对于加装热敏电阻来测试温度的其它高温仪器，通过率定试验发现，由读数器显示的温度并非真实温度，而是一组与温度近似成线性关系的温度读数。分别对其率定资料进行线性及二阶多项式回归分析，然后分别用回归分析所得计算参数和仪器出厂参数对实测值进行温度计算，再计算
1 概述
茅坪溪防护土石坝是三峡工程的重要组成部分。大坝按Ⅰ级建筑物设计，设计洪水位175.0m，校核洪水位180.4m。坝顶高程185.0m，最大坝高104m，主坝顶长1062m，坝顶宽12m。采用沥青混凝土心墙防渗，心墙长度885.75m，最大高度94m，厚0.8～1.2m。为了监测心墙的应力应变、位移及温度场变化规律，在茅坪溪防护大坝沥青混凝土心墙设计中布置了系统的监测仪器，仪器选用美国基康系列弦式仪器，其中部分是高温系列仪器。由于沥青混凝土是柔性材料，弹模低，变形大，且需高温施工，因而对安全监测提出了新的课题。
沥青混凝土施工时温度高达170℃左右，对安全监测仪器提出了耐高温要求，其高温仪器率定(检验)、安装埋设等在国内尚无成熟的理论和方法。为了探索高温仪器率定的最优方案，并取得在沥青混凝土中埋设高温仪器的经验，结合三峡茅坪溪防护大坝一期工程安全监测项目进行了沥青混凝土高温监测仪器率定、安装埋设的试验研究。
2 高温仪器率定原理、方法
三峡茅坪溪防护大坝一期工程沥青混凝土心墙中布置有高温位错计、压应力计、温度计。其中位错计埋设在混凝土基座与沥青混凝土心墙之间，监测沥青混凝土心墙相对于混凝土基座的水平位错变形；压应力计埋设在基座混凝土表面，监测沥青混凝土心墙底部正应力；温度计埋设在沥青混凝土心墙中，临测沥青混凝土心墙温度场及其变化规律。从仪器在心墙内的实际工况进行考虑，沥青混凝土铺筑时温度很高，达170℃左右，但高温持续时间很短，一般在24h后降至60℃～70℃，以后继续下降，直至环境温度，仪器在心墙内经受短时间高温后，即在常温下工作。对于位错计，由于首层铺筑对仪器影响很大，其测值反映的是施工对仪器的影响，并不代表心墙的实际变形，所以一般选择仪器埋设后温降稳定时测值作为基准值；对于压应力汁，一般选择沥青混凝土铺筑前测值作为基准值。所以我们认为：如果仪器在经受高温环境前后，其率定特性参数基本不变，则可认定该仪器满足高温要求。基于这种理论，我们确定采用高温油浴进行加热，同时提出以下率定方案：
①在常温下参照《混凝土大坝安全监测技术规范》SDJ-336-89对仪器进行力学性能、0℃～60℃温度性能及绝缘度检验。
②将仪器放入高温油浴中，分90℃、120℃、150℃、180℃四档加热(试验初期加温至150℃)，每级保持温度变化在±o.1℃以内的情况下恒温1小时以上，待测值稳定时进行检测。
③待仪器自然冷却，取出仪器，擦净，同①进行力学性能检验。
④将仪器放入压力水罐中，加压至0.5MPa进行绝缘度检验(对于压应力计，则结合力学性能检验在额定压力下进行绝缘度检验)。
⑤对高温温度计做冰点试验，将仪器放入0℃冰水混合物中2h以上，测试其频率读数进行稳定性检验。
3 率定资料处理及评判
3.1 温度性能检验
基康系列弦式仪器通过加装热敏电阻兼测温度，但GK-4700S型高温温度计是通过钢弦频率变化来测试温度的。其频率读数(f2/1000)与温度近似成线性关系，对0℃～180℃率定资料进行线性回归分析，然后用回归分析所得计算参数和仪器出厂参数分别对实测值进行温度汁算，再计算每档温度检验误差和出厂温度误差，可得：在0℃～180℃范围内，其温度检验误差较大，一般在±2℃以内。这是因为其频率读数与温度之间并非完全线性关系所致，为此，再对0℃～180℃范围率定资料进行二阶多项式回归分析，同样计算每档温度检验误差和出厂温度误差，在0℃～180℃范围内，其温度检验误差一般在±0.5℃以内。由于仪器主要在常温下工作，为了简化温度计算，对0℃～60℃范围率定资料进行线性回归分析，同样计算每档温度检验误差和出厂温度误差，在0℃～60℃范围内，其温度检验误差一般在±0.5℃以内。
