文 豪，李俊富

（1.國(guó)電大渡河流域水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 成都 610041；2.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,吉林 長(zhǎng)春 130061）

吉牛水電站壩體變形監(jiān)測(cè)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

文 豪1，李俊富2

（1.國(guó)電大渡河流域水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 成都 610041；2.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,吉林 長(zhǎng)春 130061）

吉牛水電站大壩變形監(jiān)測(cè)原設(shè)計(jì)采用引張線加靜力水準(zhǔn)方案，并在壩體兩端增加倒垂線及雙金屬標(biāo)。后采用“DB3200 型真空激光準(zhǔn)直測(cè)壩變形系統(tǒng)”及其最新專利技術(shù)“一種真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)端點(diǎn)改正方法”，對(duì)方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)并成功實(shí)施。優(yōu)化后的方案投資低于原設(shè)計(jì)方案，觀測(cè)精度也優(yōu)于原方案，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化觀測(cè)，直接節(jié)約了后期整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)施自動(dòng)化的投資。這種單端點(diǎn)改正方法降低真空激光系統(tǒng)設(shè)計(jì)布置與實(shí)施的難度，并節(jié)約了工程投資。

吉牛水電站；大壩變形監(jiān)測(cè)；真空激光；單端點(diǎn)改正

1 概述

吉牛水電站位于四川省丹巴縣革什扎河流域下游河段，屬革什扎河流域水電規(guī)劃一庫(kù)四級(jí)方案中的第四級(jí)梯級(jí)電站，為引水式開(kāi)發(fā)。首部樞紐位于丹巴縣繞拉鄉(xiāng)獨(dú)狼溝口下游約 0.5km，地面廠房位于革什扎河與大金川河交匯口附近的一級(jí)階地上，工程區(qū)內(nèi)有縣級(jí)簡(jiǎn)易公路（丹巴～丹東）通過(guò)，在革什扎河口處與省道 S211 線相連，閘、廠區(qū)距丹巴縣城分別約 30km 和 2.8km，距成都分別約479km 和 452km，對(duì)外交通較為方便。

電站為引水式電站。工程樞紐由擋水壩、泄洪閘、引水隧洞、調(diào)壓井、壓力管道及發(fā)電廠房等主要水工建筑物組成，電站總裝機(jī)容量 240MW（120MW/臺(tái)×2 臺(tái)），工程總工期 39 個(gè)月（不含籌建期）。

2 大壩變形監(jiān)測(cè)原設(shè)計(jì)方案

吉牛水電站原設(shè)計(jì)方案是在壩頂布置引張線加靜力水準(zhǔn)方案，該方案只能測(cè)得壩體變形的相對(duì)位移測(cè)值，還需要在壩體兩端增加倒垂線及雙金屬標(biāo)，最終聯(lián)合計(jì)算獲得壩體的絕對(duì)位移測(cè)值。該方案主要存在以下問(wèn)題：

1）前期工程投資較大，后期該項(xiàng)目自動(dòng)化投資也較多。

2）該方案如果實(shí)施并投入運(yùn)行，運(yùn)行期的管理與維護(hù)的工作量均較大，觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性及準(zhǔn)確性均受氣候因素的影響。

3）大壩左岸為上壩公路及引水發(fā)電隧洞進(jìn)口，該處的倒垂孔只能布置在壩上，要求倒垂孔深度必需穿透壩體及河床覆蓋層，深入到基巖穩(wěn)定區(qū)域。鉆孔深度超過(guò)百米，施工難度極大，工程造價(jià)較高。

針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)通過(guò)廣泛充分的調(diào)研，最終根據(jù)中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司推薦的“DB3200 型真空激光準(zhǔn)直測(cè)壩變形系統(tǒng)”及其最新專利技術(shù)，“一種真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)端點(diǎn)改正方法”（以下簡(jiǎn)稱單端點(diǎn)改正方法） 對(duì)大壩變形監(jiān)測(cè)方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 真空激光系統(tǒng)原理

