参窝水库大坝位移监测设计

1、概况

参窝水库位于辽宁省辽阳市东约40km处的太子河干流上，是一座以防洪、灌溉、工业供水为主，并结合工农业供水进行发电的大（Ⅱ）型水利枢纽工程，总库容7.91亿m3。大坝为混凝土重力坝，坝顶宽6m，最大坝高50.3m，坝顶高程103.5m。大坝全长532m，共分为31个坝段，其中溢流坝段15个，长274.2m，电站坝段3个，长40.5m，两岸挡水坝段13个，长217.3m。

参窝水库大坝水平位移监测采用人工方式视准线小角度法测量，垂直位移采用人工方式精密水准法测量，不仅费时费力、劳动强度大，而且由于水平位移视准线长度超过规范要求，使观测精度降低，严重违背实时、连续、准确等观测优点，故拟对大坝位移监测进行自动化改造。

2、监测方式的选择

目前国内对大坝位移进行自动化监测的方法主要有引张线、大气激光准直、真空激光准直等几种。

引张线在国内发展较早，技术也比较成熟，其设备简单、直观，一次性投资较少，在国内大坝安全监测中应用较广，也较有成效。但其受环境因素影响大，尤其是潮湿的空气、气温变化、风的吹动，对测值都有较大的影响，而且一旦引张线系统自动化遥测传感器发生故障，只能更换传感器，测值不能连续。

大气激光准直观测方式发展较早，但进展比较缓慢。由于旁折光对测值精度影响较大，不易达到变形监测最低精度要求，使大气激光准直的发展受到限制，一般只适用于中小工程。参窝水库在80年代初期也曾进行大气激光准直观测改造，大坝两头的激光洞已经开挖完成，但由于当时的技术条件还不成熟被迫下马。

真空激光应用到大坝位移监测中始创于上世纪80年代，但初期由于数据采集、波带板控制等方面的技术还不成熟，使这项技术在初期发展较为缓慢。近几年随着CCD成像自动采集技术、波带板控制等新科技逐渐应用于大坝真空激光监测，使它的系统性、可操作性、准确性、稳定性都有大大加强。

综合分析，我们拟采用真空激光准直法对大坝位移监测进行改造。

3、真空激光系统原理

真空激光系统是将波带板激光准直和一套适应大坝变形特点的软连接与真空管道结合起来，使激光束在真空中传输，利用激光束作为基准线，通过量测激光束经测点波带板在接收屏上所成的像的位置变化而得到两个方向的变形。

3.1 波带板激光准直原理

波带板是一种光栅，也称为聂菲耳透镜，当它被激光点光源发出的一束可见的单色相干光照射时，相当于一块聚焦透镜，在光源和波带板中心延长线上的一定距离处，形成一个中心特别明亮的衍射图像——圆形光点。

在实际应用中，可以在大坝两端稳定处固定点光源A、激光像点探测仪C，在要观测位移的各坝段测点上，设置相应的波带板B，如图1。

当测点（波带板中心）位移了一段距离，在探测仪处的像点也位移了一段距离，用下列公式即可计算出测点的位移。

δ=（U/L）·Δ（1）

用（1）式计算的位移，是测点相对于两端点的位移。真空激光系统的两端点布置在两岸山体的洞内，端点位移可以忽略不计。

3.2 大气扰动原理

波带板激光准直的精度，主要受大气扰动的影响。这种影响可分为两部分：一是气体中存在折身率梯度，引起光束偏折，使像点位移，即折光差，属于系统误差；二是折身率梯度的瞬间变化——大气湍流引起的光束漂移，即像点的跳动和闪烁，属于随机误差。

各种光学准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——测点偏离值中含有的折光差

P——气体压强（Pa）

T——绝对温度（273.2）

Δt——温度梯度（℃/cm）

测值中含有的折光差和测点到两端点的距离乘积成正比，准直线中间测点折光差最大；折光差还和温度梯度成正比，和气体压强成正比。通过设置真空管道，使激光束在真空中传输，由于气体压强大大减小，折光差也大大减小。

4、系统总体布置

真空激光系统用于监测大坝水平位移和垂直位移，由发射端、接收端、真空管道、测点箱、抽真空系统、人工观测装置、上位机管理系统组成，见图2。

4.1 发射端和接收端

参窝水库在80年代初期也曾进行大气激光准直观测改造，后虽然没有改造完成，但大坝两头的激光洞已经开挖完成，因此，此次设计就利用原有的激光洞。激光洞位于大坝两头的山体内，各深入近20m，可视为不动点，以这样的点作为激光系统的工作基点，可以不用设置端点改正设备。考虑方便平时测量，将右岸激光洞作为发射端，将左岸激光洞作为接收端。发射端布置激光点光源；接收端布置测控系统、抽真空装置和人工观测装置。发射端和接收端的端点设备充分考虑防水、防潮和防雷击，采用全密封设计。

4.2 通讯方式

测点控制采用RS-485总线通讯方式，减少了管道内电缆的芯数，简化了电缆进出管道的设计与加工。测控电缆布置在真空管道内，提高了电缆的抗老化能力，延长了电缆的使用寿命。

上位机与现场测控微机之间采用光纤和微波连接，系统的全部自动观测操作可在上位机和35km外的水库辽阳基地授权微机上操作执行。

4.3 测控方式

在测控方式上，系统要求有灵活多样的选择。测量前管道中要达到一定的真空度，系统可以启用真空度保持。系统可以进行全部测点的巡测，也可以进行单点测量，还可以进行定时测量；可以自动巡测，也可以进行人工测量；可以进行单点长时段测量数据查询或绘制过程线，也可以进行多点测量数据查询或绘制过程线。

4.4 真空管道管径的选择

根据规范，真空管道的内径应大于波带板最大通光孔径的1.5倍，或大于测点最大位移量引起象点位移量的1.5倍，但不宜小于150mm。综合参窝水库多年人工观测成果，保证有足够的冗余度和可靠性，选择真空管道管径为219mm。

4.5 真空管道安装位置的确定

真空管道放置于交通桥和门机梁翼缘的下方，轴线高程为103.27，水平桩号为0+4.94，在过溢流坝段时采用吊环固定，这样即监测了大坝坝顶的位移，满足了激光系统的安装需要，又使大坝坝面整洁美观，对原结构的破坏最小，不影响坝上其它设备的运行维护。

4.6 测点布置

在4#~31#坝段，每个坝段布置一个测点，共28个测点，测点布置于测点箱内，测点箱与坝体紧密结合，能够实时反映大坝位移。测点箱内布置波带板及其控制马达。

5、结语

参窝水库大坝真空激光观测系统于2002年8月开工建设，2003年8月安装完成。经过2年的运行，该系统测量方便、快捷，不受天气影响，提供了定时测量、巡测和单点测量等多种测量方式，能够同时对水平位移和垂直位移进行自动监测，精度较高，取得了良好的监测效果。