齊冀龍，劉楓 ，任建欽

（1.中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林長春 130061；2.水利部寒區(qū)工程技術研究中心，吉林長春 130061）

1 真空激光準直系統(tǒng)

對于大壩安全監(jiān)測，位移監(jiān)測是最直接最直觀的監(jiān)測項目，是大壩監(jiān)測必須監(jiān)測的項目。目前大壩位移監(jiān)測有垂線法、視準線法、引張線法、真空激光準直法等。激光準直監(jiān)測分為大氣激光準直和真空激光準直[1]：大氣激光準直雖然構造簡單、價格便宜，但是容易受到天氣的干擾，大氣的擾動和溫度梯度導致的光線偏折使其很難獲得滿意的測量效果，尤其是測量距離較長時[2]；而真空激光準直系統(tǒng)克服了上述的問題，真空激光準直法測量精度高、維護簡便、自動化水平高、受外界環(huán)境干擾小，是安全監(jiān)測系統(tǒng)非常有效的監(jiān)測方式之一。

1.1 激光

激光是基于受激發(fā)射放大原理而產(chǎn)生的一種相干光輻射。具有方向性好，單色性好，高亮度，相干性好的優(yōu)點。其方向性好，如將激光射向幾千米外，光束直徑僅擴展幾厘米，而普通探照燈擴展達幾十米；其方向性好，使激光在定位、導向、測距方面獲得廣泛應用；其單色性好，如氦氖激光器發(fā)射的632.8 nm激光的譜線寬度只有10～9 nm，利用其單色性可作為計量工作的標準光源。利用激光高亮度的特點，可用于切割、焊接等工業(yè)領域，亦可以作為手術刀做外科手術。一般真空激光準直系統(tǒng)采用氦氖激光器發(fā)射的632.8 nm的激光作為光源[3]。

1.2 真空激光準直系統(tǒng)

真空激光準直系統(tǒng)由激光發(fā)射端、真空泵、測點箱、真空管道、接收端以及測控系統(tǒng)幾個主要部分構成。激光發(fā)射端采用氦氖激光器，氦氖激光器在毛細管內(nèi)充以稀薄的He和Ne氣體，He與Ne的比例約為7∶1，He-Ne激光器能發(fā)出波長為632.8 nm（最常用的紅光）、1.15 nm（近紅外線）、3.39 nm（紅外線）的3條譜線。采用632.8 nm作為工作光源，在發(fā)射端使激光光束通過小孔會形成衍射光斑，衍射光斑在真空管道內(nèi)傳播，通過真空泵持續(xù)地將真空管道內(nèi)的氣體排出，當管道內(nèi)的壓強低到40 Pa以下時，此時氣體稀薄，折射擾動已不會對位移監(jiān)測產(chǎn)生明顯影響。測點箱固定在對應的需要監(jiān)測位移的壩段，并通過軟連接，與真空管道連接，由于測點箱固定在相應壩段上，如此通過測量該測點箱的位移便可獲取該壩段的位移。測點箱內(nèi)部包括波帶板、電機、支架及通訊測控模塊等。波帶板又叫菲涅爾波帶片，與透鏡類似，可以匯聚射到波帶板的光到接收端，通過對波帶板進行設計，可將發(fā)射端的光斑匯聚到系統(tǒng)的接收端，形成像點，通過接收端測量像點的位移就可以推算出該波帶板所在測點箱位置處的垂直于激光軸線的水平位移和垂直位移，即壩體左右岸方向和上下方向的位移。系統(tǒng)接收端采用接收幕，用工業(yè)相機對像點的位置進行采集，采用圖像處理算法捕捉到像點的準確位置，進而通過軟件計算出測點的位移。軟件系統(tǒng)通過控制測點電機控制波帶板的動作及控制真空泵抽真空的過程，使整個測控系統(tǒng)自動完成抽真空，管道各測點的切換以及像點的圖像采集及測點位移的計算，相應采集數(shù)據(jù)的入庫全部操作。

2 發(fā)電廠真空激光系統(tǒng)改造過程

太平灣水電站總裝機容量190 MW，多年平均發(fā)電量7.2億kW·h。壩址以上流域面積53.576 km2，多年平均流量為 800 m3/s，總庫容 2.75 億 m3，為一日調(diào)節(jié)水庫。

