對于加裝熱敏電阻來測試溫度的其它高溫儀器，通過率定試驗發(fā)現(xiàn)，由讀數(shù)器顯示的溫度并非真實溫度，而是一組與溫度近似成線性關(guān)系的溫度讀數(shù)。分別對其率定資料進(jìn)行線性及二階多項式回歸分析，然后分別用回歸分析所得計算參數(shù)和儀器出廠參數(shù)對實測值進(jìn)行溫度計算，再計算
1 概述
茅坪溪防護(hù)土石壩是三峽工程的重要組成部分。大壩按Ⅰ級建筑物設(shè)計，設(shè)計洪水位175.0m，校核洪水位180.4m。壩頂高程185.0m，最大壩高104m，主壩頂長1062m，壩頂寬12m。采用瀝青混凝土心墻防滲，心墻長度885.75m，最大高度94m，厚0.8～1.2m。為了監(jiān)測心墻的應(yīng)力應(yīng)變、位移及溫度場變化規(guī)律，在茅坪溪防護(hù)大壩瀝青混凝土心墻設(shè)計中布置了系統(tǒng)的監(jiān)測儀器，儀器選用美國基康系列弦式儀器，其中部分是高溫系列儀器。由于瀝青混凝土是柔性材料，彈模低，變形大，且需高溫施工，因而對安全監(jiān)測提出了新的課題。
瀝青混凝土施工時溫度高達(dá)170℃左右，對安全監(jiān)測儀器提出了耐高溫要求，其高溫儀器率定(檢驗)、安裝埋設(shè)等在國內(nèi)尚無成熟的理論和方法。為了探索高溫儀器率定的最優(yōu)方案，并取得在瀝青混凝土中埋設(shè)高溫儀器的經(jīng)驗，結(jié)合三峽茅坪溪防護(hù)大壩一期工程安全監(jiān)測項目進(jìn)行了瀝青混凝土高溫監(jiān)測儀器率定、安裝埋設(shè)的試驗研究。
2 高溫儀器率定原理、方法
三峽茅坪溪防護(hù)大壩一期工程瀝青混凝土心墻中布置有高溫位錯計、壓應(yīng)力計、溫度計。其中位錯計埋設(shè)在混凝土基座與瀝青混凝土心墻之間，監(jiān)測瀝青混凝土心墻相對于混凝土基座的水平位錯變形；壓應(yīng)力計埋設(shè)在基座混凝土表面，監(jiān)測瀝青混凝土心墻底部正應(yīng)力；溫度計埋設(shè)在瀝青混凝土心墻中，臨測瀝青混凝土心墻溫度場及其變化規(guī)律。從儀器在心墻內(nèi)的實際工況進(jìn)行考慮，瀝青混凝土鋪筑時溫度很高，達(dá)170℃左右，但高溫持續(xù)時間很短，一般在24h后降至60℃～70℃，以后繼續(xù)下降，直至環(huán)境溫度，儀器在心墻內(nèi)經(jīng)受短時間高溫后，即在常溫下工作。對于位錯計，由于首層鋪筑對儀器影響很大，其測值反映的是施工對儀器的影響，并不代表心墻的實際變形，所以一般選擇儀器埋設(shè)后溫降穩(wěn)定時測值作為基準(zhǔn)值；對于壓應(yīng)力汁，一般選擇瀝青混凝土鋪筑前測值作為基準(zhǔn)值。所以我們認(rèn)為：如果儀器在經(jīng)受高溫環(huán)境前后，其率定特性參數(shù)基本不變，則可認(rèn)定該儀器滿足高溫要求。基于這種理論，我們確定采用高溫油浴進(jìn)行加熱，同時提出以下率定方案：
①在常溫下參照《混凝土大壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》SDJ-336-89對儀器進(jìn)行力學(xué)性能、0℃～60℃溫度性能及絕緣度檢驗。
