《混凝土大坝安全监测技术规范》修订意见.doc

混凝土大坝安全监测技术规范修订意见的讨论谭恺炎 杨怀祖（葛洲坝股份有限公司试验中心， 宜昌 443002）摘要：根据国内安全监测实施的发展现状，结合多年施工经验，在整理大量检测数据的基础上，对混凝土大坝安全监测技术规范SDJ336-89（试行）应力应变及温度监测提出几点修订意见进行讨论，并对振弦式仪器率定检验的方法和技术要求进行了阐述。关键词：规范 应力应变 率定检验 质量控制 差动电阻式 振弦式 51 概述混凝土大坝安全监测技术规范SDJ336-89（试行）（以下简称“规范”）自颁发实施10年以来，对我国混凝土大坝安全监测工作起到了很好的指导作用。统一规范了国内混凝土大坝安全监测包括设计、施工、运行各方面的工作，提高了监测数据的准确度和可比性，为我国水利水电工程建设做出了应有的贡献。但由于历史条件限制，“规范”还很不完善。随着我国经济建设步伐的不断加快，许多大、中型水利水电工程相继开工建设，安全监测技术水平有了很大提高，从传感器、仪表到整个测试系统都有很大改变，尤其是近几年来振弦式传感器在工程上的大量应用，都给规范提出了新的要求，对“规范”进行修订已迫在眉睫。作者结合三峡工程安全监测实施情况对“规范”中应力应变及温度监测提出几点修订意见进行讨论。2 仪器埋设2.1 仪器埋设施工(1) 单向应变计埋设仅规定了表层仪器埋设，对于深层仪器埋设，为了保证仪器角度及位置误差满足要求，宜在前一层混凝土上预埋锚筋，将仪器绑扎固定在锚筋（锚筋用沥青麻布包裹）上埋设。(2) 应变计组埋设时应特别强调剔除大于仪器标距1/41/5粒径的骨料。这是因为应变计埋设在混凝土内，对混凝土内部应变产生影响，一般来说混凝土中最大骨料粒径小于仪器长度的1/41/5，仪器所测应变可代表混凝土内点应变。(3) 无应力计埋设时宜大口朝下，但在埋设时,应在振捣后将上盖打开并用干棉纱将筒内混凝土泌水吸干。无应力计筒大口朝上时，虽然湿度可保持与周围混凝土一致，但上覆混凝土荷载将对筒内应力产生一定影响。(4) 测缝计埋设时，为使仪器获得最大量限，又保证仪器埋设时不致超量程损伤，宜针对不同种类测缝计，视不同坝型、部位和监测目的，在设计技术要求上对仪器埋设时的状态进行明确规定。2.2 电缆施工及保护目前差动电阻式仪器系统均为五芯观测系统，采用恒流源进行测量的数字读数仪已取代了水工比例电桥，观测精度受电缆影响大为降低，所以“规范”中对水工观测电缆的芯线电阻及其差值要求应作适当修改。具体指标可参考机械工业部通讯电缆的技术要求。近几年来塑套电缆在水工观测上应用已较普遍，“规范”中要求使用专用橡皮电缆应予以修改。电缆联接工艺对观测仪器的成活率和观测数据精度有很大影响，对于橡皮电缆宜采用硫化接头，亦可采用机械套管或热缩接头，塑套电缆应采用机械套管或热缩接头，一般采用机械套管（内填密封胶，两端O型止水）较热缩接头质量好，且易控制。“规范”对电缆牵引作了较具体的规定，但尚需补充几点要求： (1) 电缆水平牵引应沿钢筋引线，并加以保护，若有条件可加槽钢保护。因为混凝土在下料平仓振捣过程中，会给电缆产生较大的水平推力使电缆被拉断。 (2) 电缆牵引路线除与上、下游坝面距离应大于1.5米外，与坝体纵横缝及永久结构面距离应大于10厘米，以保护电缆不受仓面施工和灌浆影响而损坏。对于埋设在坝面可能承受水压力的电缆应采取有效的止水措施，防止水沿电缆进行渗透。