无浮托引张线的发展和技术特点

周建波，王玉洁，宫玉强

（1.国家能源局大坝安全监察中心，浙江杭州，311122；2.中国长江电力股份有限公司检修厂，湖北宜昌，443002）

无浮托引张线的发展和技术特点

周建波1，王玉洁1，宫玉强2

（1.国家能源局大坝安全监察中心，浙江杭州，311122；2.中国长江电力股份有限公司检修厂，湖北宜昌，443002）

为了突破无浮托引张线长度200 m的限制，扩大无浮托引张线的适用范围，通过理论和试验分析了引张线长度与垂径、线体材料特性的关系，认为采用高强度、轻密度的新型材料，可使无浮托引张线长度达到500 m，并提出无浮托引张线的主要技术指标要求。

水平位移；无浮托引张线；技术指标

0 前言

水平位移监测是大坝安全监测重要监测项目之一，为准确掌握大坝水平位移变化情况，经过近几十年的发展，目前已有视准线法、交会法、引张线法、垂线法等多种监测方法和手段，其中引张线法工作原理是在两基准点张拉一根直线钢丝作为基准线，用以测量各被测点位置的相对偏移值，由于具有观测精度高、观测方式灵活、投资小等特点，在混凝土坝中应用较为广泛。

引张线线体一般采用冷拉钢丝，其抗拉强度在1 180～1 520 MPa之间，密度为7 850 kg/m3，若以垂径不大于50 cm、钢丝应力不超过1/2允许抗拉强度控制，则最大线体长度在175～199 m之间，与DL 5187-2003《混凝土坝安全监测技术规范》（以下简称“规范”）中规定的无浮托引张线不能超过200 m一致。因此在实际工程应用中，引张线大多采用有浮托式，即每个测点均有浮船支撑线体，以减少引张线垂径，并保证线体能自由活动。但根据国内工程应用情况，部分工程运行当中存在水箱液体蒸发、杂物沉积或浮船搁浅、碰壁，线体过长难以保持自由活动等问题，以致不能获取有效的监测成果。

为克服无浮托引张线长度限制和有浮托引张线的运行维护困难等问题，通过最近十来年对无浮托引张线的理论和材料研究，并在国内个别水电站进行试验和使用，无浮托引张线长度可突破原有限制，相关技术已趋于成熟。

1 无浮托引张线的发展和研究

无浮托引张线研究始于20世纪90年代，最早在葛洲坝水利枢纽工程进行试验和投入使用，其研究与应用经历了由短到长、分期实施的过程[1]。2001年11月通过对原有浮托引张线的改造，首次建成168.1 m长的EX31无浮托引张线。在EX31引张线成功运行后，2005年建成287.5 m长的EX28无浮托引张线。为研究长度超过500 m的无浮托引张线性能，2006年在二江泄水闸护坦新建了509.3 m长的EXS无浮托引张线，之后，在2006～2009年间又陆续建立了6条无浮托引张线，共计9条，均采用高强度、耐久性好的DPRP-100型线体材料，张拉方式为“一端固定、一端加力的方式”，坐标仪为CCX02-2500光电式单向坐标仪，探测精度0.02 mm，实现自动化监测，基本情况见表1。目前投入运行时间最长的已有十多年，运行状况总体正常。

无浮托引张线已有的主要研究成果包括以下几方面。

1.1 无浮托引张线悬链线

引张线线体靠两侧端点支撑，受自重影响，其悬链线垂径计算公式如下：

表1 葛洲坝水利枢纽工程无浮托引张线参数统计表Table 1 Parameter table of floatless wire alignment at Gezhouba water conservancy project

式中：y为计算点处悬链线垂径（m）；x为计算点与左端点间距（m）；M为加力重锤重量（kg）；q为引张线的线密度（kg/m）；L为两端点间距离（m）；h为两端点间高差（m）。示意图见图1。

当h=0时，其最大垂径ymax位于L/2处，计算公式为：

实际应用显示，理论计算与实际引张线安装后的实测结果比较，两者互差在3%以内[1]。

图1 悬链线示意图Fig.1 Sketch map of catenary

1.2 线体材料研制

引张线长度与垂径、线体张力成正比，与线密度与反比，但受现场条件限制，垂径加大余地较小，一般小于50 cm，因此无浮托引张线长度要超过200 m，必须在线体密度和线体抗拉强度上有所突破。据不完全了解，目前国内已研发的无浮托引张线材料有长春市朝阳监测技术有限公司的DPRP线体和南瑞集团公司水利水电技术分公司的碳纤维增加聚合物（CFRP）线体[2]，主要性能指标为：DPRP线体抗拉强度3 000 MPa，密度1 500 kg/m3；CFRP线体抗拉强度2 500 MPa，密度1 500 kg/m3。可知新型材料线体抗拉强度较冷拉钢丝提高1.6～2.0倍，线体密度为冷拉钢丝密度的1/5。