②將儀器放入高溫油浴中，分90℃、120℃、150℃、180℃四檔加熱(試驗初期加溫至150℃)，每級保持溫度變化在±o.1℃以內(nèi)的情況下恒溫1小時以上，待測值穩(wěn)定時進(jìn)行檢測。
③待儀器自然冷卻，取出儀器，擦凈，同①進(jìn)行力學(xué)性能檢驗。
④將儀器放入壓力水罐中，加壓至0.5MPa進(jìn)行絕緣度檢驗(對于壓應(yīng)力計，則結(jié)合力學(xué)性能檢驗在額定壓力下進(jìn)行絕緣度檢驗)。
⑤對高溫溫度計做冰點試驗，將儀器放入0℃冰水混合物中2h以上，測試其頻率讀數(shù)進(jìn)行穩(wěn)定性檢驗。
3 率定資料處理及評判
3.1 溫度性能檢驗
基康系列弦式儀器通過加裝熱敏電阻兼測溫度，但GK-4700S型高溫溫度計是通過鋼弦頻率變化來測試溫度的。其頻率讀數(shù)(f2/1000)與溫度近似成線性關(guān)系，對0℃～180℃率定資料進(jìn)行線性回歸分析，然后用回歸分析所得計算參數(shù)和儀器出廠參數(shù)分別對實測值進(jìn)行溫度汁算，再計算每檔溫度檢驗誤差和出廠溫度誤差，可得：在0℃～180℃范圍內(nèi)，其溫度檢驗誤差較大，一般在±2℃以內(nèi)。這是因為其頻率讀數(shù)與溫度之間并非完全線性關(guān)系所致，為此，再對0℃～180℃范圍率定資料進(jìn)行二階多項式回歸分析，同樣計算每檔溫度檢驗誤差和出廠溫度誤差，在0℃～180℃范圍內(nèi)，其溫度檢驗誤差一般在±0.5℃以內(nèi)。由于儀器主要在常溫下工作，為了簡化溫度計算，對0℃～60℃范圍率定資料進(jìn)行線性回歸分析，同樣計算每檔溫度檢驗誤差和出廠溫度誤差，在0℃～60℃范圍內(nèi)，其溫度檢驗誤差一般在±0.5℃以內(nèi)。
對于加裝熱敏電阻來測試溫度的其它高溫儀器，通過率定試驗發(fā)現(xiàn)，由讀數(shù)器顯示的溫度并非真實溫度，而是一組與溫度近似成線性關(guān)系的溫度讀數(shù)。分別對其率定資料進(jìn)行線性及二階多項式回歸分析，然后分別用回歸分析所得計算參數(shù)和儀器出廠參數(shù)對實測值進(jìn)行溫度計算，再計算每檔溫度檢驗誤差和出廠溫度誤差，同樣可得上述結(jié)果。現(xiàn)將率定試驗的幾種儀器溫度性能檢驗結(jié)果列于下表1。
通過對試驗儀器進(jìn)行溫度率定試驗研究可得：
①基康弦式高溫儀器在全量程范圍內(nèi)其頻率讀數(shù)(溫度計)或溫度讀數(shù)與溫度之間線性度較差。溫度計算時可按0℃～180~C線性回歸值進(jìn)行初略計算，或按二階多項式進(jìn)行精確計算，為簡化計算過程，待溫度降至60℃以下時，按0℃～60％線性回歸值進(jìn)行計算。
②基康弦式溫度計雖然其溫度測試分辨率較高，但測溫精度并不高。國產(chǎn)DW-1型溫度計高溫測試穩(wěn)定，其溫度檢驗誤差在±0.3℃以內(nèi)，測溫精度高，但其橡套電纜耐油性差，在高溫油浴中溶化變形。
③建議將基康弦式儀器最大溫度檢驗誤差確定為±0.5℃。即按二階多項式進(jìn)行回歸計算，其溫度檢驗誤差絕對值應(yīng)≤0.5℃，否則為不合格。對于溫度性能檢驗合格儀器，如果其出廠溫度誤差絕對值≤0.5℃，則選用出廠值進(jìn)行溫度計算，如果其出廠溫度誤差絕對值>0.5℃，則選用率定值進(jìn)行溫度計算。
