李海星，韓 勇，劉海君

（海河水利委員會引灤工程管理局，天津 300308）

大壩作為一種特殊的建筑物，其安全監(jiān)測十分重要。變形監(jiān)測是大壩結構性態(tài)的最直接反映，由此可見大壩的變形監(jiān)測系統(tǒng)的重要性。水平位移監(jiān)測和垂直位移監(jiān)測是大壩變形監(jiān)測的主要項目，目前常見的水平位移監(jiān)測方法有NJG型真空激光準直系統(tǒng)監(jiān)測、引張線監(jiān)測、垂線監(jiān)測、視準線監(jiān)測，常見的垂直位移監(jiān)測方法有NJG型真空激光準直系統(tǒng)監(jiān)測、靜力水準監(jiān)測、雙金屬管監(jiān)測。NJG 型真空激光準直系統(tǒng)是一種目前應用較為廣泛的監(jiān)測系統(tǒng)，是一項先進成熟的變形監(jiān)測方法。

1 潘家口水庫大壩NJG型真空激光準直系統(tǒng)簡介

潘家口水庫主壩為混凝土低寬縫重力壩，最大壩高107.5 m，壩頂長1 039.11 m，共有56 個壩段，自左至右分別為左岸擋水壩段、左溢流壩段、泄洪底孔壩段、右溢流壩段、電站壩段、右岸擋水壩段。

NJG 型真空激光準直系統(tǒng)是南京南瑞集團公司的研發(fā)成果，該位移監(jiān)測系統(tǒng)主要由NJG 型真空激光準直位移測量裝置和配套的軟件平臺組成。潘家口水庫大壩NJG 型真空激光準直系統(tǒng)共布置3 套，分別設置在壩頂、202 廊道及154 廊道，共計71 個測點。NJG 型真空激光準直系統(tǒng)于2015 年7 月開始施工，2017 年3 月調試完成并取得數(shù)據。

1.1 系統(tǒng)優(yōu)點

NJG 型真空激光準直系統(tǒng)為潘家口主壩變形監(jiān)測系統(tǒng)中的一種。根據工程實際應用效果可知，NJG型真空激光準直系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)越性。

（1）NJG 型真空激光準直系統(tǒng)是一種同時監(jiān)測大壩水平和垂直位移的自動監(jiān)測系統(tǒng)。其他監(jiān)測系統(tǒng)基本只能實現(xiàn)對單個位移的自動監(jiān)測，需要多臺儀器設備才能完成NJG 真空激光準直系統(tǒng)的工作。就實際情況而言，NJG 真空激光準直系統(tǒng)相較于其他監(jiān)測系統(tǒng)有明顯優(yōu)勢。

（2）NJG型真空激光準直系統(tǒng)由于采用真空管道，避免了大氣的干擾，可以有效解決長距離建筑物的位移監(jiān)測，其觀測精度受環(huán)境影響較小，長期工作穩(wěn)定可靠，測量精度達到0.5×10-6L（L為激光準直的長度）以上。若采用常見的引張線監(jiān)測，由于線體的長度過長，在重力的干擾下，監(jiān)測數(shù)據將不可避免地出現(xiàn)誤差，影響實際結果；采用靜力水準監(jiān)測，靜力水準系統(tǒng)的管道長度不能過長，否則液體的流通性、觀測靈敏度都將受到影響；采用視準線方法測量，隨著距離的增加，受大氣干擾的影響增大，觀測精度隨之下降。

（3）NJG 型真空激光準直系統(tǒng)數(shù)據采集速度快，可長期連續(xù)穩(wěn)定監(jiān)測，監(jiān)測資料完整，工作可靠，較其他系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據的有效性更高。

（4）監(jiān)測設施在大壩布置的環(huán)境一般濕度大、溫差大，對于監(jiān)測設備有更嚴格的要求，NJG 型真空激光準直系統(tǒng)能夠適應惡劣的工作環(huán)境。

1.2 系統(tǒng)工作原理

NJG 型真空激光準直系統(tǒng)是以一束激光準直光束為基準，通過測點的位移變化，來確定大壩變形情況的監(jiān)測設備。

系統(tǒng)通過真空泵人為創(chuàng)造真空環(huán)境，使得真空管道內的激光束排除了大氣折光可能產生的漂移、抖動和偏折情況，其測量精度可達0.5×10-6L（L為激光準直的長度）以上，具有穩(wěn)定并可長期工作的特點。

系統(tǒng)測量沿準直線各測點位移的原理類似于引張線準直系統(tǒng)。系統(tǒng)發(fā)射端采用He-Ne 激光器，首先其發(fā)射激光束穿過壩內測點部位的波帶板，在接收端的成像屏上形成衍射光斑；之后，當測點波帶板與壩頂測點發(fā)生水平或垂直位移時，利用CCD 坐標儀測量成像屏上光斑的位移。根據三點準直法，得出測點位移變化，如圖1所示。

