郭令娟，沈明波

（國電電力和禹水電開發(fā)公司，遼寧 丹東 118200）

1 工程概述

太平哨水電站地處遼寧省丹東市寬甸縣東部山區(qū)，在渾江干流下游，是渾江干流上的第三座梯級電站。電站于1976年開工，1979年蓄水發(fā)電，1980年底水庫蓄水至正常高水位。

太平哨水電站由主壩、副壩、引水道、發(fā)電廠房等建筑物組成，安裝4臺單機(jī)容量為40.25 MW的水輪發(fā)電機(jī)組，設(shè)計總裝機(jī)容量為161 MW，年設(shè)計平均利用小時數(shù)為2670 h，多年平均發(fā)電量為4.3億kW·h，電站接入東北電網(wǎng)，承擔(dān)系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻及事故備用任務(wù)。電站按百年一遇洪水設(shè)計，千年一遇洪水校核，相應(yīng)洪水位192.8 m；保壩洪水位196.5 m。調(diào)節(jié)庫容0.19億m3，為日調(diào)節(jié)水庫。

攔河主壩為直線混凝土重力壩，大壩為II級建筑物，壩頂高程196.0 m，最大壩高44.0 m，壩長555.6 m，壩頂寬8 m。大壩從左岸到右岸共分35個壩段，每個壩段單寬15 m。3～23號壩段為溢流壩段，其余為擋水壩段。溢流壩段共計20個閘孔，每孔單寬12 m，高10.5 m，消能方式為挑流和面流消能。

為保證電站安全運(yùn)行，電站設(shè)計時在各建筑物布置了系統(tǒng)的安全監(jiān)測儀器，其中主壩布置了當(dāng)時國內(nèi)首次應(yīng)用的真空激光準(zhǔn)直觀測系統(tǒng)。

2 真空激光準(zhǔn)直觀測系統(tǒng)概況

主壩布設(shè)有兩條真空激光準(zhǔn)直觀測系統(tǒng)（以下簡稱真空激光系統(tǒng)）。系統(tǒng)主要由點(diǎn)光源、真空管道、測點(diǎn)設(shè)備、接收端激光探測器、真空探測設(shè)備、測控設(shè)備等部分組成。壩頂真空激光系統(tǒng)中心線布置在195.60 m高程、壩軸線下游6.88 m、全長560 m，33個測點(diǎn)，端點(diǎn)設(shè)在兩岸激光室內(nèi)，分別以錨固于基巖深處的倒垂線和雙標(biāo)做基點(diǎn)，可以同時測量壩頂水平和垂直位移，該系統(tǒng)于1981年9月投入使用。

176 m高程廊道真空激光系統(tǒng)中心線布置在壩軸線下游3.1 m處，測點(diǎn)高程177.4 m，全長424.24 m。自3～29號壩段每壩段1個測點(diǎn)，共27個測點(diǎn)。端點(diǎn)設(shè)在2號和30號壩段，分別以倒垂線和雙標(biāo)做基點(diǎn)，可以同時測量壩體176 m高程處水平位移和垂直位移，該系統(tǒng)于2005年3月開始試運(yùn)行。

真空激光觀測系統(tǒng)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)見表1。

3 真空激光觀測系統(tǒng)的發(fā)展歷程

3.1 我國第一條真空激光觀測系統(tǒng)

為了促進(jìn)我國的大壩外部變形觀測技術(shù)逐步向高精度、遙測自動化方向發(fā)展，在原水電部科技司的支持下，1977年初太平哨大壩變形觀測設(shè)計方案中，增加了一套真空激光測壩變形系統(tǒng)，作為實(shí)驗(yàn)性生產(chǎn)應(yīng)用裝置和科研項(xiàng)目，列入了水電部科研計劃中。因當(dāng)時太平哨大壩正在建設(shè)之中，1978—1979年間，在豐滿電站和杭州大學(xué)分別進(jìn)行理論與試驗(yàn)性觀測，后開始在太平哨大壩安裝調(diào)試。安裝時擋水壩段真空激光管道設(shè)在下游側(cè)電纜溝里，溢流壩段真空激光管道布置在T型梁下，距壩頂下游邊緣1.15 m，全長約560 m，在1，4，6，10，14，17，20，22，25，27，29，31，33 號壩段，各布置一個測點(diǎn)，共計13個測點(diǎn)，管道組成測點(diǎn)支墩采用混凝土澆筑，測點(diǎn)箱采用15 mm厚的鐵板焊接而成，測點(diǎn)箱的尺寸為36 cm×34 cm×32 cm?？赏瑫r觀測水平位移和垂直位移。1981年3月建成了我國第一套真空激光觀測壩體變形系統(tǒng)，并開始了測試工作，同年9月配套裝置和土建工程全面完工，并結(jié)束了試驗(yàn)觀測。10月整套裝置正式投入使用。系統(tǒng)投入使用后，整體運(yùn)行穩(wěn)定，測量數(shù)據(jù)可靠、精度高。隨著科技的不斷發(fā)展和觀測技術(shù)的不斷進(jìn)步，先后對該系統(tǒng)進(jìn)行了多次升級改造。