真空激光準(zhǔn)直測(cè)壩變形系統(tǒng)是把三點(diǎn)法激光準(zhǔn)直系統(tǒng)和一套適合大壩變形觀測(cè)特點(diǎn)的軟連接動(dòng)態(tài)真空管道系統(tǒng)合理的結(jié)合起來(lái)的新系統(tǒng)。三點(diǎn)法激光準(zhǔn)直又稱為波帶板激光準(zhǔn)直。波帶板又稱菲涅爾透鏡，它是把菲涅爾半周期帶交替地做成通光帶和遮光帶的一種特殊設(shè)計(jì)的光柵。這種光柵被激光點(diǎn)光源發(fā)出的一束可見(jiàn)的單色相干光照射時(shí)，它的遮光帶會(huì)攔住衍射后將產(chǎn)生負(fù)干涉的激光束光線，和聚焦透鏡相類似，在光源中心和波帶板中心延長(zhǎng)線上的一定距離處，形成一個(gè)中心特別明亮的衍射亮點(diǎn)（或十字亮線）。并滿足公式（1）：

f——波帶板的焦距；u——波帶板到點(diǎn)光源的距離；v——波帶板到像點(diǎn)的距離。

如果在像點(diǎn)處布置固定的圖像捕獲裝置，只要固定其中兩點(diǎn)，就可以準(zhǔn)直第三點(diǎn)?！叭c(diǎn)法激光準(zhǔn)直”也因此而得名。

圖1 三點(diǎn)法激光準(zhǔn)直測(cè)壩變形原理圖

如圖1所示，若在大壩兩端穩(wěn)定的地點(diǎn)分別固定點(diǎn)光源A和光斑成像裝置C（如果兩個(gè)端點(diǎn)非穩(wěn)定不變，可采用倒垂線及雙金屬標(biāo)法獲得端點(diǎn)位移），在需要觀測(cè)變形的各壩段測(cè)點(diǎn)上設(shè)相應(yīng)焦距的波帶板 B，當(dāng)測(cè)點(diǎn)（波帶板中心）位移了一段距離 δ（BB′，它的水平分量 δx 就是該點(diǎn)的水平位移，垂直分量 δz就是該點(diǎn)的垂直位移），在光斑成像裝置處的光斑像點(diǎn)也位移了一段距離△（CC′）。通過(guò)圖像捕獲裝置測(cè)出△在兩坐標(biāo)軸上的分量△x、△z，有下列公式即可計(jì)算出測(cè)點(diǎn) B 的水平、垂直兩向位移值。

該系統(tǒng)是波帶板真空激光準(zhǔn)直和一套真空管道合理結(jié)合的變形觀測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)的激光束在真空中傳輸，可以消除大氣折光差對(duì)測(cè)量精度影響。該方法不但具有高效率、高精度，還可在長(zhǎng)距離變形觀測(cè)中應(yīng)用，該方法可同時(shí)測(cè)量水平位移與垂直位移，可以說(shuō)是觀測(cè)精度、作業(yè)效率及作業(yè)條件最好的一種變形觀測(cè)方法。該方法主要應(yīng)用于直線型大型水工建筑物的變形觀測(cè)，既適用于短壩，也適用于長(zhǎng)度達(dá)千米的直線壩；不僅適用于溫度變幅大、位移大的壩頂，同樣適用于濕度大、位移小的基礎(chǔ)廊道。

4 單端點(diǎn)改正方法原理

如果采用真空激光準(zhǔn)直測(cè)壩變形系統(tǒng)，壩體左岸的倒垂孔還是需要實(shí)施，才能保證系統(tǒng)獲得壩體的絕對(duì)位移測(cè)值。針對(duì)該問(wèn)題中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司建議采用單端點(diǎn)改正方法，該方法是其針對(duì)真空激光準(zhǔn)直測(cè)壩變形系統(tǒng)多年潛心研究的發(fā)明成果，主要原理如下：

1）將發(fā)射端設(shè)備安裝于穩(wěn)定位置，如該位置不穩(wěn)定需安裝端點(diǎn)絕對(duì)位移測(cè)量設(shè)備。

2）在距離發(fā)射端 5～20m 范圍內(nèi)安裝一個(gè)用于接收端位移改正的測(cè)點(diǎn)，該測(cè)點(diǎn)和發(fā)射端設(shè)備要求安裝在同一個(gè)平臺(tái)上或保證該測(cè)點(diǎn)位置隨同發(fā)射端同步變化。

3）通過(guò)測(cè)量該測(cè)點(diǎn)箱位置的位移變化量及端點(diǎn)改正計(jì)算方法，計(jì)算出接收端較發(fā)射端的相對(duì)位移變化量，該相對(duì)位移變化量加上發(fā)射端的絕對(duì)位移即為接收端的絕對(duì)位移變化量。