3 观测及质量控制 仪器埋设后应按“规范”要求进行观测并记录观测数据，其观测数据反映被测物理量的变化，在连续测量时，若被测物理量不变或变化很小，则观测数据的变化也相应较小，但在观测过程中，观测系统出现故障，或者观测人员出现过失则可能造成观测数据的变化较大，所以在现场观测时，观测人员应对连续观测的前后数据进行检查比较，当相邻两次观测数据的变化较大时，应即时进行检查并分析，确认观测系统是否正常、观测过程是否存在过失误差。考虑到观测系统的允许误差、被测物理量的正常变化和现场观测的可操作性，根据以往工程的观测情况，对现场观测数据可作如下规定： 差动电阻式仪器系统电阻值观测数据前后相差大于0.2，应进行检查并确认该数据，必要时应进行仪器分线电阻测量，若已知由于坝体降温、仪器埋设点距边界很近且边界温度条件变化等原因引起，应确认其原因，同时在原始记录上做好记录；电阻比观测数据前后相差大于50.01，应反测电阻比，并对正反测电阻比进行质量控制。 振弦式仪器系统温度观测数据前后相差大于1，应进行检查并确认该数据；频率读数时应同时记录其周期读数，并互相校核，其计算频率相差应不大于2 Hz 。 “规范”中质量控制一节是针对差动电阻式仪器观测系统的，牵涉到电桥、集线箱、五芯电缆等一些新型设备，情况已大有变化，应该重写。这里拟就电阻比质量控制作如下说明: 电阻比质量控制采用正反测电阻比计算结果进行衡量，采用五芯观测系统后，Z正=R1/R2、Z反=R2/R1 ，Z正Z反=1。因为正反测电阻比是相对的，可假设Z正=（10000+A）0.01，一般0A500，则Z正Z反=（20000A2/（10000+A）0.01（20000（A/100）2）0.01。从以上可以得出：正反测电阻比的和与乘积都为常数（中值）。在现场进行质量控制时，一般采用正反测电阻比的和进行控制比较方便。由于国标GB/T3412-94规定仪表在正常工作条件下，电阻比Z误差20.01，根据误差传播定律，正反测电阻比的和（Z正Z反）最大允许误差（22+22）1/221.414=2.818，所以正反测电阻比的和可按下式进行控制：Z正Z反=（20000（A/100）2 3）0.01其中A为正反测电阻比中较大的一个电阻比读数减去10000 。4 仪器率定检验 “规范”附录五第一节中仅对几种差阻式仪器的率定进行了规定，由于监测仪器品种、型号的不断完善和丰富，应全面修改。首先，对于已定型的仪器，尽快组织编写国标或行业标准；第二，对于已建立国标或行业标准的仪器，其生产厂家应严格按产品标准执行；第三，工地现场安装埋设前的仪器率定检验的目的和要求应在规范中明确规定。4.1 工地现场检验的目的和要求 检验仪器主要性能参数是否合格，避免使用不合格产品； 检验仪器的稳定性，保证仪器的长期观测精度和使用寿命； 检验仪器出厂参数的可靠性，防止在引用参数上出现差错； 检查仪器是否损坏，防止在运输保管过程中已损坏的仪器埋入坝内； 现场检验的方法和技术要求应与相应国标和行业标准保持一致，没有建立国标和行业标准的应按企业标准执行； 仪器率定检验后经远距离运输颠簸，或率定检验后在不利环境条件下保存一年以上，埋设前应重新进行率定检验。4.2 检验项目及检验规则仪器出厂后埋设前，必须对每支仪器进行温度性能、力学性能、温度绝缘性能检验；对于承受水压力的孔隙压力计、压应力计等，应对其标称水压力下的绝缘性能进行检验，其余仪器均按3%数量随机抽样进行防水性能检验，且每一品种每批仪器至少有3个样品；观测电缆在使用前应抽样进行防水性能检验，按每2000米随机抽检两个样品（20m）作为1组进行检验，但每一型号每批电缆至少应有1组样品。