真空激光变形监测系统在小湾双曲拱坝中的应用

彭欣欣，郝　灵，张　鹏，翟　笠（华能澜沧江水电股份有限公司小湾水电厂，云南　大理 675702）

真空激光变形监测系统在小湾双曲拱坝中的应用

彭欣欣，郝灵，张鹏，翟笠
（华能澜沧江水电股份有限公司小湾水电厂，云南大理 675702）

小湾水电站真空激光拱坝三维变形监测系统设计合理，具有精度高，稳定性好，数据采集速度快，智能化程度高等优点，且系统故障率低，土建施工、设备安装质量较好。自动化系统建成后，实现了数据自动采集、在线监测、图表制作、数据库及其管理等功能，为大坝安全监测提供了可靠的数据支持。

双曲拱坝；真空激光变形监测系统；小湾水电站

1　工程概况

小湾电站混凝土双曲拱坝坝顶高程1 245.00 m，建基面开挖高程950.50 m，最大坝高294.5 m，坝顶中心线弧长892.786 m；在大坝1 190、1 150、1 100、1 060、1 010 m高程分别布置了5条检查廊道，用于检查和观测大坝内部情况。

由于小湾双曲拱坝坝高且坝体厚度较薄，在温度及水荷载作用下，坝体的变形量明显较混凝土重力坝大，变形与温度、水位相关性更强，因此，施工、运行期的变形监测尤为重要。传统的拱坝变形监测技术无法实现对各坝段变形量全面自动化监测，通过调研国内外最先进的监测技术，结合小湾拱坝的特点，决定在大坝1 190 m高程廊道布置1条激光三维测量系统，以实现自动测量坝体的三维变形，作为对其他变形监测仪器必要而有益的补充。

国内多个工程的应用实践表明，真空激光变形监测系统具有以下优点：

（1）具有长期可靠性与稳定性。如太平哨水电站坝顶安装的557 m长的真空激光准直系统，每月进行4次水平和垂直位移测量，已无间断运行34年；丰满水电站坝顶安装的999.4 m长的真空激光准直系统已分别积累连续观测数据30年。

（2）观测精度高。真空激光变形监测系统集光技术、通讯技术、信号处理技术、计算机自动控制技术于一身，主要利用激光的高方向性、高精度等特点，通过测量已知基点与待测点间相对位移，计算该测点的绝对位移变形。通过对国内多个工程的历年资料分析，空激光变形监测系统的重复观测精度（用中误差衡量）为0.01～0.10 mm，准确度（包括系统误差在内的综合精度）为0.05～0.35 mm，能监测出年变幅仅约1 mm的大坝变形规律及其异常变化。

（3）数据采集速度快，作业效率高。观测一次的时间，包括管道抽真空的时间，一般不超过30 min，真空系统较长时也很少超过1 h，自动观测每个测点仅需15 s，只要把管道内的真空度抽到工作真空度，随时都可以观测，并能及时将信息反馈及时处理，特别适合在恶劣的自然环境下（如特大洪水、地震等情况）监测大坝的运行情况。

（4）适用范围广。既适用于短坝，也适用于长坝，既适用于位移变幅大的坝顶，也适用于变幅较小的基础廊道。由于观测时激光在管道内传播，几乎不受安装位置、外界温度、湿度等环境影响，加之系统定时真空自动抽测的较高自动化程度，该系统在国内外大坝变形监测中应用十分广泛。

由于激光只能沿直线传播，传统的真空激光变形监测系统在直坝上应用较多，但在拱坝应用较少。拱坝在平面上呈曲线状态，各坝段的测点均位于弧线上，经过研究论证，将拱坝按照一定关系划分成多个坝段，在每个坝段的测点上设置激光发射器和接收器，可以将弧线上测点的位移变化，转变为弦线上测点位移变化，而局部的直线（坝段间）位移的测量，正好发挥激光测量的高亮度、高精度、高方向性的优势，可以一次性将测点三向位移的测值进行自动化采集测量，依此类推，再测量相邻的下一个测点，从而实现每一个坝段的三维位移自动化监测。

2　小湾拱坝真空激光变形监测系统的组成及布置

2.1系统组成

真空激光变形监测系统由激光发射部件、测点部件、激光接收部件、真空管道、真空发生设备、真空度检测设备、激光装置控制箱、数据采集及控制系统等构成。

2.2系统测量原理

激光三维监测方法是将拱坝按照一定的关系在同一水准面上把拱坝分n段，n=0，1，…，i-1，i，i+1，…，n，其中i为自然数。在各个直线段相交处建立XYZ坐标系，以坐标系的圆点作为测点平台，并在每个测点上设置激光发射器和激光接收器，激光发射器用于发射激光束，激光接收器用于接收大坝反应变形量的激光信号，通过各测点安装的相对位置和角度的关系建立相应的数学模型推导出各个坐标系之间的关系，从而得到测点各方向的参数。

