嚴寒地區長距離真空激光準直系統在壩體變形監測中的應用研究

美麗古麗·買買提，吳 艷，周富強，朱明遠

(新疆水利水電科學研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

大壩的原型觀測開始于19世紀末，但真正受到廣泛重視并開始得到較快的發展還是在1959年法國馬爾巴塞壩(Malpasset)以及1963年意大利瓦意昂(Vajont)壩發生重大事故之后。法國馬爾巴塞拱壩的失事，給人們重要的教訓之一是必須及時分析觀測資料。由幾個世紀各類壩型的經驗教訓可以得出，盡早地對觀測資料進行處理、分析，對掌握大壩的性態、保證大壩安全是至關重要的一個環節。

大壩的位移變形是大壩安全監測中主要指標之一，主要包括水平和垂直2個方向位移監測，監測設備主要有：正(倒)垂線、引張線、真空激光準直及靜力水準等。其中激光準直的測量方式主要利用激光方向性好、觀測精度高，量測距離長的優勢，在20世紀80年代初就運用于大壩的內部變形觀測。為消減激光在大氣傳播中折射和散射帶來的影響，工程應用中一般使激光束在一定真空度的密封真空管道中傳播，通過應用真空激光準直的測量，綜合誤差可控制在0.3mm/1000m以內，在提高精度量測的同時也為長距離觀測提供了保證。

本文通過統計模型對壩體絕對位移進行分析，可供相關研究人員和工程參考。

1 工程設計與方法

1.1 真空激光準直系統及布置方案

以NJG型真空激光準直系統為例，該系統采用He-Ne激光器，其發出的激光穿過與大壩待測變形部位固定連接在一起的波帶板(菲涅爾透鏡)，在接收端的成像屏上形成一個衍射光斑。利用CCD(電荷耦合元件Charge Coupled Device)坐標儀測出光斑在成像屏上的位移變化，即可求得大壩待測部位相對于激光軸線的位移變化。

真空激光準直監測系統主要有激光點光源、測點箱、波帶板及可控翻轉機構、CCD坐標儀、采集及控制系統、真空設備、激光系統控制單元組成。結構示意圖如圖1所示。

為了監測混凝土重力壩壩體的平面和垂直方向變形，在SS#～BS#(315.0m)壩段的監測廊道內平行壩軸線布設一條真空激光準直線以監測壩體頂面變形；在EY～SE(1210.0m)壩段的76.5m高程廊道內平行壩軸線布設一條真空激光準直線監測壩體內部變形。激光軸線高程分別為77和113.85m。各測點的布置見表1—2。

1.2 現場安裝與調試

首先嚴格按照設計位置完成測墩土建工作，測墩與設計值的偏差控制在±3 mm以內。在支墩底板安裝完畢后，安裝測點箱，然后將波紋管安裝于每個測點箱兩端，測點間激光管道通過波紋管與測點箱連接，最后將自動觀測坐標儀安裝在激光系統接收端，CCD攝像機通過75Ω視頻線與工控機相連，實現視頻信號的傳輸與轉換。接收端設備用不銹鋼保護箱予以保護。

表1 76m高程激光準直測點布置表

表2 113m高程激光準直測點布置表

1.3 定量統計模型分析

大壩監測數學模型可以用于多種目的，例如描述因變量與環境之間的相關關系、對將來的觀測值進行估計與預測、對觀測數據的精度進行估計等。各類監控模型的基本假設是監測量受環境的影響可分為水位分量、溫度分量及時效分量3個獨立的部分，水位分量、溫度分量為可恢復部分，時效分量為不可恢復部分，是指結構異常因素引起的監測量隨時間的演變過程。

時效分量的影響因素相當復雜，由于結構異常因素引起的監測量趨勢性變化也包括在其中，因此，各類模型的時效分量成為評價大壩安全的主要對象。按成因通常位移可視為與庫水位、溫度變化以及時間相關，即：

δ=δH+δT+δθ

(1)

式中，δH—水位分量；δT—溫度分量；δe—時效分量，是隨時間和荷載變化的非線性位移。

水位分量選取水深H冪多項式(i=1～3)，即：

(2)

式中，i—當日、前5、10、15、30、60d上游水位的平均值。

溫度分量為：

(3)

式中，T1—壩體溫度；T2～T10—環境氣溫觀測前1、3、7、15、30、45、60、90、120d內的平均氣溫。

時效分量采用對數函數和線性函數疊加的形式：

δθ=c1θ+c2lnθ+c3ln(1+θ)

(4)