圖1 波帶板準直原理

其計算公式如下：

式中：X相為大壩測點位移值（mm）；X測為接收端的測點位移觀測值（mm）；Ln為發(fā)射端至測點波帶板的距離（m）；L為發(fā)射端至接收端的距離（m）。

1.3 系統(tǒng)布置

潘家口水庫大壩NJG型真空激光準直系統(tǒng)組成部分，如圖2 所示。系統(tǒng)主要分為5 個部分，即激光發(fā)射端、激光接收端、監(jiān)控數(shù)據采集與管理系統(tǒng)、真空泵與測點。監(jiān)控數(shù)據采集與管理系統(tǒng)設在壩頂右壩頭管理樓內。激光發(fā)射端與激光接收端都處于保護罩內部，防止外界干擾并保護設備。各測點都修建水泥墩用于支撐，并建造測點箱來保護設備。系統(tǒng)的真空泵屬于大功率設備，一般采用三相電供電，獨立的供電系統(tǒng)有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性，在壩頂18#壩段、202 廊道、154 廊道分別設置永久取電點，以便給系統(tǒng)獨立供電。

圖2 NJG型真空激光準直系統(tǒng)組成

NJG 型真空激光準直系統(tǒng)測點統(tǒng)計，詳見表1，共計71個測點。

表1 NJG型真空激光準直系統(tǒng)測點統(tǒng)計

2 NJG型真空激光準直系統(tǒng)觀測資料分析

NJG 型真空激光準直系統(tǒng)在潘家口水庫大壩共布置3套，分別位于壩頂、202廊道、154廊道，可同時測量水平位移與垂直位移。系統(tǒng)產生觀測數(shù)據較多，為便于分析研究，選取溢流壩段和底孔壩段的典型測點JGS24-1、JGS31-1、JGS44-1 2019 年5 月—2021 年7 月之間的水平位移與垂直位移觀測數(shù)據，通過統(tǒng)計系統(tǒng)的缺失率與平均無故障工作時間，確定系統(tǒng)的可靠性與實際運行情況。

2.1 水平位移分析

圖3為環(huán)境量過程線，通過對環(huán)境量的分析，可以看出上游水位與下游水位變化較小，考慮到潘家口地區(qū)溫度變化為年周期變化，由此得出結論，潘家口水庫大壩水平位移與垂直位移受水位影響較小，主要隨溫度變化而變化，水平位移過程線如圖4所示。

圖3 環(huán)境量過程線

圖4 水平位移過程線

由圖4 可以看出：①各測點測值基本無突變和故障，數(shù)據連續(xù)穩(wěn)定，變化規(guī)律有同步性；②冬春季水平位移增大，說明位移變化趨勢為往下游變化；夏秋季水平位移減小，說明位移變化趨勢為往上游變化；③水平位移和氣溫變化基本呈負相關變化。

2.2 垂直位移分析

垂直位移主要隨溫度變化而變化，垂直位移過程線如圖5所示。

圖5 垂直位移過程線

由圖5可以看出：①各測點測值基本無突變和故障，數(shù)據連續(xù)穩(wěn)定，變化規(guī)律有同步性；②受外界溫度影響，冬季下沉，夏季上抬，每年的冬季測值較大，夏季測值較?。虎鬯轿灰坪蜌鉁刈兓境守撓嚓P變化。

整體來看，系統(tǒng)觀測數(shù)據符合大壩變形規(guī)律，連續(xù)性好，呈曲線，基本無突變和故障現(xiàn)象。

2.3 系統(tǒng)可靠性分析

系統(tǒng)可靠性一般是指在規(guī)定的時間內和規(guī)定的工況下，完成規(guī)定功能的能力/概率。本次系統(tǒng)可靠性分析主要以平均無故障工作時間和數(shù)據缺失率來進行判斷。

平均無故障工作時間是指可修復產品在相鄰兩次故障之間工作時間的數(shù)學期望值，即在每兩次相鄰故障之間的工作時間的平均值，它相當于產品的工作時間與這段時間內產品故障數(shù)之比，即：

式中：ti為考核期內第i個單元的正常工作時數(shù)（h）；ri為第i個單元出現(xiàn)的故障次數(shù)；n為系統(tǒng)內數(shù)據采集單元總數(shù)。

數(shù)據缺失率是指未能測得的有效數(shù)據個數(shù)與應測得的數(shù)據個數(shù)的百分比，即：

式中：W為數(shù)據缺失率；n為應測數(shù)據個數(shù)；ρ為未采集到的數(shù)據個數(shù)。

由于系統(tǒng)產生的自動化數(shù)據較多，本文僅統(tǒng)計2020年的數(shù)據，統(tǒng)計結果詳見表2。

表2 NJG型真空激光準直系統(tǒng)數(shù)據缺失統(tǒng)計

將n=21×366=7 686、ρ=210 代入式（1）和式（2），經計算得到，MTBF=7 176 h>6 300 h，W=2.75%。

由上可知，系統(tǒng)自動化數(shù)據缺失率為2.75%、小于3%，平均無故障時間為7 176 h、大于6 300 h，均符合規(guī)范要求。

3 結論

截止目前，潘家口水庫大壩的NJG 型真空激光準直系統(tǒng)運行平穩(wěn)，安全可靠。系統(tǒng)不同監(jiān)測點的位移分布合理、數(shù)據協(xié)調，與環(huán)境變化量的變化相適應，表明系統(tǒng)的觀測精度高。系統(tǒng)水平位移和垂直位移觀測數(shù)據符合大壩變形監(jiān)測規(guī)律且穩(wěn)定連續(xù)，平均故障間隔時間和自動數(shù)據丟失率均符合規(guī)范要求，說明系統(tǒng)在潘家口水庫大壩的成功應用，同時為系統(tǒng)在類似工程上的推廣應用積累了經驗。