對于加裝熱敏電阻來測試溫度的其它高溫儀器，通過率定試驗發現，由讀數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系的溫度讀數。分別對其率定資料進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和儀器出廠參數對實測值進行溫度計算，再計算
1 概述
茅坪溪防護土石壩是三峽工程的重要組成部分。大壩按Ⅰ級建筑物設計，設計洪水位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。為了監測心墻的應力應變、位移及溫度場變化規律，在茅坪溪防護大壩瀝青混凝土心墻設計中布置了系統的監測儀器，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，因而對安全監測提出了新的課題。
瀝青混凝土施工時溫度高達170℃左右，對安全監測儀器提出了耐高溫要求，其高溫儀器率定(檢驗)、安裝埋設等在國內尚無成熟的理論和方法。為了探索高溫儀器率定的最優方案，并取得在瀝青混凝土中埋設高溫儀器的經驗，結合三峽茅坪溪防護大壩一期工程安全監測項目進行了瀝青混凝土高溫監測儀器率定、安裝埋設的試驗研究。
2 高溫儀器率定原理、方法
三峽茅坪溪防護大壩一期工程瀝青混凝土心墻中布置有高溫位錯計、壓應力計、溫度計。其中位錯計埋設在混凝土基座與瀝青混凝土心墻之間，監測瀝青混凝土心墻相對于混凝土基座的水平位錯變形；壓應力計埋設在基座混凝土表面，監測瀝青混凝土心墻底部正應力；溫度計埋設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律。從儀器在心墻內的實際工況進行考慮，瀝青混凝土鋪筑時溫度很高，達170℃左右，但高溫持續時間很短，一般在24h后降至60℃～70℃，以后繼續下降，直至環境溫度，儀器在心墻內經受短時間高溫后，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后溫降穩定時測值作為基準值；對于壓應力汁，一般選擇瀝青混凝土鋪筑前測值作為基準值。所以我們認為：如果儀器在經受高溫環境前后，其率定特性參數基本不變，則可認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《混凝土大壩安全監測技術規范》SDJ-336-89對儀器進行力學性能、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℃以內的情況下恒溫1小時以上，待測值穩定時進行檢測。
③待儀器自然冷卻，取出儀器，擦凈，同①進行力學性能檢驗。
④將儀器放入壓力水罐中，加壓至0.5MPa進行絕緣度檢驗(對于壓應力計，則結合力學性能檢驗在額定壓力下進行絕緣度檢驗)。
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，測試其頻率讀數進行穩定性檢驗。
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(f2/1000)與溫度近似成線性關系，對0℃～180℃率定資料進行線性回歸分析，然后用回歸分析所得計算參數和儀器出廠參數分別對實測值進行溫度汁算，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，其溫度檢驗誤差較大，一般在±2℃以內。這是因為其頻率讀數與溫度之間并非完全線性關系所致，為此，再對0℃～180℃范圍率定資料進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，其溫度檢驗誤差一般在±0.5℃以內。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，其溫度檢驗誤差一般在±0.5℃以內。
對于加裝熱敏電阻來測試溫度的其它高溫儀器，通過率定試驗發現，由讀數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系的溫度讀數。分別對其率定資料進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和儀器出廠參數對實測值進行溫度計算，再計算每檔溫度檢驗誤差和出廠溫度誤差，同樣可得上述結果。現將率定試驗的幾種儀器溫度性能檢驗結果列于下表1。
通過對試驗儀器進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其頻率讀數(溫度計)或溫度讀數與溫度之間線性度較差。溫度計算時可按0℃～180~C線性回歸值進行初略計算，或按二階多項式進行精確計算，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DW-1型溫度計高溫測試穩定，其溫度檢驗誤差在±0.3℃以內，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℃。即按二階多項式進行回歸計算，其溫度檢驗誤差絕對值應≤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℃，則選用率定值進行溫度計算。
3.2 力學性能檢驗
通過GK-403瀆數儀顯示的儀器頻率讀數為儀器振弦頻率平方的千分之一。從儀器量測特性可知：儀器變形或應力與輸出頻率的平方差成正比關系。對儀器高溫前后分檔率定資料分別進行線性回歸分析，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、不重復度R、綜合誤差Ec。按下式計算其靈敏度系數相對誤差。
a1=|Ks-k廠|/K廠×100%
a2=|ks'-K廠|/K廠×100%
a3=|ks'-ks|/ks×l00%
式中：a1——高溫前標定靈敏度與出廠靈敏度相對誤差
a2——高溫后標定靈敏度與出廠靈敏度相對誤差
a3——高溫前標定靈敏度與高溫后靈敏度相對誤差
Ks——高溫前標定靈敏度系數
Ks'——高溫后標定靈敏度系數
K廠——儀器出廠靈敏度系數
儀器高溫前、后力學性能檢驗中，其不重復度R、滯后H、非線性度L、綜合誤差Ec、高溫前后靈敏度系數相對誤差a3按表2進行控制，各項誤差絕對值不得大于表中規定。
表2
對于力學性能檢驗合格儀器，如果儀器標定靈敏度系數與出廠靈敏度系數相對誤差a1、a2均不大于3%，則取用出廠靈敏度系數K廠進行應力(位移)計算；否則按高溫后標定靈敏度系數Ks'進行計算。
