觀音閣水庫應用真空激光準直監測壩基位移

馬廣明，張亞迅，胡 鑫

（1.遼寧省觀音閣水庫管理局，遼寧本溪 117110；2.南水北調中線干線工程建設管理局河北直管項目建設管理部，河北 石家莊 050035）

1 工程概況

觀音閣水庫位于太子河干流上，距本溪市40 km，控制流域面積2795 km2，總庫容21.68億m3，是以城市供水和防洪為主，兼顧灌溉、發電和養魚的大（Ⅰ）型水利樞紐工程。攔河壩為碾壓混凝土重力壩，壩長1040 m，最大壩高82 m，總裝機2.075萬kW。工程1990年5月開工，1995年9月主體工程竣工。水庫大壩安全監測系統1990年開始建設，選用了當時較為先進的集中式數據采集系統。1996年6月監測工程完成，歷時6年。由于監測系統從設計、研制、生產、再到安裝和投入運行的時間跨度較大，加上系統結構復雜，可靠性差，及設備老化、監測環境惡劣等諸多因素，至2003年5月，系統全部停止了自動化監測，僅外觀變形和滲流項目維持人工監測。為了提高工程管理水平，提高監測精度，確保大壩安全，觀音閣水庫于2008—2010年實施了大壩安全監測系統改造工程。其中底層廊道位移監測設備，由中水東北勘測設計研究有限責任公司生產的XMT60X型真空激光準直系統，代替了原來的電容式單向引張線儀。

2 改造前底層廊道觀測情況

觀音閣水庫底層廊道，指5～42號壩段的灌漿廊道，底板高程190.0 m，廊道為城門洞型，斷面尺寸 3（4）×3.5 m（寬×高），總長 608 m。廊道內環境潮濕，每年3—12月份濕度接近70%，7—9月汛期時更甚，洞壁及頂拱間有溶蝕物垂掛和水珠滴滲，溫度常年小于10℃。1組（3條）引張線在距廊道上游壁30 cm處布設，總長度587.5 m，線體為d1.0 mm不銹鋼絲，保護管為D1l0 mm PVC管，34個測點上安裝了RY—20型單向引張線儀設備。水平位移以布設于5號、15號、28號、42號壩段的倒垂線為基準，自動觀測。另在每個測點墩頂面布設鋼標點，人工進行垂直位移觀測。引張線系統2000年初徹底癱瘓，停止自動化數據的采集。

3 選擇真空激光準直系統的理由

DL/T5178-2003《混凝土壩安全監測技術規范》之7.2.1推薦：“重力壩壩體和壩基位移宜采用引張線法、真空激光準直法和垂線法監測”，基于觀音閣水庫大壩安全監測系統改造工程的目的和客觀條件，經過分析認為：

1）大壩的變化是屬于毫米級，理想的觀測方法應該滿足及時、迅速、準確和長期穩定的要求。引張線和靜力水準觀測能夠滿足上述要求，但監測大壩變形時受外界干擾較大，且不能同時觀測水平位移和垂直位移，難以實現完全自動化。此外，引張線需要定期檢查線體及補充浮液，靜力水準需要定期補充工作液，“自動化”程度受限制，運行使用時維護工作量大。

2）真空激光準直系統的各個測點，設備均布設在真空管道內，不受外界溫度、濕度等環境條件的影響，觀測精度大為提高。相對精度達10-7，可同時測得大壩的水平位移和垂直位移，從本質上減少了觀測人員的日常觀測工作量。真空激光準直可進行3D測量，能在惡劣環境下工作，滿足了大壩變形監測及時、迅速、準確的要求。

3）不可否認，底層廊道的不良環境，可能影響真空激光準直這一精密設備的運行，但專家多方論證和認真分析后得出結論：“封閉在真空環境中激光設備本身就是一個干燥裝置，適合于潮濕環境”，況且真空激光準直已在北方的豐滿、太平哨、白石等多個工程上被證明應用效果良好，技術成熟。

4 監測系統

觀音閣水庫壩基真空激光準直系統按著所在部位，分成三個部分：現場設備（底層廊道）、采集工作站（電場二樓分控中心）、遠程計算機（管理局監控中心），系統水平位移的監測和校核基準，利用5號和42號壩段原有的1號、4號倒垂線，另在5號 和42號壩段（即發射端和接收端）新建雙金屬標，作為垂直位移的監測和校核基準，其鋼、鋁管深入基巖30 m。真空測控裝置位于密封的17號壩段的灌漿機室內，安裝2臺真空泵。

5 系統工作過程

作為“觀音閣水庫大壩安全監測分析評價系統（簡稱評價系統）”的子系統，真空激光準直相對獨立，其現場采集的原始數據不直接向“評價系統”提供，現場的測控裝置不存儲激光數據。真空激光準直系統工作過程分為兩部分：

1）以系統安裝時的1號、4號倒垂線測值為初值讀數，計算出本次水平位移的相對值，再從“評價系統”中提取已約定的某一時刻的1號、4號倒垂線成果，進行水平位移數值改正，得出絕對水平位移值。

2）以系統安裝時的雙金屬標初值讀數（該值由馬平溝水準基點引測而來）為基準，計算出此次垂直位移相對值，讀取此次的雙金屬標數據，進行垂直位移數值改正，得出絕對垂直位移值。

水平、垂直位移成果計算完畢，系統自動進行數據保存，同時向“評價系統”提交成果數據。

6 真空激光準直系統監測成果

真空激光測值規定：水平位移X向（上下游）下游為正，垂直位移Z下沉為正。

通過對監測數據進行分析表明：底層廊道各壩段的水平位移變形較穩定，隨著庫水位的漲落各壩段無較大變化。垂直位移變形較穩定，測點JLJG06～JLJG27垂直位移變化不明顯，隨著庫水位的漲落各壩段無較大變化；測點JLJG28～JLJG42垂直位移隨著庫水位的變化，各測點監測數據有一定的變化，但數據均在0附近浮動，未見突變異常情況。

7 采集工作站

原設計采集工作站設在現場，以達到數據采集迅捷、無損的目的，豐滿、太平哨、白石水庫等工程即為如此。但考慮運行方便，最大限度的減少潮濕環境對工作站的影響和減少觀測人員的工作量，最終將工作站由現場移至電廠二樓的分控室內，工作站與接收端通過USB2.0光纖延長器連接，線路長度接近1000 m。由于光纖遠程傳輸具有傳輸距離遠、抗電磁干擾等特點，外移工作站完全滿足了系統數據采集和傳輸的工作要求，此一項堪稱改造工程的創新點之。

8 結語

觀音閣水庫大壩真空激光準直系統在試運行考核期內，數據缺失率、設備平均無故障時間、人工觀測數據對比三項考核指標，完全滿足SL268-2001《大壩安全自動監測系統設備基本技術條件》的規定。數據采集及時、迅速、準確和長期穩定，過程線直觀、形象，日常維護量少，設備操作簡單等諸多優點，令觀測人員倍覺工作輕松、快樂。總而言之，觀音閣水庫大壩采用真空激光準直監測壩基位移，再一次驗證了該項技術的成熟、可靠，值得大力推廣、應用。