大坝用双轴垂直摆倾斜仪的设计

　　0　引　言

　　在大江大河上修建大坝主要起到防洪蓄洪作用,如1998年长江流域遭受百年一遇的特大洪水期间,清江隔河岩水坝就起到了很好的蓄洪作用,从而在时间上将支流洪水与长江干流洪峰错开。在这种情况下,对大坝整体结构的监测显得十分重要。随着水库水位不断上涨,巨大的水压力直接作用在坝体上,会使之产生形变,另外,地面运动和岩石风化等其他因素的综合影响也会直接威胁到大坝的安全。

　　从90年代开始,国外就采用了倾斜仪阵列和GPS全球卫星定位技术对大坝进行自动监测,如位于华盛顿州Pend Oreille河上的界坝和洛杉矶县的Pacoima水坝上都安装了倾斜仪阵列和GPS接收机,测量数据自动地传送到一个远程的工程基准站,由自动监测系统提供实时的坝体形变三维分析。

　　坝体的形变通常是在外力和内力的作用下产生的,当形变较大时,就有可能导致坝体断裂。大坝断裂前后的应力应变关系基本符合从弹性形变到塑性形变的过程[1],如图1所示。其中,OA段基本属于线弹性阶段,应力消除后,大部分形变可恢复,坝体处于安全区;AB段呈现出明显的非弹性变形,并伴随有弹性回跳过程,说明坝体内部开始出现细微的裂纹,坝体处于危险区;BC段则显示出坝体有明显的断裂,大坝将受到一定程度的破坏。采用倾斜仪阵列可以实时地将大坝形变过程记录下来,一旦出现非弹性形变,就应采取相应的措施。

　　1　倾斜仪的结构和工作原理

　　大坝形变造成的倾斜量远远大于地球固体潮汐引起的地表面倾斜量,因此,在测量大坝倾斜时可以铅垂线为基准。倾斜仪的机械结构示意图如图2(a)所示,它由主体筒、摆系、测微电容极板和调平机构等组成。其中,摆系由柔丝和摆体组成,柔丝的上端与主体筒相连,下端悬挂摆体。在主体筒的下端固定安装了4个铜质电容定片,并以石英玻璃来与底板绝缘。定片与摆体(铜质动片)一起组成了两个方向的测微电容。图2(b)所示为测微电容极板俯视图。摆体为圆柱体,每个定片都是近1/4的圆弧柱体。这种垂直摆方式可以同时测量水平面上两个垂直方向的倾斜量,而且可以消除摆体沿轴向转动所产生的测量误差。

　　主体筒固定在仪器底板上,仪器水平放置在坝体上,由调平机构进行水平调整。在重力的作用下,摆系始终处于铅垂状态。当坝体发生倾斜时,主体筒也随之倾斜。这样,摆体相对于定片原来位置将发生改变,产生相对位移,如图3所示。其中,θ表示倾斜仪支撑面在测量方向上的倾斜角度,ΔL表示摆体在支撑面上沿测量方向的直线位移。当ΔL远远小于摆长时,ΔL与θ成正比。于是,可利用两组电容测微器测量出坝体某点在两个方向上的倾斜分量,并经过电信号处理电路转换成实际的测量记录值。