參窩水庫大壩位移監(jiān)測設(shè)計大壩垂直位移

圖1

1、概況

參窩水庫位于遼寧省遼陽市東約40km處的太子河干流上，是一座以防洪、澆灌、工業(yè)供水為主，并結(jié)合工農(nóng)業(yè)供水進(jìn)展發(fā)電的大（Ⅱ）型水利樞紐工程，總庫容7.91億m3。大壩為混凝土重力壩，壩頂寬6m，最大壩高50.3m，壩頂高程103.5m。大壩全長532m，共分為31個壩段，其中溢流壩段15個，長274.2m，電站壩段3個，長40.5m，兩岸擋水壩段13個，長217.3m。

參窩水庫大壩水平位移監(jiān)測采納人工方式視準(zhǔn)線小角度法測量，垂直位移采納人工方式周密水準(zhǔn)法測量，不僅費(fèi)時費(fèi)勁、勞動強(qiáng)度大，而且由于水平位移視準(zhǔn)線長度超過標(biāo)準(zhǔn)要求，使觀測精度降低，嚴(yán)峻違反實(shí)時、連續(xù)、精確等觀測優(yōu)點(diǎn)，故擬對大壩位移監(jiān)測進(jìn)展自動化改造。

2、監(jiān)測方式的選擇

目前國內(nèi)對大壩位移進(jìn)展自動化監(jiān)測的方法主要有引張線、大氣激光準(zhǔn)直、真空激光準(zhǔn)直等幾種。

引張線在國內(nèi)進(jìn)展較早，技術(shù)也比擬成熟，其設(shè)備簡潔、直觀，一次性投資較少，在國內(nèi)大壩安全監(jiān)測中應(yīng)用較廣，也較有成效。但其受環(huán)境因素影響大，尤其是潮濕的空氣、氣溫變化、風(fēng)的吹動，對測值都有較大的影響，而且一旦引張線系統(tǒng)自動化遙測傳感器發(fā)生故障，只能更換傳感器，測值不能連續(xù)。

大氣激光準(zhǔn)直觀測方式進(jìn)展較早，但進(jìn)展比擬緩慢。由于旁折光對測值精度影響較大，不易到達(dá)變形監(jiān)測最低精度要求，使大氣激光準(zhǔn)直的進(jìn)展受到限制，一般只適用于中小工程。參窩水庫在80年月初期也曾進(jìn)展大氣激光準(zhǔn)直觀測改造，大壩兩頭的激光洞已經(jīng)開挖完成，但由于當(dāng)時的技術(shù)條件還不成熟被迫下馬。

真空激光應(yīng)用到大壩位移監(jiān)測中始創(chuàng)于上世紀(jì)80年月，但初期由于數(shù)據(jù)采集、波帶板掌握等方面的技術(shù)還不成熟，使這項(xiàng)技術(shù)在初期進(jìn)展較為緩慢。近幾年隨著CCD成像自動采集技術(shù)、波帶板掌握等新科技漸漸應(yīng)用于大壩真空激光監(jiān)測，使它的系統(tǒng)性、可操作性、精確性、穩(wěn)定性都有大大加強(qiáng)。

綜合分析，我們擬采納真空激光準(zhǔn)直法對大壩位移監(jiān)測進(jìn)展改造。

3、真空激光系統(tǒng)原理

真空激光系統(tǒng)是將波帶板激光準(zhǔn)直和一套適應(yīng)大壩變形特點(diǎn)的軟連接與真空管道結(jié)合起來，使激光束在真空中傳輸，利用激光束作為基準(zhǔn)線，通過量測激光束經(jīng)測點(diǎn)波帶板在接收屏上所成的像的位置變化而得到兩個方向的變形。

3.1波帶板激光準(zhǔn)直原理

波帶板是一種光柵，也稱為聶菲耳透鏡，當(dāng)它被激光點(diǎn)光源發(fā)出的一束可見的單色相干光照耀時，相當(dāng)于一塊聚焦透鏡，在光源和波帶板中心延長線上的肯定距離處，形成一個中心特殊光明的衍射圖像——圓形光點(diǎn)。

在實(shí)際應(yīng)用中，可以在大壩兩端穩(wěn)定處固定點(diǎn)光源A、激光像點(diǎn)探測儀C，在要觀測位移的各壩段測點(diǎn)上，設(shè)置相應(yīng)的波帶板B，如圖1。

當(dāng)測點(diǎn)（波帶板中心）位移了一段距離，在探測儀處的像點(diǎn)也位移了一段距離，用以下公式即可計算出測點(diǎn)的位移。

δ=（U/L）·Δ（1）

用（1）式計算的位移，是測點(diǎn)相對于兩端點(diǎn)的位移。真空激光系統(tǒng)的兩端點(diǎn)布置在兩岸山體的洞內(nèi)，端點(diǎn)位移可以忽視不計。

