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安全壳预应力环廊测量点传统沉降测量方法的替代系统

2024-01-26 69 上传者：管理员

摘要：在核电站安全壳服役过程中，安全壳在外界的作用下会产生沉降。通过布置构建筑物沉降测量系统对安全壳沉降进行测量，以对传统人工测量方法进行替代。选取安全壳整体打压试验期间，安全壳预应力环廊的沉降变化值作为测量对象，通过传统人工测量方法、沉降测量系统相对照的方式，对沉降监测数据进行数值对比分析。结果表明，构建筑物沉降测量系统在监测过程中，监测的预应力环廊的高程数据随试验载荷成相关性变化，与人工测量数据趋势相同，可对传统测量方法进行替代，具有极好的应用推广价值。

关键词：
安全壳
核电站
沉降测量
自动化测量
高程数据
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安全壳是核电站反应堆的重要组成部分，由预应力混凝土制成，其功能是保护堆芯不受外界作用的影响，防止核燃料熔毁工况下放射性的泄漏。自20世纪70年代以来，核电站建设单位不断升级安全壳设计，采用更加坚固的结构以降低安全壳失效概率，实现核电厂安全性的提升。

安全壳结构的失效将破坏反应堆完整性，造成放射性向环境中外泄的严重后果，为避免此情况的发生，核电厂运营方必须在反应堆的整个寿命周期内，定期对安全壳的结构进行检测，对其适用性进行评估，确保核电厂安全稳定运行。

电厂运营方对安全壳结构进行检测的项目包含结构形变参数监测。在结构形变参数监测中，预应力环廊测量点沉降变形量是一项非常重要的指标，该指标的快速测量和精准监测具有十分重要的意义。

本文从预应力环廊测量点沉降变形量传统测量方法的测量局限性出发，对具有沉降变形自动测量功能的构建筑物沉降测量系统进行介绍，并结合某核电站安全壳整体打压试验期间预应力环廊的沉降测量实例进行分析。

1、预应力环廊测量点传统沉降测量过程

预应力环廊测量点沉降变形量与安全壳的沉降量息息相关。安全壳作为大型建筑物，沉降量一般较小，在测量过程中，需要应用很精密的仪器，严格按观测周期进行监测，确保监测在允许的观测误差内进行，以达到沉降测量的目的[1]。

预应力环廊测量点沉降量的传统测量方法和以往工程沉降监测相同，依靠传统的光学水准测量，并采用等级水准的测量方式。该方法的观测过程较为复杂，而且存在多人协作、效率低、成本高等问题[2]。人工往返测量观测，耗时、耗力、作业时间长，每个测段都需要大量人力进行独立测量，并且为保证精度，还需要考虑时间、气候、环境等的影响，严重制约了测量的进度和效果，同时测量结果不能实时上传，导致结果滞后[3]。同时，传统的测量方法需要累计大量的工程经验和技术手段，监测周期较长，并且难以实现实时远程监测，不能及时发现问题、消除隐患[4]。

2、传统沉降测量在安全壳整体打压试验中的局限性

安全壳作为核电站的第三道安全屏障，在服役的过程中，需要定期执行安全壳整体打压试验以验证安全壳在失水事故下的密封性及结构强度。在安全壳整体打压试验中，需要在多个试验压力平台，针对不同试验载荷下安全壳的穹顶、筒体、底板、基础等结构响应进行测量，并根据测量数据对安全壳抗失水事故的能力进行评估。

在安全壳整体打压试验中，安全壳在试验载荷的作用下，在底板及筒体等结构位置产生变形，这些变形值存在变形量小、不易测量、数据瞬时变化不易捕捉的特点。传统沉降监测方法在该工况的应用场景下，具有以下技术不足：(1)测量数据受到人为因素、仪器精度的影响较大，在被监测数据较小的情况下，这些影响极易影响监测结果；(2)测量过程耗时长，需要在试验中停留压力平台以进行人工测量，影响试验开展效率；(3)测量频次很低，无法实现被测物的实时监测及监测数据趋势分析；(4)高程传递使用钢尺测量方法，钢尺受温度影响大，需要人工对钢尺的温度变形进行修正，计算复杂。

