谷幅(弦線)變形監測自動化系統研究
——以李家峽水電站為例

高 帥,繆志選 ,劉偉棟

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

谷幅變形是指拱壩下游庫岸發生的平面變形，弦線變形是指拱壩壩體弦長的平面變形。拱壩是超靜定結構[1-2]，通過拱作用將水荷載傳遞到兩岸山體，壩體結構受力對壩基變形極為敏感。相比于重力壩，谷幅變形對拱壩結構安全性的影響較大，因此對拱壩的谷幅(弦線)變形監測就顯得極為重要[3-4]。通過全生命期谷幅(弦線)變形監測，能為拱壩的正常運行提供保障[5-6]。傳統谷幅(弦線)變形觀測主要是依靠全站儀進行人工測量，受天氣、地形等的影響，測次較少、測量頻率低、成果報送不及時。本文采用迪馬斯激光測距儀實現谷幅(弦線)的全時段自動化監測，使用最小二乘法對自動化采集的日均谷幅(弦線)變形值進行分析，最終驗證該谷幅(弦線)自動化采集系統的精度。

1 谷幅(弦線)監測布置

李家峽水電站位于青海省尖扎縣和化隆縣交界處的黃河干流李家峽河谷中段，上距黃河源頭1 796 km，下距黃河入海口3 668 km，是黃河上游水電梯級開發中的第三級大型水電站。大壩為三心圓雙曲拱壩，壩長414.39 m，壩高155 m，壩頂寬8 m，壩底寬45 m。

李家峽壩下游河谷共設有5條谷幅測線，分別布置在高程2 185.00、2 160.00、2 155.00、2 130.00 m上，點位名稱為：TP17～LJ03、LJ05～LJ07、TP15～LJ07、TP13～TP02、TP16～TP06，谷幅測線主要是利用壩址區左右岸的巖表位移測點量測期相對距離變化量，以監測河谷兩岸巖體的橫河向變位情況。李家峽拱壩共布置了2條弦線，分別位于高程2 150.00、2 185.00 m，點位名稱為TP1-1～TP20-1、TP4-2～TP19-2，谷幅(弦線)見圖1。弦線測線用于監測拱壩兩端弦受力時弦線變化；7條谷幅(弦線)均自1996年開始使用瑞士Leica全站儀進行監測，每月2次。具體如表1。

表1 谷幅弦線測點表

2 谷幅(弦線)自動化監測

谷幅(弦線)自動監測系統采用激光測距傳感器、氣象傳感器通過采集模塊進行各物理量采集并通過光纖將數據傳輸到后臺，系統軟件進行數據處理并發布谷幅(弦線)監測成果，最終實現全流程無人工干預、全過程自動化、實時監測實時發布。谷幅(弦線)自動化監測系統見圖2。

2.1 自動化采集改造

2021年4月至5月進行谷幅(弦線)自動化采集的改造。距離測量采用迪馬斯激光傳感器，同步自動采集干、濕溫度及氣壓元素，距離改算為氣象改正。

谷幅(弦線)自動化監測系統由包括測距傳感器(迪馬斯激光傳感器)、反射設備、氣象傳感器及供電、通訊、數據終端、數據處理系統等軟硬件構成，傳感器采集物理量信號，數據終端轉換為測量成果。激光測距數值受氣壓溫度影響較大，GB/T 16818-2008《中、短程光電測距規范》中規定的氣象修正模型校正如下：

ΔDm=D′(n0-ni)×10-6

(1)

(2)

(3)

公式(1)～(3)中：ΔDm為距離氣象改正值，mm；D′為距離觀測值，mm；n0為真空中的標準折射率；λ為測距光源真空中波長，μm；ng為標準大氣壓條件下光的群折射率；t為氣溫，℃；P為氣壓，hPa;e為水蒸氣壓，hPa。

在峽谷復雜微氣象條件下，很難達到滿足上述計算公式的平穩氣象條件，因此，測距數值適時需要測量時刻的氣象參數進行改正，削弱外界環境對測距數值的影響，保證監測精度。自動化監測系統加裝氣象傳感器，同步采集，適時改正，測距儀器與氣象儀器出線端均穿管保護與預設管線相連，迪馬斯FLS-C10系列產品在0.05～500 m全量程范圍內性能穩定、數據質量高、使用靈活方便。見圖3～4。

2.2 自動化實施前后數據分析

谷幅(弦線)變形監測數據統計基于谷幅(弦線)自動化在2021年5月至8月期間采集的數據，采集的數據包含距離、干濕溫度和氣壓。數據采集頻次為次/h，實際采集過程中由于外界干擾存在斷測現象。采集完成后選擇兩條測線自動化實施前后數據(各9組數據)對比如表2所示，2條谷幅(弦線)自動化采集實施前后的過程線如圖5～6。

表2 自動化實施前后數據統計

分析圖表可以看出，自動化實施前后測值變化比較小,僅為0.0154%～0.2056%，自動化實施后谷幅(弦線)測值整體產生了臺階，主要原因如下：

(1) 測距設備的變化導致測端和棱鏡端產生外部距離變化，從而使數據產生“臺階”。

(2) 此外早期監測數據為平距，自動化改造后的數據為斜距，因此新舊數據間存在固定差值。

綜上可知，自動化實施前后的數據變化幅度較為穩定，選取的兩條測線的變化幅度分別穩定在0.015%和0.205%附近，新舊測量數據的臺階為自動化系統實施后的固定誤差，對監測數據的對比分析無影響。后期可用此差值作為新舊系統間數據銜接的轉換常數，實現監測數據的連續性。

2.3 自動化采集數據精度分析

選取兩條測線TP20-1～TP1-1弦線及LJ05～LJ07谷幅自動化實施后，5—8月之間的數據進行變形監測數據(相對于前一天)分析，將一天內的觀測值利用最小二乘方法計算日均谷幅(弦線)變形值，整合后的過程線如圖7～8所示。

從結果中可以看出，該結果在時間序列上雖然也呈現震蕩現象，但頻次較低。此外，在2021年5月至8月期間，測線整體變形較小，數據變化量在±1 mm之間。對測量數據的均方差進行計算，統計結果如表3。

表3 李家峽水電站谷幅(弦線)日均變形值均方差

由表3中可以看出，數據均方差均值為0.5 mm。自動化采集數據頻率為每小時一次，數據量較大，然而數據均方差小于1.0 mm的占比在93%以上，證明了數據的可靠性。

3 結 論

本文對李家峽水電站的7條谷幅(弦線)進行自動化采集改造，通過對改造前后數據的分析，形成結論如下：

(1) 自動化實施前后監測數據產生了“臺階”，然數據變化幅度較為穩定，后期可利用臺階差值作為新舊系統間數據銜接的轉換常數，實現監測數據的連續性。

(2) 基于迪馬斯激光傳感器的谷幅(弦線)自動化測量設備在精度上滿足1 mm+1 ppm的監測需求。且該方法觀測頻次高、數據報送及時，能為拱壩谷幅(弦線)監測提供高精度的連續數據。

該谷幅(弦線)自動化采集系統的成功實施對其它拱壩谷幅(弦線)監測提供了參考依據，如何在更為復雜的氣象條件下實現谷幅(弦線)自動化采集，是下一步需要研究的方向。