表1 太平哨電站真空激光系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)表

3.2 真空激光觀測系統(tǒng)升級改造

系統(tǒng)建成后經(jīng)歷多次升級改造，改動較大的有以下幾次。

激光觀測系統(tǒng)投入使用后運(yùn)行穩(wěn)定，但是接收裝置比較簡陋，采用人工肉眼觀測，對作業(yè)人員視力有影響，為了該系統(tǒng)進(jìn)一步完善，并保持先進(jìn)性。于1987年12月，更換人工測量坐標(biāo)儀；1988年又針對真空激光系統(tǒng)研制成功了微機(jī)控制基準(zhǔn)點(diǎn)（倒垂、雙標(biāo)）自動觀測儀器，并進(jìn)行了激光自動探測儀的改造。投入使用后，提高激光系統(tǒng)的先進(jìn)程度和完善程度，為下一步實(shí)現(xiàn)整個大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的自動化奠定了良好的基礎(chǔ)。

為了進(jìn)一步發(fā)揮激光觀測系統(tǒng)的功能優(yōu)勢，更全面的反應(yīng)大壩運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)自動化觀測。1999年開始對原系統(tǒng)進(jìn)行完善和升級工作。在原有13個測點(diǎn)的基礎(chǔ)上增加了20個測點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)1號壩段至33號壩段每壩段設(shè)置一個測點(diǎn)，測點(diǎn)編號與壩段號對應(yīng)。在此基礎(chǔ)上對激光管和電源進(jìn)行了更換、對真空泵進(jìn)行重新布置、增加了兩個激光測控裝置、攝像裝置，定位坐標(biāo)裝置、激光和測點(diǎn)控制臺、自動真空抽測裝置、真空泵冷卻水循環(huán)控制裝置，同時增加了雙金屬標(biāo)和倒垂線自動觀測裝置等，實(shí)現(xiàn)了觀測系統(tǒng)的自動化操作。改造后人工觀測，33個測點(diǎn)觀測只需25～30 min；計算機(jī)自動觀測每個測點(diǎn)需3 min左右，8次測值再取平均值。每一個測點(diǎn)讀水平、垂直位移中誤差均小于0.25 mm，保持了太平哨真空激光準(zhǔn)直測壩變形系統(tǒng)一貫的高精度。實(shí)現(xiàn)了自動觀測數(shù)據(jù)自動存儲，但是設(shè)計中的遠(yuǎn)程控制通訊系統(tǒng)，由于當(dāng)時網(wǎng)絡(luò)的限制沒能得到應(yīng)用。

3.3 主壩第二條真空激光準(zhǔn)直觀測系統(tǒng)

2004年4月，176m高程廊道內(nèi)的引張線運(yùn)行多年，由于設(shè)備老化，測點(diǎn)與壩體脫離，鋼絲觸碰保護(hù)管壁等原因，已經(jīng)不能準(zhǔn)確反映壩體實(shí)際變化情況，經(jīng)批準(zhǔn)拆除引張線觀測系統(tǒng)，改造成真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)，新系統(tǒng)全長429 m，自3～29號壩段，每壩段設(shè)1個測點(diǎn)，共27個測點(diǎn)，并將管道與壩頂激光管道連接，共用壩頂激光準(zhǔn)直系統(tǒng)的真空泵。此時主壩擁有兩條真空激光準(zhǔn)直觀測管道。176 m高程真空激光準(zhǔn)直觀測系統(tǒng)，新增加的觀測系統(tǒng)能通過壩頂激光室內(nèi)的工控機(jī)實(shí)現(xiàn)自動觀測。系統(tǒng)投入使用后運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)連續(xù)。

3.4 兩套激光系統(tǒng)升級改造

到2009年激光系統(tǒng)運(yùn)行近30年，與當(dāng)今的激光測壩技術(shù)系統(tǒng)相比，太平哨大壩激光監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)由當(dāng)初的全國先進(jìn)測壩系統(tǒng)，變?yōu)榧夹g(shù)相對落后的系統(tǒng)。同時，由于系統(tǒng)長期運(yùn)行，部分電氣設(shè)備已出現(xiàn)老化問題，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，造成個別時段的缺測。鑒于上述問題2009年3月開始對兩套激光觀測系統(tǒng)進(jìn)行了大修，將系統(tǒng)升級為中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司生產(chǎn)的最新DB3200型真空激光準(zhǔn)直測壩變形系統(tǒng)。主要改造包括：

真空管路和抽真空系統(tǒng)改造：對整個真空激光管道、測點(diǎn)及真空泵進(jìn)行了大修，進(jìn)行了冷卻循環(huán)水路改造，真空控制柜采用帶有PLC控制器的新一代替換原有的抽真空控制箱。

