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摘 要：介绍SWT型步进式引张线仪及STC型步进式垂线坐标仪的设计原理及特性，阐述了该类仪器在三峡工程现场试验结果，通过对陈村水电站、潘家口水利枢纽等工程实测资料的数据缺失率、数据可靠性等方面的分析，认为该类仪器测值连续稳定，无突跳点，变幅较小，符合高边坡变形规律，是一种可信赖的能真正实现大坝安全自动监测的变形传感器．
关键词：大坝；变形监测；步进式仪器；三峡水利枢纽
大坝变形监测是大坝安全监测的必设项目，该项目可通过多种仪器实现自动化监测，但实测效果却有很大差别．测值的可靠性和精度取决于仪器的选型．SWT型步进式引张线仪及STC型步进式坐标仪曾先后在20座大坝上应用，实践证明步进式变形仪器是实现大坝变形监测自动化的理想仪器．步进式变形仪器是DG型分布式大坝安全监测自动化系统的主要组成设备，该系统1998年获国家科技进步三等奖．
1 步进式变形监测仪器原理
步进式变形监测仪器是由机电传动机构、光电测量及壳体组成的位移传感器．当仪器接到测量信号后，步进电机启动发出脉冲，同时经传动机构带动光电探头作直线运动，依次扫描第一基准杆、垂线或引张线、第二基准杆，测得垂线或引张线所处的位置坐标值及基准长度．仪器的准确度为0．1 mm，分辨力为0．01 mm，测量范围为30～100 mm．由于两根基准杆和仪器底板永远固定在大坝观测墩上，两根基准杆的间距即基准长度值是一个固定值，所以仪器每次测量均有自校功能．光电探头又设有备份照准装置，以防止测量数据丢失．引张线仪和垂线坐标仪的区别是：引张线仪探头只完成X单向位移测量，垂线坐标仪探头一次完成平面内X，Y两向位移的测量．
2 步进式变形监测仪器在三峡现场试验中的应用
为确保三峡水利枢纽水工建筑物安全监测数据的准确、可靠，长江水利委员会综合勘测局监测中心于2000年6月组织有关科研、生产单位在三峡永久船闸高边坡5号排水洞内安装各自生产的变形监测仪器——垂线坐标仪、引张线仪及测控装置，自成一个自动化小系统，遥测距离为400 m，要求每小时测量一次，数据自动存储．考核期为2年．由长江水利委员会综合勘测局监测中心负责管理，用严格的现场试验方法来优选仪器．
经抽签决定，南京水利水文自动化研究所在距洞口约1000 m深处的垂线房内，安装1台STC－50型步进式垂线坐标仪及MCU－30型测控装置，在离垂线房141 m的引张线测点墩上安装1台SWT－50型步进式引张线仪，引张线仪与测控装置的通讯电缆长400 m．该地点十分潮湿，仪器的运行环境很差．从安装到结束2年时间内，这两台仪器测值连续稳定，无突跳点，变幅较小，符合高边坡变形规律．用来自校的基准长度测值基本不变，表明仪器测量可靠．该仪器现已被三峡开发总公司用于三峡永久船闸的变形监测，从2001年12月起分期、分批在三峡永久船闸安装36台STC－100型步进式垂线坐标仪及9台MCU－2M型测量控制装置．为了适应船闸水位变化速度较快的特点，采用了一对一智能型模块化的测控装置，不但可满足量程大（100 mm）、测量速度快的要求，而且能实现永久船闸变形动态的实时监控．
2000年6月至2001年10月5号排水洞内测值过程线如图1所示．
3 步进式变形监测仪器在其他工程中的应用
步进式变形监测仪器已在葛洲坝水利枢纽等20多座大坝上应用，效果良好，现举两个实例供参考．
3．1 陈村水电站
陈村水电站位于安徽省泾县青弋江上游，由混凝土重力拱坝、坝后厂房、左右岸溢洪道及过木伐道组成，最大坝高76．3 m，坝顶弧长419 m．工程于1958年开工，1970年10月蓄水发电．
由于大坝在施工期受到某些因素的影响，坝体存在大规模水平裂缝，且坝基地质条件复杂，断层、裂隙及层间错动面纵横交错，尤其是河床18坝段以左，被3条大断层切割，致使左半部基础刚度明显削弱．为了监测大坝变形，在坝体内布置16条垂线、18个测点，分别监测3个代表性坝段和坝基两大断层及坝肩岩体的变形，1998年安装了DG型分布式大坝安全监测自动化系统，实现大坝水平位移监测自动化，共布置了19台STC－50型步进式坐标仪及7台MCU－30A型测控装置进行测量．
经过冬季低温和夏季高温高湿环境的考验，表明步进式坐标仪测量数据精确可靠，故障率低．仪器自身测距误差最大为±0．10 mm，最小为±0．02 mm，自动化与人工比测（限差为±0．28 mm）超限率为3．7％；局部故障率、数据缺失率均为0．61％．自动化仪器测得的坝体变形规律与理论分析完全相同．
1998年7月～2001年10月18号坝段的变形测值过程线（含自动化测量及人工测量两种）及环境量测值过程线如图2所示．
3．2 潘家口水利枢纽
潘家口水利枢纽坐落在河北省迁西县境内滦河干流上，水库主要为天津市、唐山市提供生活及工农业用水，结合供水发电同时兼顾防洪、灌溉及水产养殖等，枢纽由混凝土宽缝重力大坝、溢洪道、电站及两座土质副坝建成，最大坝高107．5 m，坝顶长1040 m，总库容29．3亿m3，装机4．2万kW．工程于1975年10月动工，1979年12月下旬蓄水，1981年4月并网发电．
潘家口大坝水平位移观测通过引张线和垂线实现．在高程202 m和高程154 m廊道布置了4条引张线，其长度分别为71．2 m，111．1 m，501．9 m，452．3 m，1999年共安装了57台SWT－50型步进式引张线仪，并接入DG型分布式大坝安全自动监测系统实现自动监测．
该系统已运行2年以上，现将高程202 m廊道引张线部分测点测值过程线示于图3，从过程线上看测值连续稳定变化，无突跳点，符合大坝变形规律． 
4 结 语
多年来在设计研究、加工工艺等方面的不断完善，使SWT型、STC型步进式变形监测仪器具有性能优越，测量准确，受外界干扰小等特点．由于这种仪器是非接触式的，在安装、运行和维修时均不会触碰垂线或引张线的线体，因而不但安装维修方便，而且不会干扰钢丝而带来测值误差，这正是步进式变形监测仪器的优越性之所在，在葛洲坝水利枢纽等20座大坝上的成功运行和三峡工程的现场试验都证明了这一点． () | 
