真空激光準(zhǔn)直測壩變形系統(tǒng)在哈達(dá)山水利樞紐工程中的應(yīng)用

徐巖彬，李俊富，彭立斌，李克綿，姜盛吉

（中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130021）

1 概述

哈達(dá)山水利樞紐工程是吉林省增產(chǎn)百億斤商品糧能力建設(shè)總體規(guī)劃項目中的骨干工程，也是國家“十一五”期間重點水利樞紐工程，位于第二松花江干流下游，壩址在吉林省松原市東南約20 km處，下距二松與嫩江匯合口60 km。樞紐工程集水面積 71 783 km2，總庫容 6.04×108m3，灌溉面積19萬hm2，是一座以灌溉和供水為主，兼顧生態(tài)環(huán)境保護(hù)供水、發(fā)電等綜合利用的大（Ⅰ）型水利樞紐工程，壩區(qū)樞紐工程由擋水土壩、溢流壩、河床式電站、重力壩組成。量均較大，觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)性及觀測精度均受氣候因素的影響。

3）垂線法雖然觀測精度滿足要求但工程投資大，同時為了觀測垂直位移必需配套靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)，導(dǎo)致工程投資進(jìn)一步提高。

綜上所述，設(shè)計采用真空激光準(zhǔn)直測壩變形系統(tǒng)作為哈達(dá)山水利樞紐的大壩外部變形觀測首選方法。

2.2方法的可行性

2 大壩變形監(jiān)測方法

2.1方法的選擇

在過去的幾十年里，國內(nèi)外大壩變形觀測技術(shù)經(jīng)歷了經(jīng)緯儀測量、精密水準(zhǔn)儀測量、視準(zhǔn)線法、引張線法、激光照準(zhǔn)法及波帶板激光衍射準(zhǔn)直法等（激光照準(zhǔn)法與波帶板激光衍射準(zhǔn)直法統(tǒng)稱為大氣激光法）。設(shè)計在選擇哈達(dá)山水利樞紐工程的大壩變形監(jiān)測方法時主要考慮了以下幾個因素：

1）哈達(dá)山水利樞紐工程為平原水庫，地質(zhì)條件差，常規(guī)大地測量方法中變形工作基點和基準(zhǔn)點位置的確定比較困難。

2）哈達(dá)山水利樞紐工程最大壩高約為18 m，變形量小，要求觀測精度高。視準(zhǔn)線法、引張線法、大地測量方法均無法滿足規(guī)范的精度要求。同時這些方法的工程投資及后期的管理與維護(hù)的工作

真空激光準(zhǔn)直測壩變形系統(tǒng)是波帶板真空激光準(zhǔn)直和一套真空管道合理結(jié)合的變形觀測系統(tǒng)，系統(tǒng)的激光束在真空中傳輸，可以消除大氣折光差對測量精度影響。該方法主要應(yīng)用于直線型大型水工建筑物的變形觀測，既適用于短壩，也適用于長度達(dá)千米的直線壩；不僅適用于溫度變幅大、位移大的壩頂，同樣適用于濕度大、位移小的基礎(chǔ)廊道；還可在長距離變形觀測中應(yīng)用，可同時測量水平位移與垂直位移。該方法有以下可行性：

1）哈達(dá)山水利樞紐工程為直線壩型，適合真空激光準(zhǔn)直測壩變形系統(tǒng)設(shè)計與實施；

2）真空激光準(zhǔn)直測壩變形系統(tǒng)具備觀測速度快、測量精度高、技術(shù)成熟可靠等優(yōu)點，滿足設(shè)計對該監(jiān)測項目的技術(shù)要求；

3）與其功能相同的監(jiān)測方法相比，該方法具有工程造價低，運行穩(wěn)定可靠，使用壽命長，維護(hù)簡單，后期投入小等優(yōu)點，性能價格比優(yōu)越，經(jīng)濟(jì)合理；

4）該方法可實時、精確地全天候自動化觀測，可把大壩運行安全工況及時地傳遞到有關(guān)部門，在水利應(yīng)急事件的處理方面占得先機，更好地保護(hù)人民的生命和財產(chǎn)的安全。

哈達(dá)山水利樞紐的大壩外部變形觀測最終選定采用“DB3200型真空激光準(zhǔn)直測壩變形系統(tǒng)”，該產(chǎn)品為水利部2008年度水利先進(jìn)實用技術(shù)，并在水利系統(tǒng)中進(jìn)行重點推廣。通過該系統(tǒng)的應(yīng)用，本項目獲得水利部科技推廣計劃項目資助。

