真空激光變形監(jiān)測系統(tǒng)在小灣雙曲拱壩中的應(yīng)用

彭欣欣，郝　靈，張　鵬，翟　笠（華能瀾滄江水電股份有限公司小灣水電廠，云南　大理 675702）

真空激光變形監(jiān)測系統(tǒng)在小灣雙曲拱壩中的應(yīng)用

彭欣欣，郝靈，張鵬，翟笠
（華能瀾滄江水電股份有限公司小灣水電廠，云南大理 675702）

小灣水電站真空激光拱壩三維變形監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，具有精度高，穩(wěn)定性好，數(shù)據(jù)采集速度快，智能化程度高等優(yōu)點(diǎn)，且系統(tǒng)故障率低，土建施工、設(shè)備安裝質(zhì)量較好。自動(dòng)化系統(tǒng)建成后，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、在線監(jiān)測、圖表制作、數(shù)據(jù)庫及其管理等功能，為大壩安全監(jiān)測提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。

雙曲拱壩；真空激光變形監(jiān)測系統(tǒng)；小灣水電站

1　工程概況

小灣電站混凝土雙曲拱壩壩頂高程1 245.00 m，建基面開挖高程950.50 m，最大壩高294.5 m，壩頂中心線弧長892.786 m；在大壩1 190、1 150、1 100、1 060、1 010 m高程分別布置了5條檢查廊道，用于檢查和觀測大壩內(nèi)部情況。

由于小灣雙曲拱壩壩高且壩體厚度較薄，在溫度及水荷載作用下，壩體的變形量明顯較混凝土重力壩大，變形與溫度、水位相關(guān)性更強(qiáng)，因此，施工、運(yùn)行期的變形監(jiān)測尤為重要。傳統(tǒng)的拱壩變形監(jiān)測技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)對各壩段變形量全面自動(dòng)化監(jiān)測，通過調(diào)研國內(nèi)外最先進(jìn)的監(jiān)測技術(shù)，結(jié)合小灣拱壩的特點(diǎn)，決定在大壩1 190 m高程廊道布置1條激光三維測量系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測量壩體的三維變形，作為對其他變形監(jiān)測儀器必要而有益的補(bǔ)充。

國內(nèi)多個(gè)工程的應(yīng)用實(shí)踐表明，真空激光變形監(jiān)測系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）具有長期可靠性與穩(wěn)定性。如太平哨水電站壩頂安裝的557 m長的真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)，每月進(jìn)行4次水平和垂直位移測量，已無間斷運(yùn)行34年；豐滿水電站壩頂安裝的999.4 m長的真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)已分別積累連續(xù)觀測數(shù)據(jù)30年。

（2）觀測精度高。真空激光變形監(jiān)測系統(tǒng)集光技術(shù)、通訊技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)于一身，主要利用激光的高方向性、高精度等特點(diǎn)，通過測量已知基點(diǎn)與待測點(diǎn)間相對位移，計(jì)算該測點(diǎn)的絕對位移變形。通過對國內(nèi)多個(gè)工程的歷年資料分析，空激光變形監(jiān)測系統(tǒng)的重復(fù)觀測精度（用中誤差衡量）為0.01～0.10 mm，準(zhǔn)確度（包括系統(tǒng)誤差在內(nèi)的綜合精度）為0.05～0.35 mm，能監(jiān)測出年變幅僅約1 mm的大壩變形規(guī)律及其異常變化。

（3）數(shù)據(jù)采集速度快，作業(yè)效率高。觀測一次的時(shí)間，包括管道抽真空的時(shí)間，一般不超過30 min，真空系統(tǒng)較長時(shí)也很少超過1 h，自動(dòng)觀測每個(gè)測點(diǎn)僅需15 s，只要把管道內(nèi)的真空度抽到工作真空度，隨時(shí)都可以觀測，并能及時(shí)將信息反饋及時(shí)處理，特別適合在惡劣的自然環(huán)境下（如特大洪水、地震等情況）監(jiān)測大壩的運(yùn)行情況。

（4）適用范圍廣。既適用于短壩，也適用于長壩，既適用于位移變幅大的壩頂，也適用于變幅較小的基礎(chǔ)廊道。由于觀測時(shí)激光在管道內(nèi)傳播，幾乎不受安裝位置、外界溫度、濕度等環(huán)境影響，加之系統(tǒng)定時(shí)真空自動(dòng)抽測的較高自動(dòng)化程度，該系統(tǒng)在國內(nèi)外大壩變形監(jiān)測中應(yīng)用十分廣泛。

