王洪洋，李俊富

（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）

目前，直線壩水平位移觀測方法包括真空激光準直測壩變形系統(tǒng)、大氣激光準測壩變形系統(tǒng)、視準線法、垂線法、引張線法、交會法、極坐標法、GNSS系統(tǒng)觀測法等。其中，垂線法、交會法、極坐標法、GNSS系統(tǒng)觀測法可以觀測拱壩位移，但交會法、極坐標法難以實現(xiàn)自動化；垂線法受布置數(shù)量約束，觀測數(shù)量有限；GNSS系統(tǒng)觀測法受氣候條件影響大，觀測精度低。為了實現(xiàn)拱壩或折線型水工建筑物水平及垂直位移自動監(jiān)測，本文將基于真空激光準直測壩變形系統(tǒng)的原理對分段真空激光準直測壩變形系統(tǒng)進行研究。

1 激光準直

激光準直測量技術按測量原理可分為激光束準直和波帶板激光準直兩類。激光束準直法通過望遠鏡系統(tǒng)發(fā)射出激光束，利用激光束的直線性，在需要準直的觀測點上用光電探測器或接收幕后面的CCD攝像機接收，利用能量中心法計算出光斑在成像屏上的像素坐標，常用于施工機械導向的自動化和變形觀測。波帶板激光準直是利用激光的干涉原理，激光只作為點光源，而不作為準直線，采用三點準直方法，避免了對激光束高穩(wěn)定性的要求。該系統(tǒng)由激光器點源、波帶板裝置和光電探測器或自動數(shù)碼顯示器三部分組成，主要用于長距離高精度準直測量，如長距離基準線測量、直線加速器安裝測量、大壩變形監(jiān)測等。

2 真空激光準直測壩變形系統(tǒng)

真空激光準直測壩變形系統(tǒng)技術已非常成熟，并成功應用于國內(nèi)多個大型水利水電工程。但其是準直系統(tǒng)，只適用于直線型水工建筑物，在拱壩等非直線型水工建筑物中無法應用。近年來，國內(nèi)又連續(xù)建成了多個高拱壩，但其觀測方法仍沒有大的革新。為了實現(xiàn)自動監(jiān)測拱壩水平位移，采用激光束準直、雙小孔激光定位、CCD攝像機光斑捕捉和能量中心計算等技術，組成分段真空激光準直測壩變形系統(tǒng)。該系統(tǒng)由發(fā)射端控制設備、真空管道、測點控制設備、接收端控制設備、真空控制設備及測控單元等部分組成。

3 分段式真空激光準直系統(tǒng)

分段真空激光準直測壩變形系統(tǒng)是根據(jù)水工建筑物的結(jié)構(gòu)形狀將多條真空激光準直測壩變形系統(tǒng)進行分段連接，最終形成一個完整的變形測量系統(tǒng)。每段系統(tǒng)由1個發(fā)射端、1個接收端和激光傳輸管道組成。傳輸管道與測點采用波紋管連接，波紋管的作用是消除溫度引起的伸縮變形，保證測點位移不受傳輸管道約束。發(fā)射端由激光管、雙小孔定位裝置組成；激光管發(fā)出的激光束經(jīng)過雙小孔射向接收端；接收端由接收幕、采集攝像機組成，接收幕的作用是使發(fā)射端激光管發(fā)出的激光束成像在屏幕上，采集攝像機的作用是采集屏幕上的像點坐標。具體布置是第一段激光發(fā)射端獨立布置在發(fā)射平臺上，第一段激光接收端與第二段激光發(fā)射端布置在同一觀測平臺上，第二段激光接收端與第三段激光發(fā)射端布置在同一觀測平臺上，依此類推，最末段激光接收端獨立布置在接收平臺上。

4 位移計算

試驗共布置3段（4個測點），測點布置信息如圖1所示。假設1號測點不動，當2號測點沿AB線移動到X2i時，在2號測點處測到X1-2i，同時在3號測點處測到X2-3i，則有：X1-2i=X2icos(α1)；X2-3i=X2icos(α2)。

圖1 康卓水庫工程樞紐布置圖

圖1 測點布置圖

規(guī)范SL 601-2013《混凝土壩安全監(jiān)測技術規(guī)范》中5.1.3項變形監(jiān)測準確度規(guī)定，拱壩壩體徑向位移量中誤差限制值為±2.0 mm，在±50.0 mm的量程內(nèi)控制誤差在0.5 mm，則50.0 mm/cos（8.08°）=50.5 mm，即α角度控制為8.08°，只要角度小于8°，即可以認為X2i≈X1-2i，X2i≈X2-3i。在實際工程中α角遠小于8°。

5 數(shù)據(jù)精度分析

5.1 精度計算

試驗布置3段（4個測點），在給定某點固定位移值后對該系統(tǒng)所有測點分別觀測4測回，共計16次讀數(shù)，分別計算自由狀態(tài)及不同位移情況的重復精度。觀測值重復精度計算公式：

式中：m是重復觀測精度，mm；Xi—第i次觀測值，mm；是觀測值平均值，mm；△是觀測值與觀測值平均值的差值，mm；n觀測次數(shù)。

此次試驗共進行了4組觀測，觀測誤差見表1。

表1 觀測誤差表mm

從表1中可以看出，最大重復誤差為±0.011 mm。

5.2 誤差計算

通過給定某點水平位移值后，觀測得到的閉合差按照距離進行平差后，得到相應平臺（測點）的位移值，并計算出位移值中誤差。

閉合差計算：

改正數(shù)計算：

位移值計算：

式中：ω是閉合差，mm；△i是第i次觀測值與初始值之差，mm；Xi——第i次觀測值，mm；X初是觀測值初始值，mm；Si是第i段距離，m；Vi是第i點改正數(shù)，mm；δi是第i點位移值，mm。具體試驗數(shù)據(jù)見表2。

表2 位移試驗誤差表mm

從表2可以看出，通過觀測給定測點不同位移，平差計算得出每次最大位移的誤差值為±0.067 mm。

6 結(jié)論

1）此次試驗觀測值最大重復誤差為±0.01 mm，說明此次觀測值可信。試驗中位移中誤差最大值為±0.067 mm，是按照距離進行平差計算的，現(xiàn)場最長段距離9.33 m。實際工程中拱壩每個壩段長度在20 m左右，按照距離比例進行放大，位移中誤差最大值小于±0.2 mm，其觀測精度與真空激光準直測壩變形系統(tǒng)基本一致。

2）觀測成果通過閉合差計算，按照距離進行改正，消除了觀測中系統(tǒng)誤差。

7 結(jié)語

分段真空激光準直測壩變形系統(tǒng)成功解決了拱壩或折線型水工建筑物水平及垂直位移自動化監(jiān)測的難題，為工程安全監(jiān)測提供了一種自動化監(jiān)測手段，提高了工程安全監(jiān)測的技術水平。