对于加装热敏电阻来测试温度的其它高温仪器，通过率定试验发现，由读数器显示的温度并非真实温度，而是一组与温度近似成线性关系的温度读数。分别对其率定资料进行线性及二阶多项式回归分析，然后分别用回归分析所得计算参数和仪器出厂参数对实测值进行温度计算，再计算每档温度检验误差和出厂温度误差，同样可得上述结果。现将率定试验的几种仪器温度性能检验结果列于下表1。
通过对试验仪器进行温度率定试验研究可得：
①基康弦式高温仪器在全量程范围内其频率读数(温度计)或温度读数与温度之间线性度较差。温度计算时可按0℃～180~C线性回归值进行初略计算，或按二阶多项式进行精确计算，为简化计算过程，待温度降至60℃以下时，按0℃～60％线性回归值进行计算。
②基康弦式温度计虽然其温度测试分辨率较高，但测温精度并不高。国产DW-1型温度计高温测试稳定，其温度检验误差在±0.3℃以内，测温精度高，但其橡套电缆耐油性差，在高温油浴中溶化变形。
③建议将基康弦式仪器最大温度检验误差确定为±0.5℃。即按二阶多项式进行回归计算，其温度检验误差绝对值应≤0.5℃，否则为不合格。对于温度性能检验合格仪器，如果其出厂温度误差绝对值≤0.5℃，则选用出厂值进行温度计算，如果其出厂温度误差绝对值>0.5℃，则选用率定值进行温度计算。
3.2 力学性能检验
通过GK-403渎数仪显示的仪器频率读数为仪器振弦频率平方的千分之一。从仪器量测特性可知：仪器变形或应力与输出频率的平方差成正比关系。对仪器高温前后分档率定资料分别进行线性回归分析，然后按《岩土工程用钢弦式压力传感器》GB/T13606-92的要求和方法分别计算其分辨率r、额定输出Fn、滞后H、非线性度L、不重复度R、综合误差Ec。按下式计算其灵敏度系数相对误差。
a1=|Ks-k厂|/K厂×100%
a2=|ks'-K厂|/K厂×100%
a3=|ks'-ks|/ks×l00%
式中：a1——高温前标定灵敏度与出厂灵敏度相对误差
a2——高温后标定灵敏度与出厂灵敏度相对误差
a3——高温前标定灵敏度与高温后灵敏度相对误差
Ks——高温前标定灵敏度系数
Ks'——高温后标定灵敏度系数
K厂——仪器出厂灵敏度系数
仪器高温前、后力学性能检验中，其不重复度R、滞后H、非线性度L、综合误差Ec、高温前后灵敏度系数相对误差a3按表2进行控制，各项误差绝对值不得大于表中规定。
表2
对于力学性能检验合格仪器，如果仪器标定灵敏度系数与出厂灵敏度系数相对误差a1、a2均不大于3%，则取用出厂灵敏度系数K厂进行应力(位移)计算；否则按高温后标定灵敏度系数Ks'进行计算。
通过对基康系列弦式高温仪器进行力学性能率定试验，按上述方法对试验仪器率定资料进行计算，并将其各项检验误差列于表3。其各项误差均能满足要求，高温前后其各项力学特性参数变化很小。
表3 高温仪器力学性能比照表
3.3 绝缘度检验
目前国内规程规范对钢弦式仪器绝缘性能未提出明确规定，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。所以应对钢弦式仪器绝缘度进行检验，在O℃、60℃及0.5MPa水中其绝缘电阻应不小于50MΩ。
通过试验发现：耐高温仪器由于其防水密封O型圈经过150℃高温后变形；其仪器引出电缆(耐高温)外护套很薄，且经过高温后变脆，电缆极易破损，导致仪器绝缘性能较差，应引起仪器厂商重视，采用高温密封圈，加厚高温电缆外护套并采取适当的措施防止仪器引出电缆在运输中被损坏。
3.4 稳定性
通过率定试验发现：GK-4700S型温度计其温度检验误差均能满足要求，但率定结果与出厂值相差较大，这说明仪器稳定性较差，应对仪器稳定性进行检验。以仪器冰点频率读数作为考核仪器稳定性的指标，仪器在高温前后冰点实测值变化以及与出厂冰点值相差均应≤15个读数，否则为不合格。但是温度计出厂卡片上均未提供仪器冰点频率读数，建议仪器厂商提供仪器出厂冰点测值。
4 仪器埋设
沥青混凝土中埋设仪器对仪器、电缆、顶埋件及埋设方法均提出了很高的要求。沥青混凝土铺筑施工时温度高达170℃，摊铺机械的干扰，薄层(20cm左右)碾压施工以及施工速度快等是造成仪器埋设困难的主要原因。为此，我们进行了深入的研究，提出了解决问题的方法，并应用于茅坪溪防护大坝一期工程安全监测沥青混凝土心墙仪器埋设。
4.1 预埋件施工