3.2 力學(xué)性能檢驗
通過GK-403瀆數(shù)儀顯示的儀器頻率讀數(shù)為儀器振弦頻率平方的千分之一。從儀器量測特性可知：儀器變形或應(yīng)力與輸出頻率的平方差成正比關(guān)系。對儀器高溫前后分檔率定資料分別進(jìn)行線性回歸分析，然后按《巖土工程用鋼弦式壓力傳感器》GB/T13606-92的要求和方法分別計算其分辨率r、額定輸出Fn、滯后H、非線性度L、不重復(fù)度R、綜合誤差Ec。按下式計算其靈敏度系數(shù)相對誤差。
a1=|Ks-k廠|/K廠×100%
a2=|ks'-K廠|/K廠×100%
a3=|ks'-ks|/ks×l00%
式中：a1——高溫前標(biāo)定靈敏度與出廠靈敏度相對誤差
a2——高溫后標(biāo)定靈敏度與出廠靈敏度相對誤差
a3——高溫前標(biāo)定靈敏度與高溫后靈敏度相對誤差
Ks——高溫前標(biāo)定靈敏度系數(shù)
Ks'——高溫后標(biāo)定靈敏度系數(shù)
K廠——儀器出廠靈敏度系數(shù)
儀器高溫前、后力學(xué)性能檢驗中，其不重復(fù)度R、滯后H、非線性度L、綜合誤差Ec、高溫前后靈敏度系數(shù)相對誤差a3按表2進(jìn)行控制，各項誤差絕對值不得大于表中規(guī)定。
表2
對于力學(xué)性能檢驗合格儀器，如果儀器標(biāo)定靈敏度系數(shù)與出廠靈敏度系數(shù)相對誤差a1、a2均不大于3%，則取用出廠靈敏度系數(shù)K廠進(jìn)行應(yīng)力(位移)計算；否則按高溫后標(biāo)定靈敏度系數(shù)Ks'進(jìn)行計算。
通過對基康系列弦式高溫儀器進(jìn)行力學(xué)性能率定試驗，按上述方法對試驗儀器率定資料進(jìn)行計算，并將其各項檢驗誤差列于表3。其各項誤差均能滿足要求，高溫前后其各項力學(xué)特性參數(shù)變化很小。
表3 高溫儀器力學(xué)性能比照表
3.3 絕緣度檢驗
目前國內(nèi)規(guī)程規(guī)范對鋼弦式儀器絕緣性能未提出明確規(guī)定，許多單位和從事安全監(jiān)測的專業(yè)人員對此也缺乏足夠的認(rèn)識，認(rèn)為弦式儀器絕緣度低并不影響儀器的測值。我們認(rèn)為安全監(jiān)測儀器埋設(shè)在水工建筑物結(jié)構(gòu)內(nèi)，屬于隱蔽性工程，需要進(jìn)行長期監(jiān)測，要求其具有長期穩(wěn)定性。儀器絕緣度偏低，甚至儀器內(nèi)部受潮或進(jìn)水，短期內(nèi)可能不會影響測值，但必定造成儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)物理特性和電氣性能產(chǎn)生緩慢變化，這就影響儀器的長期穩(wěn)定性，甚至儀器失效。所以應(yīng)對鋼弦式儀器絕緣度進(jìn)行檢驗，在O℃、60℃及0.5MPa水中其絕緣電阻應(yīng)不小于50MΩ。
