要受對流層[1]和電離層折射[2]以及區(qū)域性似大地基準面精度的影響。而差分技術不能消除這種影響。在大尺度測量中，衛(wèi)星觀測法有足夠的精度，但在小尺度垂直位移測量中實現(xiàn)高精度測量則需要進一步探討。

近年來，靜力水準法在水工建筑物沉降測量中開始使用。該方法原理明晰，結構簡單可靠，因而測量結果可靠。隨著位移傳感技術的迅速發(fā)展，其精度越來越高?？梢灶A見該技術將在水利行業(yè)有較為廣泛的應用。將激光測量技術和靜力水準原理結合起來，實現(xiàn)高精度自動實時沉降測量，可以達到±0.1mm，本系統(tǒng)沉降測量中的控制精度是±1mm，滿足規(guī)范±3mm的要求且穩(wěn)定性好、頻次高；可以根據(jù)位移變化速率，預判壩體所處的穩(wěn)定狀態(tài)。

1 激光靜力水準工作原理及計算方法

1.1 理論依據(jù)

根據(jù)伯努利原理，理想流體在恒定流狀態(tài)時，單位體積所具有的能量（動能、勢能、壓強能）為一常量，對于兩個流動要素恒定的斷面，其方程表達式為：

式中：Z1、Z2為計算斷面的中心位置的高程；P1/γ、P2/γ 為計算斷面的壓強高度/2g為計算斷面的流速水頭；為兩斷面間的水頭損失。對于靜止液體，u=0，則有：

該式表明：連通液體在靜止狀態(tài)下各點的單位勢能守恒，所有液面位置的勢高度相等，在自由液面上壓力相等的情況下，液面水平，這是靜力水準的理論基礎。激光位移傳感可對液位變化進行實時測量，通過簡單幾何關系計算即可得出位移變化量，這個原理可用于物體垂直位移測量。

1.2 激光靜力水準基本結構及測量方法

激光靜力水準沉降儀通過管道連通測筒，內充液體，在測筒頂部固定安裝激光位移傳感器，傳感器測量測筒內液位到傳感器起測點的距離。在遠離壩體的穩(wěn)定地基上設置基準點，在待測沉降點上設觀測點，將測筒分別安裝在基準點0和觀測點1（觀測點可以是n個）上，用管道相互連通，測筒內注入液體至適當高度。

初始安裝時，根據(jù)伯努利原理，液面在同一水平面上，激光位移傳感器0、1分別測得液面距激光器起測點距離為h0、h1。經(jīng)過一段時間T1后的某一時刻t1，觀測點沉降量為d1，此時傳感器分別測得液面距起測點距離為 h′0、h′1，根據(jù)相對位置幾何關系，可以得出：

因此，只要測出任一時刻基點及各測點液面到起測點的距離，即可得出測點相對于基點在T1時段內的沉降量。若得出的數(shù)值為負值，說明該測點抬升了，如混凝土壩、閘墩等水工建筑物在夏季由于溫度的升高而上升。

由于沉降量是實時觀測得到的，頻次高，可實時計算沉降量變化速率，即沉降速度，通過沉降速度變化可預測壩體可能出現(xiàn)的危險趨勢。

1.3 可行性試驗驗證

在實驗室內根據(jù)測量原理要求制作了試驗臺，溫度恒定無風。將4個頂部安裝有激光位移傳感器的測筒用管道連接起來，其中1個作為基點固定不動，其他3個測筒作為測點，可以通過螺桿調節(jié)實現(xiàn)上下移動，模擬測點的沉降或者上升，螺桿聯(lián)動游標卡尺以讀取位移數(shù)據(jù)。傳感器采用紅色半導體激光，型號為TP-L100CD，其主要參數(shù)為：線性精度為±0.1%FS、頻次 500μs、量程100mm。測筒內有3D打印中空玻璃片漂浮在水面作為激光反射體。工作液體是蒸餾水加防腐劑，為了模擬滲漏、蒸發(fā)等因素對測量結果的影響，設置了加、放水閥。

試驗采用預設測點沉降量、傳感器實時讀取數(shù)據(jù)并進行計算，直接輸出測點垂直位移變化量的方案。結果見表1。

由表1可知，預設沉降值和測量值在誤差范圍內。在試驗中，通過放水閥放水，模擬可能發(fā)生的滲漏、蒸發(fā)，發(fā)現(xiàn)對測量結果沒有影響；還試驗了不同直徑的測筒對測量結果的影響，證明測筒直徑不同對測量結果沒有影響，和理論分析結果一致。試驗驗證了該方法的可行性，可以應用到實際工程中。