预埋件均为铁构件，与仪器之间均为刚性连接，埋入常规混凝土中均应提前预埋，使之在沥青混凝土施工前凝固干燥；埋入沥青混凝土中则应进行处理，即预埋件除锈后，刷一层冷底子油或沥青，并保持清洁。
预埋件在沥青混凝土一端锚板尺寸，其高度宜小于20cm，宽度可适当增加。锚板应随沥青混凝土施工一并埋设，以保证锚板与沥青混凝土结合良好。
4.2 仪器安装埋设
仪器应尽量预埋以不影响沥青混凝土施工，上述位错计及压应力计均可预埋。位错计埋设时由于仪器与套筒之间连接很困难，宜一次整体预埋，埋设时将锚固在沥青混凝土中一端朝向下游，预拉1/10仪器量程，仪器活动部位用高温布包裹；压应力计埋设时仪器底部与砂浆接合应密实，没有空隙，其受力膜面朝上，在沥青混凝土摊铺前，应挤压补偿管，使仪器产生预应力，以提高观测精度；温度计埋设比较简单，待沥青混凝土摊铺后，在设计位置挖开沥青混凝土，埋入温度计铺平即可，但由于温度计测温存在滞后效应，测不到最高温度，建议将温度计在附近沥青混凝土中预热后埋设。所有仪器在埋入沥青混凝土前，均应刷一层冷底子油或沥青。
4.3 电缆联接及保护
采用热缩接头进行塑料屏蔽电缆联接，并对其进行防水性能试验，通过试验证明：热缩接头操作简便，防水性能良好，耐水压2MPa不漏水，在0.15MPa气压下不漏气，质量可靠，可用于塑料屏蔽电缆的联接。
基康耐高温电缆很细、很硬，外护套很薄，埋设时应包裹一层耐高温布或绝缘胶带，并注意不要过份弯折，以免损伤电缆。所有电缆应避免贯穿沥青混凝土心墙，电缆引出心墙后在过渡料中垂直上升，采用橡胶管做护套保护电缆，集中后用铁皮箱保护，效果很好。
铟钢丝位移计固定端锚固在沥青混凝土心墙内，通过水平钢钢丝引到坝体下游测站(铟钢丝一端挂重)，以监测沥青混凝土心墙水平位移。由于沥青混凝土是柔性材料，锚板在拉力作用下，在沥青混凝土内产生位移，位移量随荷载大小及加荷时间而变化，荷载越大、时间越长，位移越大。
这说明钢钢丝位移计采用这种锚固方式测得的心墙水平位移是心墙位移和锚板位移的代数和(不考虑测点变位及钢丝变化)，而锚板位移无法进行测试和估算。鉴于锚板受力后在沥青混凝土内产生位移，建议将铟钢丝位移计锚固端锚固在心墙下游过渡料中的锚固墩上，在锚固墩与心墙之间埋设两支位移传感器，由钢钢丝位移计测得的位移加上传感器测得的位移即为心墙位移。其安装结构及监测原理见图1。
4.5 埋设实例
三峡工程茅坪溪防护土石坝沥青混凝土心墙从1997年底开始施工至今，在沥青混凝土心墙及其过渡料中共埋设仪器47支，仪器埋设合格率100%，仪器完好率100%，其中耐高温仪器19支。从观测成果来看，较客观地反映了沥青混凝土心墙温度、应力及变形的变化规律。由于篇幅所限，不能对观测资料作详尽分析，只做简要介绍：沥青混凝土摊铺时入仓温度达172℃，由于温度计测温滞后效应及沥青混凝土散热降温很快，实测最高温度为145℃；沥青混凝土心墙底部压应力随心墙升高而不断增大，心墙上升23m时，测得压应力为～0.32MPa。沥青混凝土心墙相对于混凝土基座变形在施工期受施工影响较大，位错计在埋设初期，由于心墙上下游坝体填筑进度不同，施工机械荷载不均匀，造成心墙不同断面仪器间测值相差较大，除0+700附近仪器测得心墙向上游变形(-1.60mm)外，其余断面仪器测得心墙向下游变形，最大达17.75mm。
5 结语
①通过试验研究，收集了很多第一手资料，取得了沥青混凝土内高温监测仪器率定、埋设经验。
②阐述了高温仪器率定原理，提出了高温仪器率定的方法及评判标准，对仪器安装埋设施工中容易出现的一些问题进行了分析讨论，提出了相应的解决办法，并应用于茅坪溪防护土石坝沥青混凝土心墙安全监测，填补了国内空白。
③铟钢丝水平位移计在沥青混凝土心墙中的锚固问题有待进一步研究讨论。
④建议拟定进口弦式仪器检验标准，以规范国内水利工程监测仪器的检验工作。
参考文献
[2] 水利部，电力工业部．石坝安全监测技术规范(SL60-94)．北京：水利电力出版社．1994
[3] 国家技术监督局。岩土工程钢弦式压力传感器(CB/T13606-92)。
[4] 蒋长元，蒋颂涛等．沥青混凝土防渗墙．北京：水利电力出版社．1994