因此，在安全壳整体打压试验这类需要大量数据采集的过程中，传统沉降测量过程具有很大局限性，需要采用其他方案获取准确可靠的监测数据。

3、构建筑物沉降测量系统的设置

随着微电子技术、新型传感器及网络通信技术的发展，各种自动化监测系统在环境工程及重大建筑物中的应用十分广泛，应力、变形、渗压、渗流、应变、温度等自动化监测技术也越来越成熟[5]。在安全壳的沉降监测过程中，引入自动化监测设备，构建应用于核电站的构建筑物沉降测量系统，以对需要大量数据采集场景下的传统测量方案进行替代。

在构建筑物沉降测量系统的设置过程中，选取安全壳整体打压试验期间的安全壳预应力环廊的沉降变化值测量作为参考对象。延伸如下几点技术需求：(1)在构建筑物沉降监测中减少人员作业量，采用高精度采集部件进行测量替代，降低人为因素、仪器精度对测量精度的影响；(2)当存在较大高差时，利用高精度传感器实现高程测量值的精准传递，实现数据即时产生；(3)所有测量数据可实现实时监测，并可自动利用检测数据进行趋势分析。

依据技术需求，构建筑物沉降测量系统设置如下系统：沉降测量系统、高程传递系统、数据采集系统。

沉降测量系统：沉降测量系统在远离构建筑物位置的稳定地基上设置基准点，在待测沉降点上设监测点，将变形测量装置分别通过刚性连接方式，安装在基准点0、监测点1至监测点n上。变形测量装置间用柔性管道进行连接，内部在测量过程前注入液体，将液体充至适当高度后，利用振弦式测量原理，对液体液位进行测量，进而通过测量数据对监测点的高程变化值进行换算。以基准点0、监测点1为例，变形测量装置安装后，初始充入液体，依据伯努利原理装置内的液体液面在同一水平面上，基准点0、监测点1分别测得装置内液面距内置振弦式传感器起测点位置的距离为h0、h1。经过一段时间T1后的某一时刻t1，基准点0位置不变，监测点1发生沉降，沉降量为d1。因监测点1传感器的位置发生改变，基准点0传感器内的液体为保持液面在同一水平面，向监测点1传感器流动。此时基准点0、监测点1传感器分别测得液面距传感器起测点位置的距离为h0′、h1′，根据相对位置的几何关系，可以得出

d1=(h1′-h1)-(h0′-h0）。

同理，可以得出当第n个监测点发生沉降时，沉降量的通式为

dn=(hn′-hn)-(h0′-h0）。

由此，只要测出初始安装时刻，及后续任一时刻t1基准点0及各监测点液面到传感器起测点位置的距离，即可得出监测点相对于基准点0在T1时段内的沉降量。若得出的数值为正值，说明该测点抬升了。由于沉降测量系统监测的沉降量是实时得到的，因而除可测量构建筑物的沉降值，还可实时换算沉降量变化速率，为构建筑物后续的老化评估提供依据。

高程传递系统：当测量位置存在较大高差时，需要采用高程传递方法将高程从一个水平面传递到另一个水平面。在预应力环廊测量点的测量中，预应力环廊待测点与稳定地基上的基准点存在将近6 m的高差，需要利用高程传递系统对垂直位移进行监测，这是联系待测点和稳定地基基准点的一个重要纽带，以达到统一高程测量基准的目的。高程传递系统由刚性长杆、位移传感器及张紧结构构成。刚性长杆采用受温度、张力影响小的材料，以减少外界因素影响，达到高程传递的目的。高精度位移传感器为高程传递测量的重要结构，该结构通过螺纹连接于刚性长杆，刚性长杆极大程度缩短位移传感器的量程，为位移传感器高精度的配置提供条件。位移传感器下端通过张紧结构与预应力环廊结构进行连接，张紧结构的设置可弥补刚性长杆长度与现场结构高度间的差值，使刚性长杆适用于多种工作场景，同时张紧结构也可调整位移传感器初值，避免位移传感器测量空行程，也可使位移传感器工作于测量敏感区域。