拱坝激光三维监测，需在测线两端布置两个双标倒垂孔，孔深需满足大坝安全监测规范的要求。将孔底深层基岩处作为本系统位移的零位移点，在坝顶或廊道该孔位处，建立基础点，并在此基础点（基点）建立XYZ三维空间坐标系，可以通过基点引入装置、垂线坐标仪、双金属管标仪测量出基点XYZ方向的绝对位移ΔX、ΔY、ΔZ及绕XYZ的转角βX、βY、βZ。利用位移传感器、激光电子水泡（测倾角）、激光器和相应的光学系统测量出第二个点相对第一个点的相对位移ΔXi'、ΔYi'、ΔZi'，第二个点相对第一个点的相对转角βXi'、βYi'、βZi'，根据第一个点与第二个点的分布参数（已知），间距Di及两点间的连线的空间角θXi、θY i、θZi，即可建立空间六维方程组，从而求解第二个点的绝对位移ΔXi、ΔYi、ΔZi和绕XYZ的转角βXi、βYi、βZi。依此类推，再测量相邻的下一个测点，从而实现每一个待测点的变形。基点引入装置实现了对基点的绝对变形监测。拱坝激光三维监测原理图如图1所示。

图1　拱坝激光三维监测原理

2.3系统布置及后期改造

（1）在小湾电站混凝土双曲拱坝1 190 m高程检查廊道4～41号坝段靠上游侧布置了一套HT-300型真空激光拱坝三维变形监测系统，以4号坝段和41号坝段为基准，用已有的垂线和新布置的双金属管标作为基准点，每个坝段布置测点监测坝段的三维变形，并在4号和41号坝段观测间布置了两套真空抽测系统。

（2）根据测点实际放线的情况，在每两套测点的夹角大于4的情况下需要增加一套倾角测量仪才能满足测量精度要求，因此实际施工中共增加8套倾角测量仪和2套绕角测量仪。

（3）测量系统原电源由19号坝段观测间380 V电源箱提供，但由于电压不稳、经常断电，后对系统电源接入点进行改造，从坝顶配电室和中控楼配电室分别引电源，形成双电源切换装置，防止系统断电。

2.4运行期监测数据分析

2.4.1径向变形

真空激光三维变形监测径向变形分布如图2所示。从图2可以看出，其变形规律与其他监测手段基本吻合，总体呈两岸向河床坝段向下游变形逐渐增大的“单峰型”特征，左右岸径向变形基本对称；与库水位相关性较好，库水位上升，坝体径向向下游变形，库水位下降则反之。

图2　1 190 m高程真空激光三维变形监测径向变形分布

2.4.2切向变形

真空激光三维变形监测切向变形分布如图3所示。从图3可以看出，其变形规律与其他监测手段总体吻合。随着库水位上升，左岸测点向左岸变形，右岸测点向右岸变形，即呈现向两岸岸坡方向变形趋势。拱坝左右岸各坝段的变形的切向差值在2～4 mm之间，右岸变形略大于左岸变形。

图3　1 190 m高程真空激光三维变形监测切向变形分布

3　结语

小湾水电站真空激光拱坝三维变形监测系统工程设计合理，系统具有精度高，稳定性好，数据采集速度快，智能化程度高等优点，且系统故障率低，土建施工、设备安装质量较好。自动化系统建成后，实现了数据自动采集、在线监测、图表制作、数据库及其管理等功能，为大坝安全监测提供了可靠的数据支持。真空激光变形监测系统在小湾水电站双曲拱坝的成功应用，为在建和拟建的类似工程提供了经验和参考，大大提高了大坝安全监测水平，对确保大坝安全运行和水库效益的发挥具有重要意义。

［1］张琳，易亚星，刘志勤.真空激光准直系统在大坝变形监测中的

（责任编辑焦雪梅）

Application of Vacuum Laser Deformation Monitoring System in Xiaowan Double-curve Arch Dam

PENG Xinxin，HAO Ling，ZHANG Peng，ZHAI Li
（Huaneng Hydro Lancang Xiaowan Hydropower Plant，Dali 675702，Yunnan，China）

The design of vacuum laser system for monitoring the three-dimensional deformation of arch dam in Xiaowan Hydropower Plant is reasonable.The system has high accuracy，good stability，fast data collection，high intelligence and low failure rate.The qualities of civil construction and equipment installation of the system are better.After putting into operation of the system，the functions of automatic data collection，on-line monitoring，chart generation and database management have been achieved，which provide reliable data supporting for dam safety monitoring.

double-curve arch dam；vacuum laser deformation monitoring system；Xiaowan Hydropower Station

TV698.11（274）

B

0559-9342（2015）10-0072-03

2015-07-29

彭欣欣（1988—），男，湖北随州人，助理工程师，主要从事大坝运行维护和安全监测等相关工作.