式中，θ—從基準日起累計天數除以100。

2 監測結果與分析

2.1 壩體位移分析結果

通過真空激光系統從2011—2020年監測取得嚴寒地區混凝土重力壩的垂直和上下游位移值。

2.1.1水平位移

76m高程廊道真空激光系統各測點上下游方向位移過程線，如圖2所示。成果表明:各測點測值變化同步性較好。高水位運行后，各壩段上下游水平位移均受庫水位的影響，并與庫水位正相關，向下游位移，至目前各測點的上下游絕對水平位移量在8.31～12.74mm間，其中EJ、SY、SS、SW、SB壩段位于主河床其上下游水平位移相對略大，SW壩段水平位移最大，一年中冬季上下游位移最大，夏季上下游位移相對最小，與溫度負相關呈周期并向下游的周期性變化。各測點上下游方向位移分布示意圖，如圖3所示。

2.1.2垂直位移

76m高程廊道真空激光系統各測點垂直方向位移過程線，如圖4所示。成果表明:垂直位移與壩體溫度負相關，壩體溫度最高時各測點的下沉量最小，壩體溫度最低時下沉量最大，且與環境溫度存在一定的滯后性，垂直位移量在1.08～4.91mm間，河床EJ壩段垂直位移最大。各測點垂直位移分布示意圖，如圖5所示。

2.2 大壩位移影響因子分析

根據2012年4月—2019年初采集的76m高程廊道真空激光準直數據建立統計模型，主要分析各壩段上下游方向的絕對位移，回歸、分解成果見表3，如圖6—7所示。

圖2 76m高程廊道真空激光系統各測點上下游方向位移過程線

圖3 各測點上下游方向位移分布示意圖

圖4 76m高程廊道真空激光系統各測點垂直方向位移過程線

圖5 各測點垂直位移分布示意圖

表3 76m高程廊道真空激光準直系統各壩段上下游位移分解結果 單位：mm

圖6 LAY-W(EJ壩段)測點擬合過程線

圖7 LAY-W(EJ壩段)測點分解過程線

(1)通過模型得出，模型復相關系數均在0.96以上，標準差占位移變幅比例為3.36%～7.90%，表明上下游方向位移與模型因子的綜合相關性較好，屬顯著相關，因子選取合理，結果可信。

(2)在模型回歸時間段內，水位分量始終是影響壩體位移的主要荷載，與位移正相關，水位上升，壩體向下游移動；水位下降，壩體向上游移動；其變幅為4.84～8.30mm，占總變幅的52.52%～64.77%。

(3)溫度分量相較于水位分量對壩體位移影響較小，變幅為2.51～3.76mm，占總變幅的19.42%～34.49%，與位移負相關，溫度上升，壩體向上游移動；溫度下降，壩體向下游移動，從模型分解過程線可以看出，溫度因子相對于壩體位移有一定的滯后性，因此觀測日前平均氣溫入選模型因子較為合理。

(4)時效位移包括壩體混凝土和基巖的徐變以及壩基的裂隙、節理和其它軟弱構造等在水重作用下發生的壓縮和塑性變形，其中基巖不可恢復變形是重要因素，通常在蓄水初期變化急劇，之后隨時間而漸趨穩定，通過模型分解得出壩體上下游位移時效分量為正值，即向下游變化，但量值較小，在0.72～2.50mm區間內變化，占總變幅的4.84%～20.04%，主河床壩段(EJ、SY壩段)以及左岸斜坡壩段(ES、EW壩段)時效位移較小，右岸陡坡壩段(SW、SB壩段)因基巖性質而變形時效位移相對略大，但高水位運行后其時效分量變化率均小于0.2mm/a，表明壩體變形已趨穩定。

3 結論

通過對真空激光準直所得水平與垂直位移監測數據進行定性、定量分析，得出以下結論。

(1)通過建立統計模型，得出模型復相關系數均在0.96以上，標準差占位移變幅比例為3.36%～7.90%，表明上下游方向位移與模型因子的綜合相關性較好，屬顯著相關，因子選取合理，結果可信，對今后同類壩型計算具有一定的參考價值。

(2)分解模型效應量可知：水位分量是影響大壩上下游位移的主要荷載；溫度分量次之，與位移負相關；時效位移雖然右岸陡坡壩段因基巖性質導致該壩段時效變形略大，但高水位運行后其時效分量變化率均小于0.2mm/a，表明壩體變形已趨穩定。

雖然本文建立模型精度基本可滿足計算要求，但標準差略大，在模型精度上仍有進步的空間，因此如何提高模型精度，更準確地模擬大壩位移變化過程是今后工作研究的重點。