3 系統(tǒng)原理

真空激光準(zhǔn)直測壩變形系統(tǒng)是把三點法激光準(zhǔn)直系統(tǒng)和一套適合大壩變形觀測特點的軟連接動態(tài)真空管道系統(tǒng)合理的結(jié)合起來的新系統(tǒng)。三點法激光準(zhǔn)直又稱為波帶板激光準(zhǔn)直。波帶板又稱菲涅爾透鏡，它是把菲涅爾半周期帶交替地做成通光帶和遮光帶的一種特殊設(shè)計的光柵。這種光柵被激光點光源發(fā)出的一束可見的單色相干光照射時，它的遮光帶會攔住衍射后將產(chǎn)生負(fù)干涉的激光束光線，和聚焦透鏡相類似，在光源中心和波帶板中心延長線上的一定距離處，形成一個中心特別明亮的衍射亮點（或十字亮線），并滿足公式：

式中：f——波帶板的焦距；u——波帶板到點光源的距離；v——波帶板到像點的距離。

如果在像點處布置固定的圖像捕獲裝置，只要固定其中兩點，就可以準(zhǔn)直第三點。“三點法激光準(zhǔn)直”也因此而得名。

如圖1所示，若在大壩兩端穩(wěn)定的地點分別固定點光源A和光斑成像裝置C（如果兩個端點非穩(wěn)定不變，可采用倒垂線及雙金屬標(biāo)法獲得端點位移），在需要觀測變形的各壩段測點上設(shè)相應(yīng)焦距的波帶板B，當(dāng)測點（波帶板中心）位移了一段距離δ（BB′，它的水平分量δx就是該點的水平位移，垂直分量δz就是該點的垂直位移），在光斑成像裝置處的光斑像點也位移了一段距離Δ（CC′）。通過圖像捕獲裝置測出Δ在兩坐標(biāo)軸上的分量Δx、Δz，有下列公式即可計算出測點B的水平、垂直兩向位移值：

限制三點法激光準(zhǔn)直精度的主要因素是傳輸空間折射率梯度及其變化的影響。這種影響可以分為兩部分：一是由于折射率梯度引起光束偏折，使像點位移，即折光差；另一是由于折射率梯度的瞬間變化——氣體湍流引起光束漂移，表現(xiàn)為像點抖動（位置變化）和閃爍（能量變化）。

通過大量的實驗得知：測點位移測值中包含的折光差和測點到兩端點的距離的乘積成正比，有極值存在，中間測點的折光差最大，向兩端遞減。折光差還和溫度梯度成正比，和氣壓成反比。如果設(shè)置真空管道，使激光束在真空中傳輸，由于氣壓大大減小，折光差也將大大減小。同時根據(jù)真空技術(shù)理論和試驗可知：當(dāng)真空度達(dá)到10 Pa的低真空度時，氣體流動狀態(tài)不再是湍流而變?yōu)閷恿鳎鲃拥臍怏w層平行，可以完全消除像點的抖動和閃爍現(xiàn)象。

4 系統(tǒng)組成及布置

4.1系統(tǒng)組成

“DB3200型真空激光準(zhǔn)直測壩變形系統(tǒng)”主要由采集工作站、發(fā)射端控制設(shè)備、接收端控制設(shè)備、抽真空控制設(shè)備及測點控制裝置等幾部分組成。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)請參見圖2。

發(fā)射端裝置布置有激光發(fā)射端控制箱、激光器、監(jiān)視器等。控制箱內(nèi)有激光電源和激光電源控制器，環(huán)境量檢測電路等。通過RS485通訊總線與綜合控制箱連接，可遙控也可現(xiàn)場手控，主要功能是控制激光器的開關(guān)，檢測環(huán)境量。

測點裝置內(nèi)設(shè)測點控制盒，通過RS485通訊總線與綜合控制箱相連，完成選點識別、控制波帶板位置功能，它的電源由綜合控制箱提供，波帶板的位置由光電開關(guān)檢測，可逆電機的運行由固態(tài)繼電器控制。

接收端裝置是本“系統(tǒng)”的中樞，布置有現(xiàn)場工控機、真空激光綜合控制箱、CCD坐標(biāo)儀，抽真空控制柜等。現(xiàn)場工控機與上位機系統(tǒng)相連，下與綜合控制箱相連，另外還接著CCD攝像機。可完成各種方式采集數(shù)據(jù)的全過程，監(jiān)視接收端、發(fā)射端的環(huán)境量，監(jiān)視管道內(nèi)的真空度，控制真空泵運行，調(diào)試CCD攝像參數(shù)等。

