太平哨电站大坝真空激光系统升级改造探析

郭令娟，沈明波

（国电电力和禹水电开发公司，辽宁 丹东 118200）

1 工程概述

太平哨水电站地处辽宁省丹东市宽甸县东部山区，在浑江干流下游，是浑江干流上的第三座梯级电站。电站于1976年开工，1979年蓄水发电，1980年底水库蓄水至正常高水位。

太平哨水电站由主坝、副坝、引水道、发电厂房等建筑物组成，安装4台单机容量为40.25 MW的水轮发电机组，设计总装机容量为161 MW，年设计平均利用小时数为2670 h，多年平均发电量为4.3亿kW·h，电站接入东北电网，承担系统调峰、调频及事故备用任务。电站按百年一遇洪水设计，千年一遇洪水校核，相应洪水位192.8 m；保坝洪水位196.5 m。调节库容0.19亿m3，为日调节水库。

拦河主坝为直线混凝土重力坝，大坝为II级建筑物，坝顶高程196.0 m，最大坝高44.0 m，坝长555.6 m，坝顶宽8 m。大坝从左岸到右岸共分35个坝段，每个坝段单宽15 m。3～23号坝段为溢流坝段，其余为挡水坝段。溢流坝段共计20个闸孔，每孔单宽12 m，高10.5 m，消能方式为挑流和面流消能。

为保证电站安全运行，电站设计时在各建筑物布置了系统的安全监测仪器，其中主坝布置了当时国内首次应用的真空激光准直观测系统。

2 真空激光准直观测系统概况

主坝布设有两条真空激光准直观测系统（以下简称真空激光系统）。系统主要由点光源、真空管道、测点设备、接收端激光探测器、真空探测设备、测控设备等部分组成。坝顶真空激光系统中心线布置在195.60 m高程、坝轴线下游6.88 m、全长560 m，33个测点，端点设在两岸激光室内，分别以锚固于基岩深处的倒垂线和双标做基点，可以同时测量坝顶水平和垂直位移，该系统于1981年9月投入使用。

176 m高程廊道真空激光系统中心线布置在坝轴线下游3.1 m处，测点高程177.4 m，全长424.24 m。自3～29号坝段每坝段1个测点，共27个测点。端点设在2号和30号坝段，分别以倒垂线和双标做基点，可以同时测量坝体176 m高程处水平位移和垂直位移，该系统于2005年3月开始试运行。

真空激光观测系统各项技术指标见表1。

3 真空激光观测系统的发展历程

3.1 我国第一条真空激光观测系统

为了促进我国的大坝外部变形观测技术逐步向高精度、遥测自动化方向发展，在原水电部科技司的支持下，1977年初太平哨大坝变形观测设计方案中，增加了一套真空激光测坝变形系统，作为实验性生产应用装置和科研项目，列入了水电部科研计划中。因当时太平哨大坝正在建设之中，1978—1979年间，在丰满电站和杭州大学分别进行理论与试验性观测，后开始在太平哨大坝安装调试。安装时挡水坝段真空激光管道设在下游侧电缆沟里，溢流坝段真空激光管道布置在T型梁下，距坝顶下游边缘1.15 m，全长约560 m，在1，4，6，10，14，17，20，22，25，27，29，31，33 号坝段，各布置一个测点，共计13个测点，管道组成测点支墩采用混凝土浇筑，测点箱采用15 mm厚的铁板焊接而成，测点箱的尺寸为36 cm×34 cm×32 cm。可同时观测水平位移和垂直位移。1981年3月建成了我国第一套真空激光观测坝体变形系统，并开始了测试工作，同年9月配套装置和土建工程全面完工，并结束了试验观测。10月整套装置正式投入使用。系统投入使用后，整体运行稳定，测量数据可靠、精度高。随着科技的不断发展和观测技术的不断进步，先后对该系统进行了多次升级改造。

表1 太平哨电站真空激光系统技术指标表

3.2 真空激光观测系统升级改造

系统建成后经历多次升级改造，改动较大的有以下几次。

激光观测系统投入使用后运行稳定，但是接收装置比较简陋，采用人工肉眼观测，对作业人员视力有影响，为了该系统进一步完善，并保持先进性。于1987年12月，更换人工测量坐标仪；1988年又针对真空激光系统研制成功了微机控制基准点（倒垂、双标）自动观测仪器，并进行了激光自动探测仪的改造。投入使用后，提高激光系统的先进程度和完善程度，为下一步实现整个大坝安全监测系统的自动化奠定了良好的基础。

为了进一步发挥激光观测系统的功能优势，更全面的反应大坝运行情况，实现自动化观测。1999年开始对原系统进行完善和升级工作。在原有13个测点的基础上增加了20个测点，实现1号坝段至33号坝段每坝段设置一个测点，测点编号与坝段号对应。在此基础上对激光管和电源进行了更换、对真空泵进行重新布置、增加了两个激光测控装置、摄像装置，定位坐标装置、激光和测点控制台、自动真空抽测装置、真空泵冷却水循环控制装置，同时增加了双金属标和倒垂线自动观测装置等，实现了观测系统的自动化操作。改造后人工观测，33个测点观测只需25～30 min；计算机自动观测每个测点需3 min左右，8次测值再取平均值。每一个测点读水平、垂直位移中误差均小于0.25 mm，保持了太平哨真空激光准直测坝变形系统一贯的高精度。实现了自动观测数据自动存储，但是设计中的远程控制通讯系统，由于当时网络的限制没能得到应用。

