参窝水库大坝位移监测设计.docx

参窝水库大坝位移监测设计 图 1 1、概况 参窝水库位于辽宁省辽阳市东约 40km 处的太子河干流 上，是一座以防洪、灌溉、工业供水为主，并结合工农业 供水进行发电的大型水利枢纽工程，总库容 7.91 亿 m3。大 坝为混凝土重力坝，坝顶宽 6m，最大坝高 50.3m，坝顶高 程 103.5m。大坝全长 532m，共分为 31 个坝段，其中溢流 坝段 15 个，长 274.2m，电站坝段 3 个，长 40.5m，两岸挡 水坝段 13 个，长 217.3m。 参窝水库大坝水平位移监测采用人工方式视准线小角 度法测量，垂直位移采用人工方式精密水准法测量，不仅 费时费力、劳动强度大，而且由于水平位移视准线长度超 过规范要求，使观测精度降低，严重违背实时、连续、准 确等观测优点，故拟对大坝位移监测进行自动化改造。 2、监测方式的选择 目前国内对大坝位移进行自动化监测的方法主要有引 张线、大气激光准直、真空激光准直等几种。 引张线在国内发展较早，技术也比较成熟，其设备简 单、直观，一次性投资较少，在国内大坝安全监测中应用 较广，也较有成效。但其受环境因素影响大，尤其是潮湿 的空气、气温变化、风的吹动，对测值都有较大的影响， 而且一旦引张线系统自动化遥测传感器发生故障，只能更 换传感器，测值不能连续。 大气激光准直观测方式发展较早，但进展比较缓慢。 由于旁折光对测值精度影响较大，不易达到变形监测最低 精度要求，使大气激光准直的发展受到限制，一般只适用 于中小工程。参窝水库在 80 年代初期也曾进行大气激光准 直观测改造，大坝两头的激光洞已经开挖完成，但由于当 时的技术条件还不成熟被迫下马。 真空激光应用到大坝位移监测中始创于上世纪 80 年代， 但初期由于数据采集、波带板控制等方面的技术还不成熟， 使这项技术在初期发展较为缓慢。近几年随着 CCD 成像自 动采集技术、波带板控制等新科技逐渐应用于大坝真空激 光监测，使它的系统性、可操作性、准确性、稳定性都有 大大加强。 综合分析，我们拟采用真空激光准直法对大坝位移监 测进行改造。 3、真空激光系统原理 真空激光系统是将波带板激光准直和一套适应大坝变 形特点的软连接与真空管道结合起来，使激光束在真空中 传输，利用激光束作为基准线，通过量测激光束经测点波 带板在接收屏上所成的像的位置变化而得到两个方向的变 形。 3.1 波带板激光准直原理 波带板是一种光栅，也称为聂菲耳透镜，当它被激光 点光源发出的一束可见的单色相干光照射时，相当于一块 聚焦透镜，在光源和波带板中心延长线上的一定距离处， 形成一个中心特别明亮的衍射图像圆形光点。 在实际应用中，可以在大坝两端稳定处固定点光源 A、 激光像点探测仪 C，在要观测位移的各坝段测点上，设置相 应的波带板 B，如图 1。 当测点位移了一段距离，在探测仪处的像点也位移了 一段距离，用下列公式即可计算出测点的位移。 = 用式计算的位移，是测点相对于两端点的位移。真空 激光系统的两端点布置在两岸山体的洞内，端点位移可以 忽略不计。 3.2 大气扰动原理 波带板激光准直的精度，主要受大气扰动的影响。这 种影响可分为两部分：一是气体中存在折身率梯度，引起 光束偏折，使像点位移，即折光差，属于系统误差；二是 折身率梯度的瞬间变化大气湍流引起的光束漂移，即 像点的跳动和闪烁，属于随机误差。 各种光学准直法的折光差近似公式如下 =0.390UVt10-6 式中：测点偏离值中含有的折光差 P气体压强 T绝对温度 t温度梯度 测值中含有的折光差和测点到两端点的距离乘积成正 比，准直线中间测点折光差最大；折光差还和温度梯度成 正比，和气体压强成正比。通过设置真空管道，使激光束 在真空中传输，由于气体压强大大减小，折光差也大大减 小。 4、系统总体布置 真空激光系统用于监测大坝水平位移和垂直位移，由 发射端、接收端、真空管道、测点箱、抽真空系统、人工 观测装置、上位机管理系统组成，见图 2。 4.1 发射端和接收端 参窝水库在 80 年代初期也曾进行大气激光准直观测改 造，后虽然没有改造完成，但大坝两头的激光洞已经开挖 完成，因此，此次设计就利用原有的激光洞。激光洞位于 大坝两头的山体内，各深入近 20m，可视为不动点，以这样 的点作为激光系统的工作基点，可以不用设置端点改正设 备。考虑方便平时测量，将右岸激光洞作为发射端，将左 岸激光洞作为接收端。发射端布置激光点光源；接收端布 置测控系统、抽真空装置和人工观测装置。发射端和接收 端的端点设备充分考虑防水、防潮和防雷击，采用全密封 设计。 4.2 通讯方式 测点控制采用 RS-485 总线通讯方式，减少了管道内电 缆的芯数，简化了电缆进出管道的设计与加工。测控电缆 布置在真空管道内，提高了电缆的抗老化能力，延长了电 缆的使用寿命。 上位机与现场测控微机之间采用光纤和微波连接，系 统的全部自动观测操作可在上位机和 35km 外的水库辽阳基 地授权微机上操作执行。 4.3 测控方式 在测控方式上，系统要求有灵活多样的选择。测量前 管道中要达到一定的真空度，系统可以启用真空度保持。 系统可以进行全部测点的巡测，也可以进行单点测量，还 可以进行定时测量；可以自动巡测，也可以进行人工测量； 可以进行单点长时段测量数据查询或绘制过程线，也可以 进行多点测量数据查询或绘制过程线。 4.4 真空管道管径的选择 根据规范，真空管道的内径应大于波带板最大通光孔 径的 1.5 倍，或大于测点最大位移量引起象点位移量的 1.5 倍，但不宜小于 150mm。综合参窝水库多年人工观测成果， 保证有足够的冗余度和可靠性，选择真空管道管径为 219mm。 4.5 真空管道安装位置的确定 真空管道放置于交通桥和门机梁翼缘的下方，轴线高 程为 103.27，水平桩号为 0+4.94，在过溢流坝段时采用吊 环固定，这样即监测了大坝坝顶的位移，满足了激光系统 的安装需要，又使大坝坝面整洁美观，对原结构的破坏最 小，不影响坝上其它设备的运行维护。 4.6 测点布置 在 4#31#坝段，每个坝段布置一个测点，共 28 个测点， 测点布置于测点箱内，测点箱与坝体紧密结合，能够实时 反映大坝位移。测点箱内布置波带板及其控制马达。 5、结语 参窝