湯 祥,陳俊智,段會(huì)文

(1.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院,云南昆明 650093; 2.中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)昆明勘察設(shè)計(jì)研究院,云南昆明 650051)

真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)在金安橋水電站變形監(jiān)測(cè)的應(yīng)用

湯 祥1,陳俊智1,段會(huì)文2

(1.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院,云南昆明 650093; 2.中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)昆明勘察設(shè)計(jì)研究院,云南昆明 650051)

真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)是我國(guó)自行研制的具有高精度且能同時(shí)觀測(cè)水平位移和垂直位移的監(jiān)測(cè)儀器。研究重點(diǎn)介紹了金安橋水電站大壩真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)的系統(tǒng)組成和系統(tǒng)工作原理。在大壩壩頂左岸、壩頂右岸及廊道布置真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng),通過(guò)對(duì)這些測(cè)點(diǎn)的位移數(shù)據(jù)收集,及時(shí)準(zhǔn)確地反應(yīng)了大壩位移的情況,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)大壩壩頂左岸、壩頂右岸及廊道的監(jiān)測(cè),取得了良好的效果。作為新興的監(jiān)測(cè)手段,激光系統(tǒng)設(shè)備在監(jiān)測(cè)中發(fā)揮了其時(shí)效性強(qiáng)、監(jiān)測(cè)變量多、精度較高等特點(diǎn),能夠很好地實(shí)現(xiàn)大壩水平和垂直位移同步自動(dòng)監(jiān)測(cè),具有很高的實(shí)用價(jià)值。

金安橋水電站;真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng);變形監(jiān)測(cè);應(yīng)用

大壩安全監(jiān)測(cè)是通過(guò)儀器觀測(cè)和巡視檢查對(duì)大壩壩體、壩肩、近壩區(qū)岸坡及壩體周?chē)h(huán)境所作的測(cè)量及觀察。大壩安全監(jiān)測(cè)可以及時(shí)獲取第一手資料來(lái)了解壩的工作動(dòng)態(tài),為評(píng)價(jià)大壩狀況和發(fā)現(xiàn)異常跡象提供依據(jù),從而可以制定適當(dāng)?shù)乃畮?kù)控制運(yùn)用計(jì)劃及大壩的維護(hù)修理措施來(lái)保障大壩安全,在發(fā)生險(xiǎn)情時(shí)還可發(fā)布警報(bào)減免事故損失。因此大壩安全監(jiān)測(cè)是保證大壩安全的重要措施[1]。

真空激光準(zhǔn)直法既能監(jiān)測(cè)水平位移又可監(jiān)測(cè)垂直位移,且具有封閉性良好和不受外界干擾、精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn),使得真空激光準(zhǔn)直法成為了最適合開(kāi)發(fā)成全自動(dòng)、高精度大壩變形測(cè)量系統(tǒng)的方法[]。

金沙江金安橋水電站工程位于云南省麗江市境內(nèi)的金沙江中游河段上,是金沙江中游河段規(guī)劃的第五級(jí)電站。其壩段河道平直,流向自北向南,河谷為“V”型峽谷?？萜谒? 294 m,水面寬約80～100 m。右岸1 325～1 375 m高程有寬約100～170 m,長(zhǎng)約550～600 m的較平緩的臺(tái)地,坡度約11°,1 375～1 600 m以上山坡坡度約為40°, 1 600 m高程以上為高達(dá)180 m的陡崖;左岸地形受凝巖夾層的影響,地貌上呈臺(tái)階狀。兩岸地形陡峻,壩段內(nèi)山體較完整。金安橋大壩由于壩高,庫(kù)水推力大,壩基地質(zhì)條件復(fù)雜,結(jié)合地質(zhì)的變化、枯水季節(jié)和汛期的水位漲落、溫度等因素的變化均有可能發(fā)生壩體下沉,壩體位移和傾斜。所有這些變化達(dá)到一定程度就會(huì)給壩體帶來(lái)危險(xiǎn),所以必須對(duì)壩體位移、壩體沉降等參量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[3]。

1 水電站真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)主要由LN2081激光發(fā)射端、LN2082波帶板自動(dòng)起落架、LN2087波帶片、LN2086雙向CCD光斑測(cè)量坐標(biāo)儀、LN配電箱、LN激光準(zhǔn)直測(cè)控軟件等組成。真空激光系統(tǒng)還有真空泵、真空管道、波紋管、測(cè)點(diǎn)箱、平晶密封段等設(shè)備。激光準(zhǔn)直系統(tǒng)布置平面圖見(jiàn)圖1。