高程传递系统在现场布置中通过刚性连接与被监测结构固定，当预应力环廊待测点与基准点间高差产生变化时，位移传感器监测值随之变化，实现两者间高程的实时传递。

数据采集系统：数据采集系统内主要包含数据采集单元、数据处理存储单元及指令发送单元。数据采集单元中包含供电部件、激振部件、测量部件，可对沉降测量系统内有源、无源传感器提供激励并进行信号采集。数据处理存储单元将采集传感器的数据信息进行存储，进行可视化处理，以供现场作业人员在下位机进行即时数据查看、变化趋势分析。指令发送单元接受上位机指令信号，进行编译后向数据采集单元、数据处理存储单元发送相关采集指令。数据采集系统与系统内的采集传感器通过有线连接，将沉降测量系统及高程传递系统的位移信息定时传递至监控主机，采集系统具备数据云端功能，以便于数据分析人员远程对测量信息进行监测及分析。

4、构建筑物沉降测量系统在预应力环廊测量点现场应用的对比分析

4.1工程概况

某核电站预应力环廊位于安全壳下部，处于厂区基准面-12 m处，环廊高度2 m，宽度2 m，为环形结构，对应环廊的监测长度约为120 m。

4.2监测实施

2022年9月，采用构建筑物沉降测量系统对该电站安全壳整体打压试验期间的预应力环廊沉降进行监测。根据现场情况，在预应力环廊内每10 m处布设一个监测点，环廊内共计布设13个监测点，基准点0布设在远离变形影响区域外的-6.7 m的厂房内，高程传递系统布置于预应力环廊洞口。监测点布设如图1所示。在变形测量装置的布置过程中，各装置与结构采取刚性连接，以便即时跟踪结构变形响应。高程传递系统上下两端布置变形测量装置，高程传递装置下端的变形测量装置作为预应力环廊内监测点的临时基准点，临时基准点的高程变化通过高程传递装置进行传递。由于变形测量装置存在通液管和通气管，造成系统布设的软管长度较长，为避免现场人员场地交叉作业影响现场监测，导致测量结果偏差，软管在布置过程中采用了牢靠固定方式和保护方法。此外，在布置各测量装置通信电缆的过程中，考虑了通信电缆标识、走线方向和屏蔽保护方式，以避免通信电缆连接错误及外界噪声产生的信号干扰。在电缆布置的过程中，通过优化线路，最大程度远离预应力环廊墙壁搭设供电电缆。

图1构建筑物沉降测量系统监测点布置图

系统内各测量装置传感器安装好后，利用手持式数据采集器对各传感器数据进行调试采集，确认传感器数据正常后，将通信电缆连接至数据采集系统，按照预设5 min采集1次的采集频率对所接入的传感器进行数据采集。采集数据采集后上传至监控主机，主机内部配置显示软件实现预应力环廊沉降的在线监测。

4.3监测数据分析

在项目的整体实施过程中，构建筑物沉降测量系统运转稳定，采集数据完整，采集频次较人工测量存在大幅的提升。图2为安全壳整体打压试验前系统监测数据，由监测数据可见，预应力环廊的高程监测数据最大变化值为0.02 mm，相关高程数据变化处于仪器采集正常波动范围，各监测点的高程值基本不变，表明取

