观音阁水库应用真空激光准直监测坝基位移

马广明，张亚迅，胡 鑫

（1.辽宁省观音阁水库管理局，辽宁本溪 117110；2.南水北调中线干线工程建设管理局河北直管项目建设管理部，河北 石家庄 050035）

1 工程概况

观音阁水库位于太子河干流上，距本溪市40 km，控制流域面积2795 km2，总库容21.68亿m3，是以城市供水和防洪为主，兼顾灌溉、发电和养鱼的大（Ⅰ）型水利枢纽工程。拦河坝为碾压混凝土重力坝，坝长1040 m，最大坝高82 m，总装机2.075万kW。工程1990年5月开工，1995年9月主体工程竣工。水库大坝安全监测系统1990年开始建设，选用了当时较为先进的集中式数据采集系统。1996年6月监测工程完成，历时6年。由于监测系统从设计、研制、生产、再到安装和投入运行的时间跨度较大，加上系统结构复杂，可靠性差，及设备老化、监测环境恶劣等诸多因素，至2003年5月，系统全部停止了自动化监测，仅外观变形和渗流项目维持人工监测。为了提高工程管理水平，提高监测精度，确保大坝安全，观音阁水库于2008—2010年实施了大坝安全监测系统改造工程。其中底层廊道位移监测设备，由中水东北勘测设计研究有限责任公司生产的XMT60X型真空激光准直系统，代替了原来的电容式单向引张线仪。

2 改造前底层廊道观测情况

观音阁水库底层廊道，指5～42号坝段的灌浆廊道，底板高程190.0 m，廊道为城门洞型，断面尺寸 3（4）×3.5 m（宽×高），总长 608 m。廊道内环境潮湿，每年3—12月份湿度接近70%，7—9月汛期时更甚，洞壁及顶拱间有溶蚀物垂挂和水珠滴渗，温度常年小于10℃。1组（3条）引张线在距廊道上游壁30 cm处布设，总长度587.5 m，线体为d1.0 mm不锈钢丝，保护管为D1l0 mm PVC管，34个测点上安装了RY—20型单向引张线仪设备。水平位移以布设于5号、15号、28号、42号坝段的倒垂线为基准，自动观测。另在每个测点墩顶面布设钢标点，人工进行垂直位移观测。引张线系统2000年初彻底瘫痪，停止自动化数据的采集。

3 选择真空激光准直系统的理由

DL/T5178-2003《混凝土坝安全监测技术规范》之7.2.1推荐：“重力坝坝体和坝基位移宜采用引张线法、真空激光准直法和垂线法监测”，基于观音阁水库大坝安全监测系统改造工程的目的和客观条件，经过分析认为：

1）大坝的变化是属于毫米级，理想的观测方法应该满足及时、迅速、准确和长期稳定的要求。引张线和静力水准观测能够满足上述要求，但监测大坝变形时受外界干扰较大，且不能同时观测水平位移和垂直位移，难以实现完全自动化。此外，引张线需要定期检查线体及补充浮液，静力水准需要定期补充工作液，“自动化”程度受限制，运行使用时维护工作量大。

2）真空激光准直系统的各个测点，设备均布设在真空管道内，不受外界温度、湿度等环境条件的影响，观测精度大为提高。相对精度达10-7，可同时测得大坝的水平位移和垂直位移，从本质上减少了观测人员的日常观测工作量。真空激光准直可进行3D测量，能在恶劣环境下工作，满足了大坝变形监测及时、迅速、准确的要求。

3）不可否认，底层廊道的不良环境，可能影响真空激光准直这一精密设备的运行，但专家多方论证和认真分析后得出结论：“封闭在真空环境中激光设备本身就是一个干燥装置，适合于潮湿环境”，况且真空激光准直已在北方的丰满、太平哨、白石等多个工程上被证明应用效果良好，技术成熟。

4 监测系统

观音阁水库坝基真空激光准直系统按着所在部位，分成三个部分：现场设备（底层廊道）、采集工作站（电场二楼分控中心）、远程计算机（管理局监控中心），系统水平位移的监测和校核基准，利用5号和42号坝段原有的1号、4号倒垂线，另在5号 和42号坝段（即发射端和接收端）新建双金属标，作为垂直位移的监测和校核基准，其钢、铝管深入基岩30 m。真空测控装置位于密封的17号坝段的灌浆机室内，安装2台真空泵。

5 系统工作过程

作为“观音阁水库大坝安全监测分析评价系统（简称评价系统）”的子系统，真空激光准直相对独立，其现场采集的原始数据不直接向“评价系统”提供，现场的测控装置不存储激光数据。真空激光准直系统工作过程分为两部分：

1）以系统安装时的1号、4号倒垂线测值为初值读数，计算出本次水平位移的相对值，再从“评价系统”中提取已约定的某一时刻的1号、4号倒垂线成果，进行水平位移数值改正，得出绝对水平位移值。

2）以系统安装时的双金属标初值读数（该值由马平沟水准基点引测而来）为基准，计算出此次垂直位移相对值，读取此次的双金属标数据，进行垂直位移数值改正，得出绝对垂直位移值。

水平、垂直位移成果计算完毕，系统自动进行数据保存，同时向“评价系统”提交成果数据。

6 真空激光准直系统监测成果

真空激光测值规定：水平位移X向（上下游）下游为正，垂直位移Z下沉为正。

通过对监测数据进行分析表明：底层廊道各坝段的水平位移变形较稳定，随着库水位的涨落各坝段无较大变化。垂直位移变形较稳定，测点JLJG06～JLJG27垂直位移变化不明显，随着库水位的涨落各坝段无较大变化；测点JLJG28～JLJG42垂直位移随着库水位的变化，各测点监测数据有一定的变化，但数据均在0附近浮动，未见突变异常情况。

7 采集工作站

原设计采集工作站设在现场，以达到数据采集迅捷、无损的目的，丰满、太平哨、白石水库等工程即为如此。但考虑运行方便，最大限度的减少潮湿环境对工作站的影响和减少观测人员的工作量，最终将工作站由现场移至电厂二楼的分控室内，工作站与接收端通过USB2.0光纤延长器连接，线路长度接近1000 m。由于光纤远程传输具有传输距离远、抗电磁干扰等特点，外移工作站完全满足了系统数据采集和传输的工作要求，此一项堪称改造工程的创新点之。

8 结语

观音阁水库大坝真空激光准直系统在试运行考核期内，数据缺失率、设备平均无故障时间、人工观测数据对比三项考核指标，完全满足SL268-2001《大坝安全自动监测系统设备基本技术条件》的规定。数据采集及时、迅速、准确和长期稳定，过程线直观、形象，日常维护量少，设备操作简单等诸多优点，令观测人员倍觉工作轻松、快乐。总而言之，观音阁水库大坝采用真空激光准直监测坝基位移，再一次验证了该项技术的成熟、可靠，值得大力推广、应用。