電站水利樞紐主要由混凝土重力壩、壩后式廠房和變電站組成。電站為河床式電站，廠房布置在右岸河床（中國側(cè)）內(nèi)，溢流壩布置在河床及左岸灘地上，左右兩岸岸坡為普通擋水壩段。大壩總長1 185.5 m，最大壩高36.5 m。大壩共62個壩段，0～3號和33～61號為擋水壩段；4～32號為溢流壩段；62號為廠房壩段。

太平灣大壩壩頂變形監(jiān)測采用真空激光準直自動化系統(tǒng),同時監(jiān)測壩頂水平位移和垂直位移。系統(tǒng)于1998年8月1日投入試運行。真空激光系統(tǒng)主要包括發(fā)射端，真空管道，抽真空系統(tǒng)，接收端，激光測點等。

由于太平灣電廠原真空激光測壩系統(tǒng)管道內(nèi)設備較為陳舊，采用的控制系統(tǒng)以及采集系統(tǒng)都較為老舊，抽真空設備抽真空時間較長等原因，無法及時準確獲取壩體的變形，保證大壩的安全運行，進而對其真空激光系統(tǒng)的62個測點的控制系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、接收端、發(fā)射端及采集軟件系統(tǒng)等進行了全面升級。以下對所更換的各部分進行了簡要介紹。系統(tǒng)結(jié)構圖，見圖1。

2.1 測點及真空管道

1）拆除原測點箱內(nèi)電機支架、測點控制板、管道內(nèi)電纜；

2）安裝新的電機支架、步進電機、電機軸夾、配重塊、測點模塊，總計62套；

3）重新敷設管道內(nèi)電纜2根，1根規(guī)格為RVV2×1.5 mm2，1根規(guī)格為RVV4×0.5 mm2，每根長約1 300 m。

2.2 接收端

1）更換現(xiàn)有的AV攝像機為工業(yè)數(shù)字攝像機2臺；

圖1 真空激光系統(tǒng)結(jié)構圖

2）更換接收幕2套，用帶有精密網(wǎng)格校準攝像機非線性修改功能的激光接收幕替換現(xiàn)有的普通幕；

3）更換接收端保護箱2臺；

4）更換激光數(shù)據(jù)采集工控機1臺，內(nèi)帶有RS485通信口擴展卡1塊，可擴展出2個RS485口；

5）增加19”機柜1臺，尺寸為：60 cm× 80 cm×180 cm（寬×深×高）；

6）增加攝像機用USB2.0延長線2條；

7）原有的2臺AV攝像機作為發(fā)射端激光管調(diào)整用接收幕監(jiān)視攝像機，改造其接口線；

8）改造接收端電纜出線口接線2個；

9）安裝大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)采集軟件1套。

2.3 發(fā)射端

1）為激光管提供2臺激光電源備件，450 mm的1臺，250 mm的1臺；

2）增加發(fā)射端便攜監(jiān)視器1臺，規(guī)格為5寸AV監(jiān)視器；

3）另改造發(fā)射端電纜出線口接線2個。

2.4 抽真空部分

1）拆除原有的真空泵及抽真空管路3套，平整真空控制室地面；

2）安裝新的旋片泵－羅茨泵機組2套、差壓電磁閥門2套、及抽真空管路2套、排氣管路2套；

3）更換真空控制配電箱1臺，新真空配電箱內(nèi)帶有電子真空度檢測功能；

4）更換麥氏真空計1臺。

2.5 其他部分

1）拆除激光系統(tǒng)、垂線儀、雙標儀電源配電箱，拆除原總電源箱；

2）安裝新的電源配電箱，將原分散的配電箱集中成一個總的電源配電箱；

3）激光觀測室檢修井1 200 mm高護欄制作及安裝10延米；

4）壩段、61號壩段觀測室門拆除及安裝防盜門；

5）端點改正，利用現(xiàn)有的采集硬件采集端點數(shù)據(jù)，激光系統(tǒng)從“觀測統(tǒng)一平臺”數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)，作端點改正計算；