由于激光只能沿直線傳播，傳統(tǒng)的真空激光變形監(jiān)測系統(tǒng)在直壩上應(yīng)用較多，但在拱壩應(yīng)用較少。拱壩在平面上呈曲線狀態(tài)，各壩段的測點(diǎn)均位于弧線上，經(jīng)過研究論證，將拱壩按照一定關(guān)系劃分成多個(gè)壩段，在每個(gè)壩段的測點(diǎn)上設(shè)置激光發(fā)射器和接收器，可以將弧線上測點(diǎn)的位移變化，轉(zhuǎn)變?yōu)橄揖€上測點(diǎn)位移變化，而局部的直線（壩段間）位移的測量，正好發(fā)揮激光測量的高亮度、高精度、高方向性的優(yōu)勢，可以一次性將測點(diǎn)三向位移的測值進(jìn)行自動(dòng)化采集測量，依此類推，再測量相鄰的下一個(gè)測點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)每一個(gè)壩段的三維位移自動(dòng)化監(jiān)測。

2　小灣拱壩真空激光變形監(jiān)測系統(tǒng)的組成及布置

2.1系統(tǒng)組成

真空激光變形監(jiān)測系統(tǒng)由激光發(fā)射部件、測點(diǎn)部件、激光接收部件、真空管道、真空發(fā)生設(shè)備、真空度檢測設(shè)備、激光裝置控制箱、數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)等構(gòu)成。

2.2系統(tǒng)測量原理

激光三維監(jiān)測方法是將拱壩按照一定的關(guān)系在同一水準(zhǔn)面上把拱壩分n段，n=0，1，…，i-1，i，i+1，…，n，其中i為自然數(shù)。在各個(gè)直線段相交處建立XYZ坐標(biāo)系，以坐標(biāo)系的圓點(diǎn)作為測點(diǎn)平臺(tái)，并在每個(gè)測點(diǎn)上設(shè)置激光發(fā)射器和激光接收器，激光發(fā)射器用于發(fā)射激光束，激光接收器用于接收大壩反應(yīng)變形量的激光信號(hào)，通過各測點(diǎn)安裝的相對位置和角度的關(guān)系建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)出各個(gè)坐標(biāo)系之間的關(guān)系，從而得到測點(diǎn)各方向的參數(shù)。

拱壩激光三維監(jiān)測，需在測線兩端布置兩個(gè)雙標(biāo)倒垂孔，孔深需滿足大壩安全監(jiān)測規(guī)范的要求。將孔底深層基巖處作為本系統(tǒng)位移的零位移點(diǎn)，在壩頂或廊道該孔位處，建立基礎(chǔ)點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)點(diǎn)（基點(diǎn)）建立XYZ三維空間坐標(biāo)系，可以通過基點(diǎn)引入裝置、垂線坐標(biāo)儀、雙金屬管標(biāo)儀測量出基點(diǎn)XYZ方向的絕對位移ΔX、ΔY、ΔZ及繞XYZ的轉(zhuǎn)角βX、βY、βZ。利用位移傳感器、激光電子水泡（測傾角）、激光器和相應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)測量出第二個(gè)點(diǎn)相對第一個(gè)點(diǎn)的相對位移ΔXi'、ΔYi'、ΔZi'，第二個(gè)點(diǎn)相對第一個(gè)點(diǎn)的相對轉(zhuǎn)角βXi'、βYi'、βZi'，根據(jù)第一個(gè)點(diǎn)與第二個(gè)點(diǎn)的分布參數(shù)（已知），間距Di及兩點(diǎn)間的連線的空間角θXi、θY i、θZi，即可建立空間六維方程組，從而求解第二個(gè)點(diǎn)的絕對位移ΔXi、ΔYi、ΔZi和繞XYZ的轉(zhuǎn)角βXi、βYi、βZi。依此類推，再測量相鄰的下一個(gè)測點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)每一個(gè)待測點(diǎn)的變形。基點(diǎn)引入裝置實(shí)現(xiàn)了對基點(diǎn)的絕對變形監(jiān)測。拱壩激光三維監(jiān)測原理圖如圖1所示。