該方法實(shí)施的前提是要求兩個(gè)端點(diǎn)中的任何一個(gè)端點(diǎn)處于穩(wěn)定狀態(tài)或可布置端點(diǎn)絕對(duì)位移測(cè)量設(shè)備，新技術(shù)可通過(guò)該端點(diǎn)的絕對(duì)位移變化計(jì)算出另一個(gè)端點(diǎn)的絕對(duì)位移變化量，從而減少了系統(tǒng)布置與實(shí)施的難度。同時(shí)因減少了一個(gè)端點(diǎn)絕對(duì)位移測(cè)量設(shè)備，可極大的節(jié)約工程投資。

圖3 位移后準(zhǔn)直示意圖

端點(diǎn)改正計(jì)算方法如下：

Fx0，F(xiàn)z0分別為發(fā)射端位置位移 X 向、Z 向的初始測(cè)值，F(xiàn)xn，F(xiàn)zn分別為發(fā)射端位置位移的第 n 次觀測(cè)值，發(fā)射端位置位移測(cè)值是通過(guò)端點(diǎn)位移測(cè)量設(shè)備得到的，則發(fā)射端 X 向、Z 向第 n 次觀測(cè)的絕對(duì)位移變化 量分別為 Fxn-Fx0，F(xiàn)zn-Fz0，當(dāng)發(fā) 射端位置處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí) Fxn=Fx0，F(xiàn)zn=Fz0，發(fā)射端位置 X向 、Z 向 的絕 對(duì)位 移變 化 量 均 為 0；Ax0，Az0為 端 點(diǎn)改正測(cè)點(diǎn)相對(duì)于接收端觀測(cè)坐標(biāo)系的測(cè)值，通過(guò)激真空激光準(zhǔn)直位移測(cè)量裝置測(cè)得，即為接收端X 向、Z 向的初始值，Axn，Azn 分別為端點(diǎn)改正測(cè)點(diǎn)相對(duì)于接收端觀測(cè)坐標(biāo)系的第 n次觀測(cè)值；位移變化量的方向?yàn)椋凰絏向——壩體向下游位移為正，向上游位移為負(fù)；垂直 Z 向——壩體向下沉降為正，向上抬升為負(fù)，則第 n 次觀測(cè)到的接收端絕對(duì)位移變化量計(jì)算公式為：

RXn=（Ax0-Axn）+（Fxn-Fx0） （2）

RZn=（Azn-Az0）+（Fzn-Fz0） （3）

式 中 ：Fx0——發(fā)射端位置 位 移 X 向 的 初始測(cè)值；Fz0——發(fā) 射 端 位置 位 移 Z 向 的 初 始 測(cè) 值 ；Fxn——發(fā) 射端位 置 位 移的 第 n 次 X 向 觀測(cè) 值；Fzn——發(fā)射 端位置 位移的 第 n 次 Z 向 觀 測(cè) 值 ；Ax0——端點(diǎn)改正測(cè)點(diǎn)相對(duì)于接收端觀測(cè)坐標(biāo)系的X向的初始測(cè) 值；Az0——端點(diǎn) 改正 測(cè) 點(diǎn) 相對(duì) 于 接 收端 觀測(cè) 坐標(biāo)系的 Z 向的初始測(cè)值；Axn——端點(diǎn)改正測(cè)點(diǎn)相對(duì)于接收端觀測(cè)坐標(biāo)系的第n次X向觀測(cè)值；Azn——端點(diǎn)改正測(cè)點(diǎn)相對(duì)于接收端觀測(cè)坐 標(biāo)系的第 n 次 Z 向觀測(cè)值；RXn——接收端水平 X 向第 n次觀測(cè)的絕對(duì)位移變化量；RZn——接收端 垂直 Z向第n次觀測(cè)的絕對(duì)位移變化量。

5 優(yōu)化后的方案設(shè)計(jì)

吉牛水電站壩頂變形監(jiān)測(cè)方案最終選定采用真空激光準(zhǔn)直測(cè)壩系統(tǒng)，并結(jié)合“單端點(diǎn)改正方法”進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

5．1 系統(tǒng)布置

真空激光準(zhǔn)直測(cè)壩變形系統(tǒng)的發(fā)射端布置于右岸山體灌漿平洞內(nèi) 40m 處，接收端布置于左岸壩上觀測(cè)房?jī)?nèi)，測(cè)點(diǎn)數(shù)量為 10 個(gè)，其中 LA10 為接收端絕對(duì)位移改正測(cè)點(diǎn)，布置在右岸山體灌漿平洞內(nèi) 35m 處，其余為正常變形觀測(cè)測(cè)點(diǎn)，布置在壩頂，與原設(shè)計(jì)方案測(cè)點(diǎn)位置相同。