3.2大氣擾動原理

波帶板激光準(zhǔn)直的精度，主要受大氣擾動的影響。這種影響可分為兩局部：一是氣體中存在折身率梯度，引起光束偏折，使像點(diǎn)位移，即折光差，屬于系統(tǒng)誤差；

二是折身率梯度的瞬間變化——大氣湍流引起的光束漂移，即像點(diǎn)的跳動和閃耀，屬于隨機(jī)誤差。

各種光學(xué)準(zhǔn)直法的折光差近似公式如下

ε=0.390×U×V×（P/T2）×Δt×10-6（2）

式中：ε——測點(diǎn)偏離值中含有的折光差

P——?dú)怏w壓強(qiáng)（Pa）

T——肯定溫度（273.2）

Δt——溫度梯度（℃/cm）

測值中含有的折光差和測點(diǎn)到兩端點(diǎn)的距離乘積成正比，準(zhǔn)直線中間測點(diǎn)折光差最大；

折光差還和溫度梯度成正比，和氣體壓強(qiáng)成正比。通過設(shè)置真空管道，使激光束在真空中傳輸，由于氣體壓強(qiáng)大大減小，折光差也大大減小。

4、系統(tǒng)總體布置

真空激光系統(tǒng)用于監(jiān)測大壩水平位移和垂直位移，由放射端、接收端、真空管道、測點(diǎn)箱、抽真空系統(tǒng)、人工觀測裝置、上位機(jī)治理系統(tǒng)組成，見圖2。

4.1放射端和接收端

參窩水庫在80年月初期也曾進(jìn)展大氣激光準(zhǔn)直觀測改造，后雖然沒有改造完成，但大壩兩頭的激光洞已經(jīng)開挖完成，因此，此次設(shè)計就利用原有的激光洞。激光洞位于大壩兩頭的山體內(nèi)，各深入近20m，可視為不動點(diǎn)，以這樣的點(diǎn)作為激光系統(tǒng)的工作基點(diǎn)，可以不用設(shè)置端點(diǎn)改正設(shè)備?？紤]便利平常測量，將右岸激光洞作為放射端，將左岸激光洞作為接收端。放射端布置激光點(diǎn)光源；

接收端布置測控系統(tǒng)、抽真空裝置和人工觀測裝置。放射端和接收端的端點(diǎn)設(shè)備充分考慮防水、防潮和防雷擊，采納全密封設(shè)計。

4.2通訊方式

測點(diǎn)掌握采納RS-485總線通訊方式，削減了管道內(nèi)電纜的芯數(shù)，簡化了電纜進(jìn)出管道的設(shè)計與加工。測控電纜布置在真空管道內(nèi)，提高了電纜的抗老化力量，延長了電纜的使用壽命。

上位機(jī)與現(xiàn)場測控微機(jī)之間采納光纖和微波連接，系統(tǒng)的全部自動觀測操作可在上位機(jī)和35km外的水庫遼陽基地授權(quán)微機(jī)上操作執(zhí)行。

4.3測控方式

在測控方式上，系統(tǒng)要求有敏捷多樣的選擇。測量前管道中要到達(dá)肯定的真空度，系統(tǒng)可以啟用真空度保持。系統(tǒng)可以進(jìn)展全部測點(diǎn)的巡測，也可以進(jìn)展單點(diǎn)測量，還可以進(jìn)展定時測量；

可以自動巡測，也可以進(jìn)展人工測量；

可以進(jìn)展單點(diǎn)長時段測量數(shù)據(jù)查詢或繪制過程線，也可以進(jìn)展多點(diǎn)測量數(shù)據(jù)查詢或繪制過程線。

4.4真空管道管徑的選擇

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，真空管道的內(nèi)徑應(yīng)大于波帶板最大通光孔徑的1.5倍，或大于測點(diǎn)最大位移量引起象點(diǎn)位移量的1.5倍，但不宜小于150mm。綜合參窩水庫多年人工觀測成果，保證有足夠的冗余度和牢靠性，選擇真空管道管徑為219mm。

4.5真空管道安裝位置確實(shí)定

真空管道放置于交通橋和門機(jī)梁翼緣的下方，軸線高程為103.27，水平樁號為0+4.94，在過溢流壩段時采納吊環(huán)固定，這樣即監(jiān)測了大壩壩頂?shù)奈灰?，滿意了激光系統(tǒng)的安裝需要，又使大壩壩面干凈美觀，對原構(gòu)造的破壞最小，不影響壩上其它設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)。

4.6測點(diǎn)布置

在4#~31#壩段，每個壩段布置一個測點(diǎn)，共28個測點(diǎn)，測點(diǎn)布置于測點(diǎn)箱內(nèi)，測點(diǎn)箱與壩體嚴(yán)密結(jié)合，能夠?qū)崟r反映大壩位移。測點(diǎn)箱內(nèi)布置波帶板及其掌握馬達(dá)。

5、結(jié)語