圖1　拱壩激光三維監(jiān)測原理

2.3系統(tǒng)布置及后期改造

（1）在小灣電站混凝土雙曲拱壩1 190 m高程檢查廊道4～41號(hào)壩段靠上游側(cè)布置了一套HT-300型真空激光拱壩三維變形監(jiān)測系統(tǒng)，以4號(hào)壩段和41號(hào)壩段為基準(zhǔn)，用已有的垂線和新布置的雙金屬管標(biāo)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，每個(gè)壩段布置測點(diǎn)監(jiān)測壩段的三維變形，并在4號(hào)和41號(hào)壩段觀測間布置了兩套真空抽測系統(tǒng)。

（2）根據(jù)測點(diǎn)實(shí)際放線的情況，在每兩套測點(diǎn)的夾角大于4的情況下需要增加一套傾角測量儀才能滿足測量精度要求，因此實(shí)際施工中共增加8套傾角測量儀和2套繞角測量儀。

（3）測量系統(tǒng)原電源由19號(hào)壩段觀測間380 V電源箱提供，但由于電壓不穩(wěn)、經(jīng)常斷電，后對系統(tǒng)電源接入點(diǎn)進(jìn)行改造，從壩頂配電室和中控樓配電室分別引電源，形成雙電源切換裝置，防止系統(tǒng)斷電。

2.4運(yùn)行期監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2.4.1徑向變形

真空激光三維變形監(jiān)測徑向變形分布如圖2所示。從圖2可以看出，其變形規(guī)律與其他監(jiān)測手段基本吻合，總體呈兩岸向河床壩段向下游變形逐漸增大的“單峰型”特征，左右岸徑向變形基本對稱；與庫水位相關(guān)性較好，庫水位上升，壩體徑向向下游變形，庫水位下降則反之。

圖2　1 190 m高程真空激光三維變形監(jiān)測徑向變形分布

2.4.2切向變形

真空激光三維變形監(jiān)測切向變形分布如圖3所示。從圖3可以看出，其變形規(guī)律與其他監(jiān)測手段總體吻合。隨著庫水位上升，左岸測點(diǎn)向左岸變形，右岸測點(diǎn)向右岸變形，即呈現(xiàn)向兩岸岸坡方向變形趨勢。拱壩左右岸各壩段的變形的切向差值在2～4 mm之間，右岸變形略大于左岸變形。

圖3　1 190 m高程真空激光三維變形監(jiān)測切向變形分布

3　結(jié)語

小灣水電站真空激光拱壩三維變形監(jiān)測系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)合理，系統(tǒng)具有精度高，穩(wěn)定性好，數(shù)據(jù)采集速度快，智能化程度高等優(yōu)點(diǎn)，且系統(tǒng)故障率低，土建施工、設(shè)備安裝質(zhì)量較好。自動(dòng)化系統(tǒng)建成后，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、在線監(jiān)測、圖表制作、數(shù)據(jù)庫及其管理等功能，為大壩安全監(jiān)測提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。真空激光變形監(jiān)測系統(tǒng)在小灣水電站雙曲拱壩的成功應(yīng)用，為在建和擬建的類似工程提供了經(jīng)驗(yàn)和參考，大大提高了大壩安全監(jiān)測水平，對確保大壩安全運(yùn)行和水庫效益的發(fā)揮具有重要意義。

［1］張琳，易亞星，劉志勤.真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)在大壩變形監(jiān)測中的

（責(zé)任編輯焦雪梅）

Application of Vacuum Laser Deformation Monitoring System in Xiaowan Double-curve Arch Dam

PENG Xinxin，HAO Ling，ZHANG Peng，ZHAI Li
（Huaneng Hydro Lancang Xiaowan Hydropower Plant，Dali 675702，Yunnan，China）

The design of vacuum laser system for monitoring the three-dimensional deformation of arch dam in Xiaowan Hydropower Plant is reasonable.The system has high accuracy，good stability，fast data collection，high intelligence and low failure rate.The qualities of civil construction and equipment installation of the system are better.After putting into operation of the system，the functions of automatic data collection，on-line monitoring，chart generation and database management have been achieved，which provide reliable data supporting for dam safety monitoring.

double-curve arch dam；vacuum laser deformation monitoring system；Xiaowan Hydropower Station

TV698.11（274）

B

0559-9342（2015）10-0072-03

2015-07-29

彭欣欣（1988—），男，湖北隨州人，助理工程師，主要從事大壩運(yùn)行維護(hù)和安全監(jiān)測等相關(guān)工作.