5．2 激光觀測(cè)房

1）發(fā)射端觀測(cè)室設(shè)置于右岸山體平洞內(nèi) 40m處，在該位置將洞身封閉成一間房屋。在該位置處山體已可認(rèn)為是穩(wěn)定的，雖然增加了真空管道長(zhǎng)度，但不需要設(shè)備倒垂線及雙金屬標(biāo)進(jìn)行端點(diǎn)改正，可節(jié)約可觀的工程投資。

2）接收端觀測(cè)室設(shè)置于左岸觀測(cè)房?jī)?nèi)，由于原觀測(cè)房尺寸無(wú)法滿足系統(tǒng)布置要求，因此在原觀測(cè)房的左側(cè)擴(kuò)建一個(gè)尺寸為 6m×3m×3m 觀測(cè)房。接收端采用位于右岸山體平洞內(nèi)的 LA10 號(hào)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行絕對(duì)位移的改正，不再設(shè)置倒垂線及雙金屬標(biāo)，可大幅節(jié)約工程投資。

5．3 真空管道及測(cè)點(diǎn)

1）真空管道采用直徑 φ219 無(wú)縫鋼管，相關(guān)與測(cè)點(diǎn)箱連接的軟管均采用直徑 φ219 的波紋管，管道長(zhǎng)度約 150m。

2）測(cè)點(diǎn)共計(jì) 9 個(gè)，測(cè)點(diǎn)直接安裝于壩頂預(yù)留測(cè)點(diǎn)坑內(nèi)，測(cè)點(diǎn)底部澆筑測(cè)點(diǎn)墩，并采用 4 根φ22× 250mm 插筋確保測(cè)點(diǎn)箱體與壩頂混凝土緊密相連，基坑內(nèi)用風(fēng)鉆向上游側(cè)下方打排水孔兩個(gè)，排水孔孔口要求位于基坑下游側(cè)，以方便如果排水孔淤堵后的清理。

3）測(cè)點(diǎn)箱全部使用 φ219 形標(biāo)準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)箱，測(cè)點(diǎn)箱內(nèi)部波帶板翻轉(zhuǎn)裝置及測(cè)點(diǎn)控制模塊的型號(hào)均一致，降低系統(tǒng)的使用與維護(hù)難度。

5．4 抽真空控制系統(tǒng)

1）整個(gè)管道容積約 5.2m3，使用 2 臺(tái) 2×4 旋片式風(fēng)冷真空泵，無(wú)需冷卻水系統(tǒng)。觀測(cè)真空度設(shè)計(jì)小于60Pa，從大氣壓下抽至觀測(cè)真空度時(shí)間約 40min。

2）真空控制器及真空泵安裝在收端觀測(cè)房?jī)?nèi)，采用箱式壁掛安裝。

5．5 人工觀測(cè)及自動(dòng)化觀測(cè)系統(tǒng)

人工采用精密二維平移臺(tái)配合便攜式測(cè)點(diǎn)控制器觀測(cè)，自動(dòng)化采用安裝在接收端觀測(cè)室機(jī)柜內(nèi)的工控機(jī)上的自動(dòng)采集軟件進(jìn)行觀測(cè)，并可直接接入將來(lái)實(shí)施的完整安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)。

6 觀測(cè)成果

系統(tǒng)于 2013 年 10 月開(kāi)始實(shí)施，11 月投入試運(yùn)行，現(xiàn)運(yùn)行正常。采集到的觀測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，變化符合壩體在水位及氣溫影響下的變形規(guī)律。

觀測(cè)成果表明：這次優(yōu)化設(shè)計(jì)是成功的，真空激光準(zhǔn)直測(cè)壩變形系統(tǒng)的單端點(diǎn)改正方法是確實(shí)可行的。該方法可降低真空激光系統(tǒng)設(shè)計(jì)布置與實(shí)施的難度，并節(jié)約了工程投資。其在吉牛水電站中的成功應(yīng)用對(duì)于其它類似工程具有可靠的借鑒意義。

［專利技術(shù)］一種真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)端點(diǎn)改正方法”為中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究 有 限 責(zé)任公司獨(dú) 家研發(fā)和擁 有，［專利號(hào)］：201310490010.3。

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1002－0624（2014）11－0004－03

2014-07-10