1.3 风对无浮托引张线的影响[1]

为研究局部横向风对无浮托引张线的影响，在引张线中部保护管断开10 cm长的缺口，用1.2～2.0 m/s的横向风吹动线体，并每分钟观测1次。测试显示，横向风引起线体最大位移不大于0.15 mm，表明在保护管没有大的破损情况下，外界横向风影响很小。

1.4 长期状态下的垂径变化[1]

由于线体处于高应力状态下，且受外界温度、湿度影响，线体在纵向会产生拉伸或紧缩，若线体伸缩过大导致垂径变化超过线体活动范围，将影响观测成果，为此对引张线中部测点的垂直位移进行了长期观测。经两个年周期观测显示，垂径有逐年增大趋势，但每年增幅小于垂径的3‰，在可接受范围内。

2 主要特点及优势

无浮托引张线由于不需要浮船作为支撑，因此与测点装置、护管处于无接触的状态，主要特点和优势包括以下几点。

2.1 实现完全自动化观测

有浮托引张线需要经常性检查浮船和水箱水位，以保证引张线的观测精度，规范对观测方法要求：“一测次观测前，应检查、调整全线设备，使浮船和测线处于自由状态”。虽然有浮托引张线也安装了引张线坐标仪进行自动化观测，但由于每次观测前仍需要人为调整测线的工作状态，因此不能实现完全的自动化观测。无浮托引张线则不存在上述问题，由于其不与周边设备接触，因此不需要在每次观测前进行开箱检查，实现了真正的自动化观测。

2.2 维护工作量小

有浮托引张线将浮船置于水箱中，保证其能自由活动，但水箱中的水体受外界影响明显，如北方冬季浮液结冰限制浮船活动，需进行保温或解冻处理，南方则因气温高导致蒸发严重，如海南大广坝，一般7 d蒸发完，需经常性加水补液[3]；另外，由于浮托装置有水，容易引来小动物，特别是飞蛾之类，严重影响线体活动自由，需经常进行清理工作，导致有浮托引张线日常维护工作量较大。无浮托引张线由于没有浮液，不需要进行上述维护工作，既减轻了工作量，也减少了对线体的干扰。

2.3 受温度影响小

有浮托引张线的浮船在水箱里活动空间较小，钢丝受温度影响，会产生纵向的伸长或缩短，当变形量较大时会导致浮船侧向碰壁，导致线体活动不自由。无浮托引张线受温度影响纵向拉伸或缩短，仅对垂径有微量的影响，不会产生碰壁现象和影响观测精度。

3 无浮托引张线实际运行情况

葛洲坝水利枢纽的无浮托引张线投入运用多年，其工作状态值得关注。2011年葛洲坝水利枢纽大坝安全第三次定期检查期间，对无浮托引张线的运行状态进行了检查和测试，包括线体检查、线体三角形测试、线体复位能力测试、线体稳定性测试、实测数据精度等，具体内容如下：

（1）线体检查：线体干净无锈蚀，线体悬挂高度适中，无碰管壁现象，表明经过多年运行，线体垂径保持稳定，线体在高应力状态下未出现显著拉伸现象。

（2）线体三角形测试：为检验引张线的安装质量及抗干扰性能，先在线体中部固定线体，记录各测点读数，然后向上游或下游推移10 mm，待线体稳定后，再对各测点进行读数，按相似三角形原理，计算各测点的理论位移值，并将实测位移值与理论位移值进行比较，以评价线体状态，测试结果显示，实测位移值和理论位移值最大较差0.11 mm，线体状况较好。

（3）线体复位能力测试：在引张线处于自由静止状态时，先测读各个测点，然后拨动线体，让线体自然复位，记录稳定复位时间和各测点读数，对比前后2次读数。测试成果显示，引张线复位时间小于3 min，复位最大较差0.09 mm，线体复位能力强。

（4）线体稳定性测试：对各测点在短时间内连续测读15次，计算中误差，评价线体稳定性。测试成果显示，最大中误差为0.11 mm，线体在自然状态下较为稳定，受外界干扰少。

（5）实测数据精度：通过多年观测，积累了一定的监测数据，图2为EX28引张线典型测点过程线，其监测数据规律明显，呈明显年周期变化，说明观测精度较高，能很好地反映大坝的变形情况。