真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)是由發(fā)射端、真空管道、平晶密封段、真空測(cè)點(diǎn)箱、真空泵、電磁閥、波帶板起落架、接收端、端點(diǎn)校核設(shè)備等組成。

圖1 激光準(zhǔn)直系統(tǒng)布置平面Fig.1 Laser alignment system layout plan

1.2 測(cè)量原理

真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)采用He—Ne激光器發(fā)出一束激光,穿過(guò)與大壩待測(cè)部位固結(jié)在一起的波帶板,在接收端的成像屏上形成一個(gè)衍射光斑。利用CCD坐標(biāo)儀測(cè)出光斑在成像屏上的位移變化,即求得大壩待測(cè)部位相對(duì)于激光軸線的位移變化。激光傳輸空間介質(zhì)折射率的變化會(huì)直接影響到激光準(zhǔn)直精度,對(duì)于氣體來(lái)說(shuō),其折射率變化與氣體的壓強(qiáng)、溫度以及溫度梯度和壓強(qiáng)梯度有關(guān)。

在通常情況下大氣溫度梯度的影響是其折射率梯度存在的主要因素,而壓強(qiáng)梯度項(xiàng)的影響可以不考慮。從溫度梯度項(xiàng)分析,只要減低壓強(qiáng)P,就會(huì)減弱溫度梯度對(duì)大氣折射率變化的影響。

2 監(jiān)測(cè)分析

為了及時(shí)了解大壩的運(yùn)行性態(tài)和發(fā)展趨勢(shì),及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患,提高大壩安全運(yùn)行和管理水平,采用了現(xiàn)代科學(xué)新技術(shù),有計(jì)劃、有步驟地對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)施進(jìn)行自動(dòng)化更新。全自動(dòng)真空激光大壩變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用基點(diǎn)逐步傳遞技術(shù),加上高精度雙金屬管標(biāo)儀、CCD測(cè)量?jī)x,逐步實(shí)現(xiàn)了大壩的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。

變形監(jiān)測(cè)是對(duì)壩體整體變位的宏觀規(guī)律進(jìn)行監(jiān)控,是了解大壩工作性態(tài)的最重要也是最直接的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。變形監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容包括壩體和壩基的水平位移、垂直位移、傾斜、接縫和裂縫等。

2.1 監(jiān)測(cè)方案

如圖3A所示，5 ℃貯藏商品鱗莖的IAA含量變化先上升后下降然后再上升的規(guī)律：120th d時(shí)上升到一個(gè)較高點(diǎn)，30th d時(shí)下降，至60th d時(shí)達(dá)到最高點(diǎn)。此外，外層鱗葉IAA的含量在貯藏20 d以后的各個(gè)時(shí)期均比內(nèi)層鱗葉的含量稍高。而25 ℃貯藏商品鱗莖的IAA含量整個(gè)儲(chǔ)藏期間持續(xù)緩慢上升但60th d時(shí)，均低于5 ℃貯藏條件下。如圖3B所示，試管鱗莖的IAA含量變化和商品鱗莖類(lèi)似。

監(jiān)測(cè)實(shí)施的真空激光監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為:在壩頂EL.1 424 m、EL.1 359 m高程廊道內(nèi)布置全自動(dòng)真空激光大壩變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng),在左右岸帷幕灌漿平洞布置雙金屬管標(biāo)儀。監(jiān)測(cè)通過(guò)對(duì)金安橋水電站的壩頂左岸、壩頂右岸以及廊道進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)控,各布置方案如下:

(1)左岸壩頂EL.1 424 m引張線溝內(nèi)布置了一條激光準(zhǔn)直系統(tǒng),共由13個(gè)測(cè)點(diǎn)組成,各測(cè)點(diǎn)位置分布在各個(gè)壩段(壩頂0～13號(hào)壩段),激光管道總長(zhǎng)435.2 m,編號(hào)分別為L(zhǎng)A-01-01(J1)～LA-01-13 (J13)。

(2)右岸壩頂EL.1 424 m引張線溝內(nèi)布置了一條激光準(zhǔn)直系統(tǒng),共由9個(gè)測(cè)點(diǎn)組成,各測(cè)點(diǎn)位置分布在各個(gè)壩段(壩頂13～21號(hào)壩段),激光管道總長(zhǎng)257.8 m,編號(hào)分別為L(zhǎng)A-02-01(J1)～LA-02-09 (J09)。