通過對基康系列弦式高溫儀器進行力學性能率定試驗，按上述方法對試驗儀器率定資料進行計算，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特性參數變化很小。
表3 高溫儀器力學性能比照表
3.3 絕緣度檢驗
目前國內規程規范對鋼弦式儀器絕緣性能未提出明確規定，許多單位和從事安全監測的專業人員對此也缺乏足夠的認識，認為弦式儀器絕緣度低并不影響儀器的測值。我們認為安全監測儀器埋設在水工建筑物結構內，屬于隱蔽性工程，需要進行長期監測，要求其具有長期穩定性。儀器絕緣度偏低，甚至儀器內部受潮或進水，短期內可能不會影響測值，但必定造成儀器內部結構物理特性和電氣性能產生緩慢變化，這就影響儀器的長期穩定性，甚至儀器失效。所以應對鋼弦式儀器絕緣度進行檢驗，在O℃、60℃及0.5MPa水中其絕緣電阻應不小于50MΩ。
通過試驗發現：耐高溫儀器由于其防水密封O型圈經過150℃高溫后變形；其儀器引出電纜(耐高溫)外護套很薄，且經過高溫后變脆，電纜極易破損，導致儀器絕緣性能較差，應引起儀器廠商重視，采用高溫密封圈，加厚高溫電纜外護套并采取適當的措施防止儀器引出電纜在運輸中被損壞。
3.4 穩定性
通過率定試驗發現：GK-4700S型溫度計其溫度檢驗誤差均能滿足要求，但率定結果與出廠值相差較大，這說明儀器穩定性較差，應對儀器穩定性進行檢驗。以儀器冰點頻率讀數作為考核儀器穩定性的指標，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≤15個讀數，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，建議儀器廠商提供儀器出廠冰點測值。
4 儀器埋設
瀝青混凝土中埋設儀器對儀器、電纜、頂埋件及埋設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170℃，攤鋪機械的干擾，薄層(20cm左右)碾壓施工以及施工速度快等是造成儀器埋設困難的主要原因。為此，我們進行了深入的研究，提出了解決問題的方法，并應用于茅坪溪防護大壩一期工程安全監測瀝青混凝土心墻儀器埋設。
4.1 預埋件施工
預埋件均為鐵構件，與儀器之間均為剛性連接，埋入常規混凝土中均應提前預埋，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進行處理，即預埋件除銹后，刷一層冷底子油或瀝青，并保持清潔。
預埋件在瀝青混凝土一端錨板尺寸，其高度宜小于20cm，寬度可適當增加。錨板應隨瀝青混凝土施工一并埋設，以保證錨板與瀝青混凝土結合良好。
4.2 儀器安裝埋設
儀器應盡量預埋以不影響瀝青混凝土施工，上述位錯計及壓應力計均可預埋。位錯計埋設時由于儀器與套筒之間連接很困難，宜一次整體預埋，埋設時將錨固在瀝青混凝土中一端朝向下游，預拉1/10儀器量程，儀器活動部位用高溫布包裹；壓應力計埋設時儀器底部與砂漿接合應密實，沒有空隙，其受力膜面朝上，在瀝青混凝土攤鋪前，應擠壓補償管，使儀器產生預應力，以提高觀測精度；溫度計埋設比較簡單，待瀝青混凝土攤鋪后，在設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，測不到最高溫度，建議將溫度計在附近瀝青混凝土中預熱后埋設。所有儀器在埋入瀝青混凝土前，均應刷一層冷底子油或瀝青。
4.3 電纜聯接及保護
采用熱縮接頭進行塑料屏蔽電纜聯接，并對其進行防水性能試驗，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，質量可靠，可用于塑料屏蔽電纜的聯接。
基康耐高溫電纜很細、很硬，外護套很薄，埋設時應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，采用橡膠管做護套保護電纜，集中后用鐵皮箱保護，效果很好。
銦鋼絲位移計固定端錨固在瀝青混凝土心墻內，通過水平鋼鋼絲引到壩體下游測站(銦鋼絲一端掛重)，以監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，在瀝青混凝土內產生位移，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和(不考慮測點變位及鋼絲變化)，而錨板位移無法進行測試和估算。鑒于錨板受力后在瀝青混凝土內產生位移，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。其安裝結構及監測原理見圖1。
4.5 埋設實例
三峽工程茅坪溪防護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儀器47支，儀器埋設合格率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、應力及變形的變化規律。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172℃，由于溫度計測溫滯后效應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力隨心墻升高而不斷增大，心墻上升23m時，測得壓應力為～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，位錯計在埋設初期，由于心墻上下游壩體填筑進度不同，施工機械荷載不均勻，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17.75mm。
5 結語
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高溫監測儀器率定、埋設經驗。
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準，對儀器安裝埋設施工中容易出現的一些問題進行了分析討論，提出了相應的解決辦法，并應用于茅坪溪防護土石壩瀝青混凝土心墻安全監測，填補了國內空白。
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一步研究討論。
④建議擬定進口弦式儀器檢驗標準，以規范國內水利工程監測儀器的檢驗工作。
參考文獻
[2] 水利部，電力工業部．石壩安全監測技術規范(SL60-94)．北京：水利電力出版社．1994
[3] 國家技術監督局。巖土工程鋼弦式壓力傳感器(CB/T13606-92)。
[4] 蔣長元，蔣頌濤等．瀝青混凝土防滲墻．北京：水利電力出版社．1994