图2 EX28引张线典型测点过程线Fig.2Graphbytypicalmeasuring pointsofwirealignment EX28

综上所述，葛洲坝水利枢纽的无浮托引张线最短已运行7年，最长已有13年，其运行状况总体良好，表明无浮托引张线在该工程的应用是成功的。

4 主要技术指标

无浮托引张线虽然已取得了一定阶段性的成果，但目前主要由各生产厂家自行制定技术要求，相关规范尚未对无浮托引张线的技术指标作具体规定，因此有必要对无浮托引张线的技术指标作进一步探讨，具体如下：

由前述分析可知，无浮托引张线要在实际工程中应用，必须同时满足垂径和线体允许应力两方面的要求，以此作为约束条件，其公式变为：

式中：ρ为线体材料密度（kg/m3）；σ为线体应力（MPa）；[y允许]为允许最大垂径（m）；[σ允许]为线体允许最大拉应力（MPa），一般取线体抗拉强度[σ抗拉]的1/2。

将约束条件代入方程式，可得：

由于线体抗拉强度和线体材料密度都属于线体材料特性，设B=[σ抗拉]/ρ，称为应力密度比，则公式如下：

由公式可知，线体长度与最大允许垂径和应力密度比呈指数相关，在最大允许垂径分别为0.3 m、0.5 m和0.7 m时，线体长度和应力密度比的关系见图3。以最大垂径0.5 m为例，线体长度要超过200 m，则应力密度比必须达到0.2以上，线体长度要达到500 m，则线体应力密度比需达到1.3。

引张线布置受工程现场条件限制，如坝顶一般开槽布置，坝基一般布置在基础廊道内，因此垂径不可能太大，一般要求在0.5 m以内。因此，无浮托引张线长度要超过规范要求的200 m，必须要提高应力密度比，而应力密度比跟线体材料的抗拉强度成正比，和材料密度成反比，为此要尽可能提高线体抗拉强度、降低材料密度。在最大垂径为0.5 m情况下，应力密度比分别为0.2、0.8、1.3和1.8时，线体材料密度和抗拉强度关系图见图4。由图可知，应力密度比越大，其关系直线斜率越大，表明对材料的要求越高。冷拉钢丝基本处于B=0.2水平，其极限长度为200 m左右，而DPRP、CFRP材料则基本在B=1.3水平以上，线体极限长度可以超过500 m，甚至可以达到600 m。

图3 线体长度和应力密度比的关系Fig.3 Relation between wire length and the ratio of stress and density

图4 线体材料密度和抗拉强度关系图（ymax=0.5 m）Fig.4 Relationship between density and tensile strength of wire(ymax=0.5 m)

根据上述分析，认为无浮托引张线主要技术指标如下：

（1）引张线最大垂径必须满足现场施工、观测的要求，一般不超过0.5 m；

（3）线体材料在高应力状态下，应没有显著的塑性拉伸；

（4）为满足观测要求，测线应为圆形截面，直径宜为0.8～1.2 mm；

（5）引张线保护管必须全程密封，做到防水、防风，保护管内径宜大于100 mm。

5 结语

无浮托引张线经过近十余年的研究和实践，已证明了高强度、轻质材料能满足安全监测需求，线体长度能突破200 m的限制，且与有浮托引张线相比，在自动化监测、运行维护等方面优势明显，通过对其技术指标的进一步研究确认，从理论上证明了采用无浮托引张线的可行性和合理性，有利于无浮托引张线在更多工程中的推广应用，为保障大坝安全发挥更大的作用。 ■

[1]鲁结根,赵建华.500 m无浮托引张线研究与应用[J].华东电力,2010,38(8):1181-1184.

[2]彭虹.三谈变形监测自动化中的几个问题[J].大坝与安全, 2011(2):17-23.

[3]庄正新.无浮托引张线在葛洲坝监测系统中的应用[J].水电与新能源,2005(4):62-64.

作者邮箱：zhou_jb@ecidi.com

Development and technical characteristics of floatless wire alignment

by ZHOU Jian-bo,WANG Yu-jie and GONG Yu-qiang
Large Dam Safety Supervision Center of National Energy Administration

At present,the length of floatless wire alignment is less than 200 m.In order to break through the restriction and expand its application field,the relationship between the length of wire alignment and the vertical diameter as well as the material properties of wire is analyzed.The results show that the length of wire alignment could go beyond 500 m based on new material with high strength and light den⁃sity.This paper also puts forward the main technical indexes of floatless wire alignment.

horizontal displacement;floatless wire alignment;technical index

TV698.1

A

1671-1092（2016）05-0028-04

2016-09-08

周建波（1979-），男，浙江平阳人，高级工程师，主要从事大坝安全管理工作。