2 應用實例

2.1 水庫概況

垛莊水庫位于濟南市西巴漏河上游，控制流域面積56km2?？値烊轂?.19×107m3，大壩為黏土心墻沙殼壩，壩長468m，最大壩高37.50m，溢洪道在左岸，設3孔10m×6m平板鋼閘門。

2.2 測點布置及測量數(shù)據(jù)

壩體測量基點布置在大壩左岸，設鉆孔灌注樁至基巖形成穩(wěn)定點，觀測點設在大壩測壓管觀測斷面的下游壩肩上，共3個；在水閘的兩個中墩下游端頂部設2個觀測點，在離閘室15m的基巖上設基點。觀測點及基點的設計安裝滿足土石壩安全監(jiān)測技術規(guī)范（SL551-2012）要求，并對基點及測點高程進行人工標定[3]。測量結果見表2。

表1 試驗記錄表 mm

表2 垛莊水庫壩體及溢洪閘墩沉降測量值 mm

該裝置使用山東省水利科學研究院開發(fā)的《大壩安全監(jiān)測及分析系統(tǒng)》，實現(xiàn)實時觀測、數(shù)據(jù)無線傳輸，使用數(shù)年來一直正常工作。2019年夏季，檢測系統(tǒng)突然報警，檢查后發(fā)現(xiàn)監(jiān)測點沉降量超過預警值，由于是在汛期，技術人員迅速進行檢查，其原因是壩頂瀝青路面鋪設振動碾造成的沉降，這說明了該設備的靈敏度。

2.3 人工校核

人工校核用以檢驗該設備檢測結果正確與否，采用幾何水準法進行人工校核測量，其結果驗證了激光靜力水準測量結果是正確的。

3 精度影響因素

3.1 溫度

不均勻溫度場會影響液體密度，從而影響液柱高度，對測量結果有一定影響，需進行修正。解決方法：在每一個測點及基點設溫度傳感器，實時測量液體溫度，根據(jù)液體體積（密度）隨溫度變化規(guī)律，統(tǒng)一到同一個溫度場，以彌補因溫度不同引起的液面高度差。

3.2 大氣壓力

各測點液面所處位置的大氣壓強是不相等的；空氣在通氣孔附近的運動也會引起測量結果不穩(wěn)定。解決方法：連通空氣室并進行封閉。

3.3 滲漏和蒸發(fā)

少量的蒸發(fā)和滲漏不影響測量結果的正確性，但是要防止大量滲漏造成測筒內液位下降超出測量范圍。解決方法：設置傳感器報警距離，當傳感器測量值大于某一長度時，即需要進行檢查，處理滲漏點并添加液體。

3.4 液體振蕩

測點若突然下降，會引起連通器液體振蕩，其振蕩可以簡化為一個單擺系統(tǒng)，用一個線性阻尼器進行模擬。不考慮外力輸入時，靜力平衡條件下液面運動方程如下：

式中：h為液面偏離平面位置的距離，m；β為液面振動阻尼常數(shù)；ω0為液面振動固有頻率。

根據(jù)初始條件即可對方程進行求解，即可得到距離h隨時間t變化的解，可以計算重新達到平衡所需要的時間。根據(jù)式（5）的解，需要的時間較長，但是由于壩體沉降速度非常緩慢，液面變化非常小，因此可以認為連通器的液位隨時處于平衡狀態(tài)[4]。突然的大幅度沉降引起的大振幅振蕩會被激光位移傳感器捕捉到而引起報警，這正是安全監(jiān)測系統(tǒng)所需要的。

4 應用前景

土石壩結構及運行環(huán)境非常復雜，有很多不確定因素，憑經(jīng)驗無法準確了解壩體工作狀態(tài)。壩體受力后所引起的外部變形是了解壩體安全狀態(tài)的一種方法，對土石壩來說，沉降是需要了解的重要指標之一。激光靜力水準系統(tǒng)結構簡單、安裝方便，實現(xiàn)了自動、實時、高頻次監(jiān)測，可以實時分析沉降速率，替代了人工作業(yè)，尤其是在汛期高水位運行時，可及時發(fā)現(xiàn)沉降量變化，預測變化趨勢，以保證大壩安全運行。