(3)EL.1 359 m廊道內(nèi)布置了一條激光準(zhǔn)直系統(tǒng),共由8個(gè)測(cè)點(diǎn)組成,各測(cè)點(diǎn)位置分布在各個(gè)壩段(壩頂8～17號(hào)壩段),激光管道總長(zhǎng)284.5 m,編號(hào)分別為L(zhǎng)A-03-01(J1)～LA-03-08(J08)。

2.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

(1)左岸真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)監(jiān)測(cè) 壩頂左岸真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)位移過(guò)程曲線如圖2所示。

左岸真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)于2011年9月6日取得初始值,于2011年9月13日取得基準(zhǔn)值,基準(zhǔn)值的選取符合規(guī)范和相關(guān)技術(shù)要求。近期監(jiān)測(cè)成果表明左岸真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)順河向位移在－0.02～7.35 mm之間,沉降位移在1.25～3.01 mm之間。

(3)EL.1 359 m廊道真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)監(jiān)測(cè)EL.1 359 m廊道真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)過(guò)程曲線及分布如圖5所示。EL.1 359 m廊道真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)位移分布如圖6所示。EL.1 359 m廊道激光準(zhǔn)直系統(tǒng)各個(gè)壩點(diǎn)的觀測(cè)位移數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。EL.1 359 m廊道真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)于2011年7月3日取得初始值,于2011年7月10日取得基準(zhǔn)值,基準(zhǔn)值的選取符合規(guī)范和相關(guān)技術(shù)要求。相比情況下,El.1 359 m廊道激光數(shù)據(jù)較連續(xù),結(jié)合壩體垂線及水準(zhǔn)點(diǎn)、雙金屬標(biāo),通過(guò)圖5及表2的監(jiān)測(cè)成果可以看出:順河向位移在1.12～3.49 mm之間,沉降位移在0.02～0.04 mm之間。

圖2 壩頂左岸真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)位移過(guò)程曲線Fig.2 The curve of vacuum laser alignment system displacement process on left bank of the dam top

圖3 壩頂右岸真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)位移過(guò)程曲線Fig.3 The curve of vacuum laser alignment system displacement process on right bank of the dam

圖4 壩頂右岸激光準(zhǔn)直系統(tǒng)位移分布Fig.4 Displacement distribution diagram of laser alignment system on right bank of the dam top

表1 壩頂右岸激光準(zhǔn)直系統(tǒng)各個(gè)壩點(diǎn)的觀測(cè)位移數(shù)據(jù)Table 1 Displacement size of every laser alignment system monitoring point on right bank of the dam top

圖5 EL.1 359 m廊道真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)過(guò)程曲線及分布Fig.5 EL.1 359 m gallery laser alignment system process curve and distribution

圖6 EL.1 359 m廊道真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)位移分布Fig.6 EL.1 359 m gallery laser alignment system displacement distribution diagram

表2 EL.1359m廊道激光準(zhǔn)直系統(tǒng)各個(gè)壩點(diǎn)的觀測(cè)位移數(shù)據(jù)Table 2 EL.1359m corridor laser collimation system point of each dam observation displacement size

從近期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)后的監(jiān)測(cè)成果分析及壩頂真空激光整體分布圖來(lái)看:大壩順河向方向整體向下游位移,最大發(fā)生在廠房壩段(9號(hào)壩段) 13.23 mm,相比壩頂表面變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)順河向位移小4.26 mm,其中2號(hào)壩段向上游變形,但位移量較小,結(jié)合監(jiān)測(cè)儀器誤差分析,該點(diǎn)可以忽略不計(jì)。壩體沉降左岸0～7號(hào)壩段總體呈上抬趨勢(shì),8～20號(hào)壩段下沉,與壩頂水準(zhǔn)點(diǎn)變化相符,符合重力壩蓄水后的一般規(guī)律。

3 結(jié)論

(1)壩體順河向下游變形,沉降位移主要下沉,符合重力壩的一般變化,后期需要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)儀器的日常維護(hù),確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性。作為新興的監(jiān)測(cè)手段,激光系統(tǒng)設(shè)備在監(jiān)測(cè)中發(fā)揮了其時(shí)效性強(qiáng)、監(jiān)測(cè)變量多的優(yōu)點(diǎn)。但是應(yīng)重視其系統(tǒng)的穩(wěn)定性,勤于保養(yǎng)維護(hù),保證其處于良好的工作狀態(tài),特別注意壩頂引張線溝內(nèi)積水的現(xiàn)象,為后期的大壩安全鑒定和大壩注冊(cè)提供更好的監(jiān)測(cè)成果。