每支仪器的温度性能、力学性能、温度绝缘性能必须合格；仪器防水性能检验若有一个样品不合格，必须对每一支仪器进行防水性能检验，剔除不合格品；电缆的防水性能检验若有一个样品不合格，则该组不合格，应以原样品数量的2倍随机取样进行复检，复检必须全部合格，否则该批该型号电缆不合格。4.3 试验方法和技术要求检验试验方法及技术要求应遵从相应国标或行业标准。首先，谈一谈差阻式仪器的检验问题： 中华人民共和国国家标准GB/T3408-94、GB/T3409-94、GB/T3410-94、GB/T3411-94、GB/T3413-94规定：端基线性度误差2 % F.S. (F.S.代表满量程，下同)，滞后1 % F.S.，不重复度1 % F.S.。 “规范”附表5.6规定重复性误差30.5 % F.S.，是82年版国标的要求，应予以修改。这里孔隙压力计和压应力计的滞后误差1 % F.S.是很难达到的，这是因为仪器的灵敏度偏低，满量程电阻比变化量仅1400.01左右，上行与下行只要相差2个电阻比，滞后误差就会超标，这虽是一个涉及到差阻式仪器国标的问题，但却是一个不可回避的实际问题，建议在规范中作如下说明：当电阻比满量程变化量低于2000.01时，上行与下行测值之差不得超过2个电阻比。 “规范”附表5.8规定：计算0 电阻R0限差0.03、 R0限差0.3、绝缘电阻绝对值RX（M）200 M，与国标94版规定有较大出入。 94版国标规定实测0 电阻R0变化量不应超过0.1，这是综合考虑仪器自由状态变化对电阻的影响和测量仪表的允许误差而确定的，所以“规范”附表5.8规定R0限差0.03是不合理的，应改为R0限差0.1； 根据国标GB/T3408-94附录A，R0（原文R0K）=1/+T1（1-/8T12），是一个仅与钢丝材料一、二次电阻温度系数、及试验温度T1有关的常数，一般同卷钢丝系数一致，不同卷钢丝是有差别的，一般对用同一批钢丝制造的每一支仪器试验测出R0，其R0为同一常数者可以认定为同一卷钢丝，R0相对误差允许0.3%，这是由R0，测量精度决定的。也就是说对于平均的R0340而言，其离散度允许1，那么“规范”要求R0限差0.3是不合理的。这里R0，需要在埋设前通过温度率定计算得出，其R0的限差要求实际上在温度检验误差0.5这里已作了综合考虑，所以“规范”中此条要求是重复的，宜取消。 仪器绝缘电阻应改为50 M，以符合国标要求。 国标94版中对仪器计算参数及各项误差的名称及符号作了一些修改，规范也应相应进行修改。 温度性能检测率定时，电阻温度计和差阻式仪器（孔隙压力计除外）分四档（0、20、40、60）进行，孔隙压力计取消60档。任一测试点的实际温度与通过实测电阻比和电阻所计算的温度之间最大差值（即温度检验误差）应不大于0.5，否则为温度性能检验不合格；然后用厂家提供的计算参数对每一测试点观测值进行温度计算，其与实际温度的最大差值称为厂家温度误差。由于率定系统本身的误差及差异，仪器钢丝在国标允许范围内的变化，厂家温度误差大于0.5是可能的，例如CF-12型测缝计，假设温度系数不变，R0变化0.1，则温度误差应在0.7以上。所以厂家温度误差不应作为检验仪器是否合格的依据，而只是检验厂家率定计算参数的可靠性，以便确定温度计算参数。 GB/T3413-94埋入式铜电阻温度计对温度性能率定检验的技术要求与实际情况有较大差别。 