通過試驗發(fā)現(xiàn)：耐高溫儀器由于其防水密封O型圈經(jīng)過150℃高溫后變形；其儀器引出電纜(耐高溫)外護(hù)套很薄，且經(jīng)過高溫后變脆，電纜極易破損，導(dǎo)致儀器絕緣性能較差，應(yīng)引起儀器廠商重視，采用高溫密封圈，加厚高溫電纜外護(hù)套并采取適當(dāng)?shù)拇胧┓乐箖x器引出電纜在運(yùn)輸中被損壞。
3.4 穩(wěn)定性
通過率定試驗發(fā)現(xiàn)：GK-4700S型溫度計其溫度檢驗誤差均能滿足要求，但率定結(jié)果與出廠值相差較大，這說明儀器穩(wěn)定性較差，應(yīng)對儀器穩(wěn)定性進(jìn)行檢驗。以儀器冰點頻率讀數(shù)作為考核儀器穩(wěn)定性的指標(biāo)，儀器在高溫前后冰點實測值變化以及與出廠冰點值相差均應(yīng)≤15個讀數(shù)，否則為不合格。但是溫度計出廠卡片上均未提供儀器冰點頻率讀數(shù)，建議儀器廠商提供儀器出廠冰點測值。
4 儀器埋設(shè)
瀝青混凝土中埋設(shè)儀器對儀器、電纜、頂埋件及埋設(shè)方法均提出了很高的要求。瀝青混凝土鋪筑施工時溫度高達(dá)170℃，攤鋪機(jī)械的干擾，薄層(20cm左右)碾壓施工以及施工速度快等是造成儀器埋設(shè)困難的主要原因。為此，我們進(jìn)行了深入的研究，提出了解決問題的方法，并應(yīng)用于茅坪溪防護(hù)大壩一期工程安全監(jiān)測瀝青混凝土心墻儀器埋設(shè)。
4.1 預(yù)埋件施工
預(yù)埋件均為鐵構(gòu)件，與儀器之間均為剛性連接，埋入常規(guī)混凝土中均應(yīng)提前預(yù)埋，使之在瀝青混凝土施工前凝固干燥；埋入瀝青混凝土中則應(yīng)進(jìn)行處理，即預(yù)埋件除銹后，刷一層冷底子油或瀝青，并保持清潔。
預(yù)埋件在瀝青混凝土一端錨板尺寸，其高度宜小于20cm，寬度可適當(dāng)增加。錨板應(yīng)隨瀝青混凝土施工一并埋設(shè)，以保證錨板與瀝青混凝土結(jié)合良好。
4.2 儀器安裝埋設(shè)
儀器應(yīng)盡量預(yù)埋以不影響瀝青混凝土施工，上述位錯計及壓應(yīng)力計均可預(yù)埋。位錯計埋設(shè)時由于儀器與套筒之間連接很困難，宜一次整體預(yù)埋，埋設(shè)時將錨固在瀝青混凝土中一端朝向下游，預(yù)拉1/10儀器量程，儀器活動部位用高溫布包裹；壓應(yīng)力計埋設(shè)時儀器底部與砂漿接合應(yīng)密實，沒有空隙，其受力膜面朝上，在瀝青混凝土攤鋪前，應(yīng)擠壓補(bǔ)償管，使儀器產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，以提高觀測精度；溫度計埋設(shè)比較簡單，待瀝青混凝土攤鋪后，在設(shè)計位置挖開瀝青混凝土，埋入溫度計鋪平即可，但由于溫度計測溫存在滯后效應(yīng)，測不到最高溫度，建議將溫度計在附近瀝青混凝土中預(yù)熱后埋設(shè)。所有儀器在埋入瀝青混凝土前，均應(yīng)刷一層冷底子油或瀝青。
4.3 電纜聯(lián)接及保護(hù)
采用熱縮接頭進(jìn)行塑料屏蔽電纜聯(lián)接，并對其進(jìn)行防水性能試驗，通過試驗證明：熱縮接頭操作簡便，防水性能良好，耐水壓2MPa不漏水，在0.15MPa氣壓下不漏氣，質(zhì)量可靠，可用于塑料屏蔽電纜的聯(lián)接。