(2)大壩變形監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的部分功能還有待完善,自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備應(yīng)加強(qiáng)檢修維護(hù)與設(shè)備投入,確保系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運(yùn)行。少數(shù)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備的穩(wěn)定性和精度還有待提高,這是今后應(yīng)該繼續(xù)努力的方向。

(3)在今后的觀測(cè)設(shè)計(jì)中,有必要將設(shè)計(jì)內(nèi)容分為施工期、蓄水期及運(yùn)行期三個(gè)部分進(jìn)行,并作為一個(gè)整體考慮,這樣可使觀測(cè)設(shè)計(jì)的目的更加明確,也更切合實(shí)際。另外,觀測(cè)設(shè)計(jì)應(yīng)該隨著時(shí)間的推移及實(shí)踐情況的變化,逐步進(jìn)行修正和完善并逐步開(kāi)展自動(dòng)化觀測(cè)。

[1] 李珍照.大壩安全監(jiān)測(cè)[M].北京:中國(guó)電力出版社,1997.

[2] 王麗,焦緒濤.真空激光準(zhǔn)直法在大壩監(jiān)測(cè)中應(yīng)用原理分析[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù),2007,27(6):149-151.

[3] 耿凡坤,盧新民,王迎春,等.山口水電站碾壓混凝土壩變形性態(tài)分析[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè),2014,38(4):27-32,72.

[4] 何勇軍,劉成棟,向衍,等.大壩安全監(jiān)測(cè)與自動(dòng)化[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2008.

[5] 黃志鵬,董燕軍,廖年春,等.錦屏一級(jí)水電站左岸開(kāi)挖高邊坡變形監(jiān)測(cè)分析[J].巖土力學(xué),2012,33(S2):235-242.

[6] 李秋炎,宮玉強(qiáng),佘斌.葛洲壩水利樞紐安全監(jiān)測(cè)中新技術(shù)的應(yīng)用[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè),2012,36(3):50-53.

[7] 儲(chǔ)征偉,鐘金寧,段偉,等.自動(dòng)化三維高精度智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在地鐵變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2013,59(S2):225-229.

[8] 何金平,王龍.大壩位移真空激光準(zhǔn)直監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2006,27(S2):1 500-1 502.

[9] 何暉,鄒升偉,李棟棟.基坑監(jiān)測(cè)中兩種監(jiān)測(cè)手段相結(jié)合的應(yīng)用及精度分析[J].甘肅科學(xué)學(xué)報(bào),2015,27(3):59-61,73.

[10] Wei Li,Chang Wang.GPS in the Tailings Dam Deformation Monitoring[J].Procedia Engineering,2011,26(4):1 648-1 657.

[11] Zhao Yajun,Qian Qian.A New Type of Automatic Monitoring System of Static and Dynamic Displacement on Dam and Slope[J].Procedia Engineering,2012,43(1):387-392.

The Application of Vacuum Laser Alignment System in Deformation Monitoring of Jin'an Bridge Hydropower Station

Tang Xiang1,Chen Junzhi1,Duan Huiwen2
(1.Faculty of Land Resource Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming650093,China; 2.Kunming Design and Research Institude for Hydroelectric Projects,Kunming650051,China)

Vacuum laser alignment System researched by our country ourselves is a monitoring instrument which has high precision and can observe horizontal displacement and vertical displacement.In this text,we introduce the composition and work principle of Jin'an bridge hydropower station vacuum laser alignment system.The vacuum laser alignment system is laid out on the left bank and right bank of the dam and in gallery,and we can understand the displacement of the dam precisely and on time,monitor the left and right bank of the dam and gallery by collecting data from these points.We have achieved good results.As a new monitoring means,the laser system play the effect of strong timeliness,more monitoring variables and high precision,so that it can automatically monitor horizontal and vertical displacement very well,having high practical value.

Jin'an bridge hydraulic station;Vacuum laser alignment system;Deformation monitoring; Application

TN247

:A

:1004-0366(2016)05-0094-06

2015-06-15;

:2015-08-20.

湯祥(1990-),女,河南義馬人,碩士研究生,研究方向?yàn)閹r石力學(xué).E-mail:986853747＠qq.com.

Tang Xiang,Chen Junzhi,Duan Huiwen.The Application of Vacuum Laser Alignment System in Deformation Monitoring of Jin'an Bridge Hydropower Station[J].Journal of Gansu Sciences,2016,28(5):94-99.[湯祥,陳俊智,段會(huì)文.真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)在金安橋水電站變形監(jiān)測(cè)的應(yīng)用[J].甘肅科學(xué)學(xué)報(bào),2016,28(5):94-99.]

10.16468/j.cnkii.ssn1004-0366.2016.05.022.