接收端及測控部分：兩套激光系統(tǒng)接收端采用314萬像素的USB攝像機(jī)，和帶有高精度網(wǎng)格具有校準(zhǔn)、定位功能的激光接收幕，將176 m高程廊道激光攝像機(jī)USB信號線，通過新鋪設(shè)的單模光纜延長至壩頂接收端。更換測點(diǎn)控制模塊，壩上測控總線與176 m高程廊道激光等測控總線實(shí)現(xiàn)了并接，在并接處增設(shè)了RS-485集線器，實(shí)現(xiàn)了老系統(tǒng)、新系統(tǒng)在統(tǒng)一的新工控機(jī)下工作。

發(fā)射端部分：為更換調(diào)整激光管時方便，在發(fā)射端增設(shè)光斑監(jiān)視器。在監(jiān)視器上可以觀察到接收幕上的圖像，根據(jù)圖像調(diào)整激光管，非常方便，一個人可獨(dú)立快速完成。更換了點(diǎn)光源小孔，使新型帶外殼及保護(hù)電路的激光管可以在系統(tǒng)中使用。

遠(yuǎn)程控制部分：利用原有光纜將接收端與壩上觀測室建立了連接，實(shí)現(xiàn)了局域網(wǎng)內(nèi)的遠(yuǎn)程控制。采集軟件具有遠(yuǎn)程控制功能，觀測數(shù)據(jù)可提交到數(shù)據(jù)管理服務(wù)器的SQL數(shù)據(jù)庫內(nèi)，在局域網(wǎng)內(nèi)任何位置（比如在寬甸）都可進(jìn)行采集操作及數(shù)據(jù)管理。

端點(diǎn)改正部分：新更換的垂線儀為CCD式，雙標(biāo)儀為光電步進(jìn)電機(jī)式，均帶有現(xiàn)場顯示功能。

其它部分：更換了兩端進(jìn)戶配電盤，消除了不安全隱患，并在觀測電源中增加了B+C級防雷模塊。

此次改造后，激光系統(tǒng)處在國內(nèi)領(lǐng)先水平，改造后大氣狀態(tài)抽氣至30 Pa需30 min，縮短到了抽氣時間。系統(tǒng)的抗雷擊性能增強(qiáng)，自動測量數(shù)據(jù)精度更高、規(guī)律性更好，軟件操作簡單，并且兩套系統(tǒng)經(jīng)整合后，可以進(jìn)行遠(yuǎn)程觀測，大大降低了勞動強(qiáng)度，解放了人力，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

4 激光系統(tǒng)測量成果

通過太平哨壩頂激光系統(tǒng)三十余年連續(xù)穩(wěn)定的觀測，數(shù)據(jù)顯示各測點(diǎn)具有一致的變化規(guī)律，壩體水平位移以年為周期，在每年2月份位移向下游達(dá)到最大值，8月份向上游達(dá)到最小值，壩體水平位移溢流壩段變幅5.89～10.33 mm、擋水壩段變幅0.67～7.05 mm；垂直位移各測點(diǎn)也具有一致的變化規(guī)律，隨氣溫呈周期性變化。每年1月底到2月初位移向下沉降達(dá)到最大值，7月底到8月初向上抬起達(dá)到最小值，溢流壩段變幅4.5～7.51 mm，擋水壩段變幅3.23～6.89 mm；所有壩段水平位移與垂直位移都存在時效變形，但量值極小。

5 總結(jié)

太平哨主壩真空激光準(zhǔn)直觀測系統(tǒng)在我國大壩原型監(jiān)測史上具有重要意義，真空激光準(zhǔn)直觀測系統(tǒng)也已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行30年了，經(jīng)過多次升級改造，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和硬件設(shè)備的完善，目前采用的中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司生產(chǎn)的DB3200型系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)人工觀測、自動化觀測、自動定時觀測、遠(yuǎn)程遙控觀測等多項(xiàng)功能，兩條激光系統(tǒng)自動測量全程僅需36 min，達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。測量數(shù)據(jù)經(jīng)多年與視準(zhǔn)線法水平位移測量、精密水準(zhǔn)沉陷測量相比較，變化規(guī)律一致，但激光系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)精度更高，過程線更加平滑。激光系統(tǒng)解決了大壩變形監(jiān)測項(xiàng)目觀測工作勞動強(qiáng)度大、工時長、數(shù)據(jù)連續(xù)性與實(shí)時性較差等問題，具有觀測精度高、數(shù)據(jù)采集速度快、可全天候觀測、作業(yè)效率高、觀測人員要求低、設(shè)備維護(hù)量少等諸多優(yōu)點(diǎn)，為保證大壩安全運(yùn)行和科研提供了寶貴的長期可靠數(shù)據(jù)。