基康耐高溫電纜很細(xì)、很硬，外護(hù)套很薄，埋設(shè)時應(yīng)包裹一層耐高溫布或絕緣膠帶，并注意不要過份彎折，以免損傷電纜。所有電纜應(yīng)避免貫穿瀝青混凝土心墻，電纜引出心墻后在過渡料中垂直上升，采用橡膠管做護(hù)套保護(hù)電纜，集中后用鐵皮箱保護(hù)，效果很好。
銦鋼絲位移計固定端錨固在瀝青混凝土心墻內(nèi)，通過水平鋼鋼絲引到壩體下游測站(銦鋼絲一端掛重)，以監(jiān)測瀝青混凝土心墻水平位移。由于瀝青混凝土是柔性材料，錨板在拉力作用下，在瀝青混凝土內(nèi)產(chǎn)生位移，位移量隨荷載大小及加荷時間而變化，荷載越大、時間越長，位移越大。
這說明鋼鋼絲位移計采用這種錨固方式測得的心墻水平位移是心墻位移和錨板位移的代數(shù)和(不考慮測點變位及鋼絲變化)，而錨板位移無法進(jìn)行測試和估算。鑒于錨板受力后在瀝青混凝土內(nèi)產(chǎn)生位移，建議將銦鋼絲位移計錨固端錨固在心墻下游過渡料中的錨固墩上，在錨固墩與心墻之間埋設(shè)兩支位移傳感器，由鋼鋼絲位移計測得的位移加上傳感器測得的位移即為心墻位移。其安裝結(jié)構(gòu)及監(jiān)測原理見圖1。
4.5 埋設(shè)實例
三峽工程茅坪溪防護(hù)土石壩瀝青混凝土心墻從1997年底開始施工至今，在瀝青混凝土心墻及其過渡料中共埋設(shè)儀器47支，儀器埋設(shè)合格率100%，儀器完好率100%，其中耐高溫儀器19支。從觀測成果來看，較客觀地反映了瀝青混凝土心墻溫度、應(yīng)力及變形的變化規(guī)律。由于篇幅所限，不能對觀測資料作詳盡分析，只做簡要介紹：瀝青混凝土攤鋪時入倉溫度達(dá)172℃，由于溫度計測溫滯后效應(yīng)及瀝青混凝土散熱降溫很快，實測最高溫度為145℃；瀝青混凝土心墻底部壓應(yīng)力隨心墻升高而不斷增大，心墻上升23m時，測得壓應(yīng)力為～0.32MPa。瀝青混凝土心墻相對于混凝土基座變形在施工期受施工影響較大，位錯計在埋設(shè)初期，由于心墻上下游壩體填筑進(jìn)度不同，施工機(jī)械荷載不均勻，造成心墻不同斷面儀器間測值相差較大，除0+700附近儀器測得心墻向上游變形(-1.60mm)外，其余斷面儀器測得心墻向下游變形，最大達(dá)17.75mm。
5 結(jié)語
①通過試驗研究，收集了很多第一手資料，取得了瀝青混凝土內(nèi)高溫監(jiān)測儀器率定、埋設(shè)經(jīng)驗。
②闡述了高溫儀器率定原理，提出了高溫儀器率定的方法及評判標(biāo)準(zhǔn)，對儀器安裝埋設(shè)施工中容易出現(xiàn)的一些問題進(jìn)行了分析討論，提出了相應(yīng)的解決辦法，并應(yīng)用于茅坪溪防護(hù)土石壩瀝青混凝土心墻安全監(jiān)測，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。
③銦鋼絲水平位移計在瀝青混凝土心墻中的錨固問題有待進(jìn)一步研究討論。
④建議擬定進(jìn)口弦式儀器檢驗標(biāo)準(zhǔn)，以規(guī)范國內(nèi)水利工程監(jiān)測儀器的檢驗工作。
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