4.2系統(tǒng)布置

“系統(tǒng)”布置在重力壩、河床式電站及溢流壩段，共安裝真空激光準(zhǔn)直測點23個、倒垂線2套、雙金屬標(biāo)2套。“系統(tǒng)”激光軸線布設(shè)在距壩軸線29.0 m，即樁號為0-29.0 m處，激光軸線高程為144.80 m。發(fā)射端裝置布置在取水門庫右側(cè)觀測房內(nèi)，測點裝置在溢流壩段每個壩段（閘墩）中心線上布置一個測點，在河床式廠房壩段布設(shè)7個測點，共計23個測點。接收端裝置、真空泵組及測控裝置布置在副廠房頂部觀測房內(nèi)。為觀測壩體絕對位移，分別在發(fā)射端與接收端觀測房內(nèi)分別布置1套倒垂系統(tǒng)與雙金屬標(biāo)系統(tǒng)。

4.3系統(tǒng)實施

“系統(tǒng)”安裝過程嚴(yán)格按下列標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行：

1）嚴(yán)格按設(shè)計位置進(jìn)行真空管道發(fā)射端、接收端、測點測墩以及管道的支墩放樣和施工。按真空管道中心軸線的高程控制各墩安裝面的高程，對于長距離準(zhǔn)直考慮地球曲率對各墩高程要求的影響。

2）管道焊接應(yīng)按壓力管道二級焊縫的要求施焊，施焊時應(yīng)采用雙層焊法，第一層打底焊縫采用φ2.5焊條施焊，第二層蓋面焊縫可采用φ2.5或φ3.2焊條施焊。

3）真空管道焊接完成后，必須進(jìn)行檢漏試驗，檢漏按分段充氣初檢及最終的抽真空試驗檢驗兩個步驟進(jìn)行。

為保證測點箱和壩體牢固結(jié)合，并便于安裝調(diào)整，在每一測點處設(shè)1個混凝土測點墩，上置鋼面板，用插筋（帶螺桿）使面板和壩體聯(lián)為一體，再將測點箱緊固在面板上。為防止雨水等流進(jìn)坑內(nèi)，測點坑上加蓋鋼蓋板并有排水措施。

4）發(fā)射端激光光源底板安裝應(yīng)水平，然后安裝激光光源固定支架，通過調(diào)節(jié)螺栓調(diào)節(jié)激光管，使激光光源中心線在真空管道中心線上。

5）接收端底板安裝應(yīng)水平，然后安裝接收屏并保證接收屏的中心位于管道中心線上。

6）在工控機上安裝配套的系統(tǒng)調(diào)試及自動化數(shù)據(jù)采集軟件，進(jìn)行系統(tǒng)整體的綜合測試、組裝（集成）測試和確認(rèn)測試。

5 結(jié)語

“DB3200型真空激光準(zhǔn)直測壩變形系統(tǒng)”完全實現(xiàn)了自動化數(shù)據(jù)采集及遠(yuǎn)程控制自動化數(shù)據(jù)采集，具有高效率、高精度等優(yōu)點，觀測時不受外界條件影響，在惡劣氣象環(huán)境、特大洪水、地震等情況下仍可正常監(jiān)測大壩的運行情況。尤其對于北方寒冷地區(qū)，通過該系統(tǒng)的實施可解決大壩變形監(jiān)測項目的觀測工作勞動強度大、工時長、數(shù)據(jù)連續(xù)性與實時性較差等諸多問題。

“DB3200型真空激光準(zhǔn)直測壩變形系統(tǒng)”已在國內(nèi)多個大型水利水電工程中成功應(yīng)用，積累了大量的科研一手資料，該產(chǎn)品的穩(wěn)定性、可靠性及科技水平均遙遙領(lǐng)先國內(nèi)類似產(chǎn)品。目前系統(tǒng)在哈達(dá)山水利樞紐已完成大部分的安裝調(diào)試工作，并投入試運行，系統(tǒng)運行良好，取得了滿意的大壩變形觀測數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析，該系統(tǒng)精度滿足測量要求，測量成果符合大壩變形規(guī)律，證明該系統(tǒng)在哈達(dá)山水利樞紐工程中的推廣是成功的。