GB/T3413-94规定铜电阻温度计温度测量允许误差为（0.5+0.310-2t），这里的0.5应为印刷错误，实际为0.3。“规范”规定温度测量允许误差为0.3，应改为（0.3+0.310-2t）。 GB/T3413-94同时规定T-1型铜电阻温度计温度常数K应为50.3% K、0 时电阻值R0为46.600.1，但由于温度计制作材料特性变化、制造工艺误差、仪器端1m电缆电阻的影响，工地现场率定时出现R0和K超差的现象较普遍，实际上R0和K两个参数的误差在对其温度测量误差限差时已综合考虑了，不应另作限差要求，只是仪器出厂时应和差阻式仪器一样进行出厂率定，工地现场率定时其温度性能检验的试验方法和取值原则应和差阻式仪器的一致，只是技术要求应改为温度检验误差不大于（0.3+0.310-2t）。 铜电阻温度计的线性度高，测温精度较差阻式仪器要高，且稳定性好，实测0 电阻R0允许误差宜改为0.05，但是仪器出厂时应提供实测0 电阻R0以供比较。 94版国标规定，仪器最小读数f的相对误差不大于2%，与“规范”规定不大于3% 是矛盾的。这里国标规定的2% 是稳定性和耐运输颠振要求，其前后试验的计量器具和设备是相同的，而“规范”规定工地现场率定相对误差不大于3%，情况则完全不一样，由于器具、人员和设备的差异（在允许误差内），加上仪器出厂运输、保管后性能变化，出现相对误差2%f3%，应是可以接受的。特别是象压应力计、土压力计、钢筋计等，由于规定的试验加荷设备本身的允许误差较大及试验方法不完善带来的试验误差较大，其相对误差f3% 的现象并不少见，应尽快完善试验方法，并尽可能使用高精度设备，实际操作上宜将限差适当放宽为不大于5%。在仪器最小读数f的取值上，可按2%进行选择，当f2% 时选用出厂率定的仪器最小读数f值，当f2% 时选用工地率定的仪器最小读数f值。 近年来，振弦式仪器在工程上应用较多，一般参照差阻式仪器标准和岩土工程用钢弦式压力传感器GB/T13606-92进行率定检验，已积累了很多经验，为制订仪器标准打下了基础。这里仅就试验方法和技术要求进行讨论。 振弦式仪器目前多具有测温功能，且在读数仪表上直接显示温度值，但一般精度较差，在1以内（在仪器说明书上为0.5）。由于在混凝土坝应力应变监测中，温度是很重要的一个原因量，其精度不宜过低，建议温度率定后，对显示的温度（下称温度读数）与实际温度进行线性回归拟合，拟合直线的温度误差不应大于0.5。 振弦式仪器力学性能检验时，应视读数系统有所区别，对于以线性值（频率模数f2）读数的系统，可直接对读数进行线性回归拟合，计算其非线性度误差，然后按差阻式仪器试验方法计算其滞后和不重复度误差；对于以频率值f读数的系统，则可按GB/T13606-92的方法进行计算，计算其非线性度L、滞后H、不重复度R、综合误差Ec。技术要求可按差阻式仪器标准执行。 振弦式仪器的绝缘防水性能，是一个争论很久的问题。目前规程规范对振弦式仪器绝缘防水性能未提出明确要求，许多单位和从事安全监测的专业人员对此也缺乏足够的认识，认为弦式仪器绝缘度低并不影响仪器的测值。我们认为安全监测仪器埋设在水工建筑物结构内，属于隐蔽性工程，需要进行长期监测，要求其具有长期稳定性。仪器绝缘度偏低，甚至仪器内部受潮或进水，短期内可能不会影响测值，但必定造成仪器内部结构物理特性和电气性能产生缓慢变化，这就影响仪器的长期稳定性，甚至仪器失效。所以应对振弦式仪器绝缘度进