6）觀測數(shù)據(jù)提交到現(xiàn)有的“觀測統(tǒng)一平臺”。

3 改造技術要點

3.1 真空泵的選取

為了滿足管道內(nèi)的真空度及抽氣時間等技術指標的要求，采用一組羅茨、旋片真空泵機組。機組的前級泵采用萊寶公司生產(chǎn)的油封式單級旋片泵作為預抽泵，型號為SV300。主泵選擇萊寶公司生產(chǎn)的羅茨泵，型號為WAU1001，從而縮短了抽真空的時間及提高真空度。經(jīng)過實驗，從大氣壓到滿足測量需求的真空度所需時間在0.5 h以內(nèi)。

安裝新的真空泵及相應的電源線，并且對不同的部位加相應的油，加電調(diào)試使其正常運轉(zhuǎn)。

抽真空系統(tǒng)安裝好后，必須進行檢漏試驗。檢漏分為分段充氣初檢與最終的抽真空試驗檢驗兩個步驟。

分段充氣初檢：用堵頭將該檢驗的管道封閉起來，向試驗段的管道內(nèi)充氣，使管道內(nèi)保持超過大氣壓0.1 MPa的正壓，然后用肥皂水在所有焊縫上依次刷涂，并仔細觀察是否有氣泡產(chǎn)生。同時派專業(yè)技術人員觀察高精度的管道氣壓表是否有變化。如果壓力表始終保持在充氣完畢時的讀數(shù)，各焊縫均沒有氣泡產(chǎn)生，基本可以判定該段管道不漏氣。

最后用抽真空方式對整個管道（含波紋管、測點箱）進行檢漏，升氣率的檢查以麥氏真空表或者其它電測真空計的測量為準。開始抽真空前，再進行一次內(nèi)壁清潔處理，以防止污物、灰塵對真空泵的磨損、泵油的污染，使泵的有效抽速降低。

3.2 波帶板翻轉(zhuǎn)裝置安裝及調(diào)整

在取下舊的測點控制器及電機支架前,先進行一次自動觀測，以備和安裝好新的測點盒及電機支架后的數(shù)據(jù)進行對比，以評估安裝的質(zhì)量和數(shù)據(jù)的可靠性。

安裝新的電機支架及電機，安裝新的測點模塊并設置好地址編碼，將測點控制盒內(nèi)的各種電纜接頭正確接好。

系統(tǒng)安裝完成后，先通過測試按鈕對測點控制器進行現(xiàn)場操作，調(diào)整接近開關的位置，確保波帶板落下后保持自由懸垂狀態(tài)；調(diào)整重錘的位置，確保在斷電情況下波帶板能自動抬起；再通過RS485通訊方式對各測點控制器進行波帶板抬起、落下操作，確保各設備在遠程控制方式下運行正常。

所有的測點控制機構全部安裝完成后，將測點箱蓋蓋上，進行抽真空。

當真空抽到測量真空度后，用調(diào)試軟件或人工測點控制器控制各測點的波帶板落下，并記下各個波帶板在接收幕上所成的像的位置。

3.3 軟件調(diào)試

真空激光系統(tǒng)的硬件設備安裝完成后，通過RS485通訊方式分別對各激光MCU設備進行組網(wǎng)調(diào)試，測試各設備的通訊是否可靠等各項技術指標，同時標定各測點的亮度閾值、增益等指標。

當激光MCU和其所屬的各設備調(diào)試成功后，將激光MCU和中控室內(nèi)的服務器組成一個局域網(wǎng)再次進行調(diào)試，按照軟件說明書中的相關規(guī)定測試軟件，直到滿足所有功能為止。

對軟件連續(xù)運行72 h，保證軟件正常運行。

4 結(jié)論

太平灣電廠真空激光準直系統(tǒng)改造升級后，通過對管道內(nèi)電纜的更換和管道內(nèi)的清理，使光路更為順暢，沒有阻擋；通過更換較為先進的真空泵，提高了系統(tǒng)抽真空的速率，進而提高了系統(tǒng)的測量效率；通過更換更為先進的采集系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)測量的精度和準確度，為大壩表面位移的快速準確獲取奠定了基礎，進而保證了電站的安全運行。

［1］何金平，王龍.大壩位移真空激光準直監(jiān)測系統(tǒng)分析［J］.儀器儀表學報，2006，27卷（6Z）.

［2］張琳，易亞星，劉志勤.真空激光準直系統(tǒng)在大壩變形監(jiān)測中的應用［J］.水利與建筑工程學報，2007，5（4）.