图2安全壳整体打压试验前安全壳预应力环廊测量点测量数据

图3为安全壳整体打压试验实施期间系统的监测数据。可以发现，自试验开始后，预应力环廊的高程监测数据随时间推移而上升，该表现原因为试验期间试验载荷不断加大，安全壳受试验载荷影响发生变形，预应力环廊随之发生变形。在试验后期，试验载荷卸载，安全壳变形恢复，预应力环廊沉降监测数据随之恢复。可以看到，在整体的监测过程中，预应力环廊的高程监测数据随试验载荷成相关性变化，测量结果可反应预应力环廊测量点在试验期间发生的沉降。

图3安全壳整体打压试验期间安全壳预应力环廊测量点测量数据

4.4构建筑物沉降测量系统与人工沉降监测数据对比分析

为评估构建筑物沉降测量系统的测量准确性，在系统监测期间，采用传统人工测量方法对预应力环廊进行同步监测，以便进行比较分析。对比两方案的数据分析结果，人工监测数据与沉降测量系统对各监测点的监测数据都随时间呈现相同变化趋势，2种方法的监测数据的变化量基本一致。试验期间，最大的变化量出现在安全壳整体打压试验最高压力平台的201监测点，测量结果为0.21 mm。

4.5系统应用过程的影响因素

因系统传感器采集原理，构建筑物沉降测量系统在现场监测过程中，会受到气压、温度、外界震动和液体蒸发等外界因素的影响。因预应力环廊为已竣工建筑的内部环境，且为地下结构，试验温度基本恒定，测量环境内无通风设施，各监测点间气压影响因素可忽略，同时安全壳整体打压试验监测时间短，也为降低外界因素影响提供条件。相比以往监测应用场景，构建筑物沉降测量系统在该工况下适用性更高，影响因素更少，但在应用过程应考虑作业期间其他作业人员对系统的误碰风险，并采取相应保护提醒措施。

5、结束语

基于某核电站预应力环廊测量结果，对比安全壳整体打压试验前及试验期间构建筑物沉降测量系统的采集数据可知，在试验前测量系统采集数据处于正常波动范围，当试验期间存在试验载荷的情况下，采集数据最大变化值出现在试验的最高压力平台，试验载荷卸载，变化值恢复，构建筑物沉降测量系统的采集数据与试验载荷呈现较强的相关性。

从构建筑物沉降测量系统的采集数据与人工方法的测量数据对比分析结果可以看出，两者监测数据的结果趋势保持一致。

结果表明，构建筑物沉降测量系统具有采集数据即时产生、监测数据量大、数据结果自动分析的特点，在核电站安全壳整体打压试验工况下，可对预应力环廊测量点测量过程中的传统人工方法进行替代。同时，该系统在综合考虑外界因素影响的情况下，可应用于核电站各类构建筑物沉降变形的日常监测，具有极好的应用推广价值。

参考文献:

[1]郑志勇,张光华.高大型建筑物沉降监测的方法及精度分析[J].地矿测绘,2005(3):23-24.

[2]李啸啸,张晓松.静力水准系统在水工建筑物沉降监测中的应用[J].大坝与安全,2014(6):62-65,71.

[3]张训虎,章磊,王晓奇.基于GPS的高速铁路沉降观测可行性研究[J].测绘通报,2014(10):92-94,97.

[4]陈龙浩,郭广礼,朱晓峻,等.液体静力水准仪变形监测精度分析[J].煤矿安全,2015,46(3):201-204.

[5]贺丽娟.自动化监测系统在高速铁路线下工程变形中的应用[J].自动化与仪器仪表,2015(9):42-43.

文章来源:杜长琦,郑磊,杨毅春等.安全壳预应力环廊测量点传统沉降测量方法的替代系统[J].科技创新与应用,2024,14(04):20-23.

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期刊名称：榆林科技

期刊人气：947

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主管单位：榆林科学技术局

主办单位：榆林市科学技术信息研究所

出版地方：陕西

专业分类：科技

创刊时间：1978年

发行周期：季刊

期刊开本：大16开

见刊时间：1-3个月

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