3.3 主坝第二条真空激光准直观测系统

2004年4月，176m高程廊道内的引张线运行多年，由于设备老化，测点与坝体脱离，钢丝触碰保护管壁等原因，已经不能准确反映坝体实际变化情况，经批准拆除引张线观测系统，改造成真空激光准直系统，新系统全长429 m，自3～29号坝段，每坝段设1个测点，共27个测点，并将管道与坝顶激光管道连接，共用坝顶激光准直系统的真空泵。此时主坝拥有两条真空激光准直观测管道。176 m高程真空激光准直观测系统，新增加的观测系统能通过坝顶激光室内的工控机实现自动观测。系统投入使用后运行稳定，数据连续。

3.4 两套激光系统升级改造

到2009年激光系统运行近30年，与当今的激光测坝技术系统相比，太平哨大坝激光监测系统已经由当初的全国先进测坝系统，变为技术相对落后的系统。同时，由于系统长期运行，部分电气设备已出现老化问题，影响系统的稳定性，造成个别时段的缺测。鉴于上述问题2009年3月开始对两套激光观测系统进行了大修，将系统升级为中水东北勘测设计研究有限责任公司生产的最新DB3200型真空激光准直测坝变形系统。主要改造包括：

真空管路和抽真空系统改造：对整个真空激光管道、测点及真空泵进行了大修，进行了冷却循环水路改造，真空控制柜采用带有PLC控制器的新一代替换原有的抽真空控制箱。

接收端及测控部分：两套激光系统接收端采用314万像素的USB摄像机，和带有高精度网格具有校准、定位功能的激光接收幕，将176 m高程廊道激光摄像机USB信号线，通过新铺设的单模光缆延长至坝顶接收端。更换测点控制模块，坝上测控总线与176 m高程廊道激光等测控总线实现了并接，在并接处增设了RS-485集线器，实现了老系统、新系统在统一的新工控机下工作。

发射端部分：为更换调整激光管时方便，在发射端增设光斑监视器。在监视器上可以观察到接收幕上的图像，根据图像调整激光管，非常方便，一个人可独立快速完成。更换了点光源小孔，使新型带外壳及保护电路的激光管可以在系统中使用。

远程控制部分：利用原有光缆将接收端与坝上观测室建立了连接，实现了局域网内的远程控制。采集软件具有远程控制功能，观测数据可提交到数据管理服务器的SQL数据库内，在局域网内任何位置（比如在宽甸）都可进行采集操作及数据管理。

端点改正部分：新更换的垂线仪为CCD式，双标仪为光电步进电机式，均带有现场显示功能。

其它部分：更换了两端进户配电盘，消除了不安全隐患，并在观测电源中增加了B+C级防雷模块。

此次改造后，激光系统处在国内领先水平，改造后大气状态抽气至30 Pa需30 min，缩短到了抽气时间。系统的抗雷击性能增强，自动测量数据精度更高、规律性更好，软件操作简单，并且两套系统经整合后，可以进行远程观测，大大降低了劳动强度，解放了人力，提高了经济效益。

4 激光系统测量成果

通过太平哨坝顶激光系统三十余年连续稳定的观测，数据显示各测点具有一致的变化规律，坝体水平位移以年为周期，在每年2月份位移向下游达到最大值，8月份向上游达到最小值，坝体水平位移溢流坝段变幅5.89～10.33 mm、挡水坝段变幅0.67～7.05 mm；垂直位移各测点也具有一致的变化规律，随气温呈周期性变化。每年1月底到2月初位移向下沉降达到最大值，7月底到8月初向上抬起达到最小值，溢流坝段变幅4.5～7.51 mm，挡水坝段变幅3.23～6.89 mm；所有坝段水平位移与垂直位移都存在时效变形，但量值极小。

5 总结

太平哨主坝真空激光准直观测系统在我国大坝原型监测史上具有重要意义，真空激光准直观测系统也已经稳定运行30年了，经过多次升级改造，随着计算机技术的发展和硬件设备的完善，目前采用的中水东北勘测设计研究有限责任公司生产的DB3200型系统，可以实现人工观测、自动化观测、自动定时观测、远程遥控观测等多项功能，两条激光系统自动测量全程仅需36 min，达到国内领先水平。测量数据经多年与视准线法水平位移测量、精密水准沉陷测量相比较，变化规律一致，但激光系统测量数据精度更高，过程线更加平滑。激光系统解决了大坝变形监测项目观测工作劳动强度大、工时长、数据连续性与实时性较差等问题，具有观测精度高、数据采集速度快、可全天候观测、作业效率高、观测人员要求低、设备维护量少等诸多优点，为保证大坝安全运行和科研提供了宝贵的长期可靠数据。