真空激光准直系统在金安桥水电站变形监测的应用

汤 祥,陈俊智,段会文

(1.昆明理工大学国土资源工程学院,云南昆明 650093; 2.中国水电顾问集团昆明勘察设计研究院,云南昆明 650051)

真空激光准直系统在金安桥水电站变形监测的应用

汤 祥1,陈俊智1,段会文2

(1.昆明理工大学国土资源工程学院,云南昆明 650093; 2.中国水电顾问集团昆明勘察设计研究院,云南昆明 650051)

真空激光准直系统是我国自行研制的具有高精度且能同时观测水平位移和垂直位移的监测仪器。研究重点介绍了金安桥水电站大坝真空激光准直系统的系统组成和系统工作原理。在大坝坝顶左岸、坝顶右岸及廊道布置真空激光准直系统,通过对这些测点的位移数据收集,及时准确地反应了大坝位移的情况,能够实现对大坝坝顶左岸、坝顶右岸及廊道的监测,取得了良好的效果。作为新兴的监测手段,激光系统设备在监测中发挥了其时效性强、监测变量多、精度较高等特点,能够很好地实现大坝水平和垂直位移同步自动监测,具有很高的实用价值。

金安桥水电站;真空激光准直系统;变形监测;应用

大坝安全监测是通过仪器观测和巡视检查对大坝坝体、坝肩、近坝区岸坡及坝体周围环境所作的测量及观察。大坝安全监测可以及时获取第一手资料来了解坝的工作动态,为评价大坝状况和发现异常迹象提供依据,从而可以制定适当的水库控制运用计划及大坝的维护修理措施来保障大坝安全,在发生险情时还可发布警报减免事故损失。因此大坝安全监测是保证大坝安全的重要措施[1]。

真空激光准直法既能监测水平位移又可监测垂直位移,且具有封闭性良好和不受外界干扰、精度高、稳定性好等优点,使得真空激光准直法成为了最适合开发成全自动、高精度大坝变形测量系统的方法[]。

金沙江金安桥水电站工程位于云南省丽江市境内的金沙江中游河段上,是金沙江中游河段规划的第五级电站。其坝段河道平直,流向自北向南,河谷为“V”型峡谷。枯期水位1 294 m,水面宽约80～100 m。右岸1 325～1 375 m高程有宽约100～170 m,长约550～600 m的较平缓的台地,坡度约11°,1 375～1 600 m以上山坡坡度约为40°, 1 600 m高程以上为高达180 m的陡崖;左岸地形受凝岩夹层的影响,地貌上呈台阶状。两岸地形陡峻,坝段内山体较完整。金安桥大坝由于坝高,库水推力大,坝基地质条件复杂,结合地质的变化、枯水季节和汛期的水位涨落、温度等因素的变化均有可能发生坝体下沉,坝体位移和倾斜。所有这些变化达到一定程度就会给坝体带来危险,所以必须对坝体位移、坝体沉降等参量进行实时监测[3]。

1 水电站真空激光准直系统

1.1 系统组成

该系统主要由LN2081激光发射端、LN2082波带板自动起落架、LN2087波带片、LN2086双向CCD光斑测量坐标仪、LN配电箱、LN激光准直测控软件等组成。真空激光系统还有真空泵、真空管道、波纹管、测点箱、平晶密封段等设备。激光准直系统布置平面图见图1。

真空激光准直系统是由发射端、真空管道、平晶密封段、真空测点箱、真空泵、电磁阀、波带板起落架、接收端、端点校核设备等组成。

图1 激光准直系统布置平面Fig.1 Laser alignment system layout plan

1.2 测量原理

真空激光准直系统采用He—Ne激光器发出一束激光,穿过与大坝待测部位固结在一起的波带板,在接收端的成像屏上形成一个衍射光斑。利用CCD坐标仪测出光斑在成像屏上的位移变化,即求得大坝待测部位相对于激光轴线的位移变化。激光传输空间介质折射率的变化会直接影响到激光准直精度,对于气体来说,其折射率变化与气体的压强、温度以及温度梯度和压强梯度有关。

在通常情况下大气温度梯度的影响是其折射率梯度存在的主要因素,而压强梯度项的影响可以不考虑。从温度梯度项分析,只要减低压强P,就会减弱温度梯度对大气折射率变化的影响。

2 监测分析

为了及时了解大坝的运行性态和发展趋势,及时发现隐患,提高大坝安全运行和管理水平,采用了现代科学新技术,有计划、有步骤地对监测设施进行自动化更新。全自动真空激光大坝变形监测系统利用基点逐步传递技术,加上高精度双金属管标仪、CCD测量仪,逐步实现了大坝的自动化监测。

变形监测是对坝体整体变位的宏观规律进行监控,是了解大坝工作性态的最重要也是最直接的监测项目。变形监测的主要内容包括坝体和坝基的水平位移、垂直位移、倾斜、接缝和裂缝等。

2.1 监测方案

如图3A所示，5 ℃贮藏商品鳞茎的IAA含量变化先上升后下降然后再上升的规律：120th d时上升到一个较高点，30th d时下降，至60th d时达到最高点。此外，外层鳞叶IAA的含量在贮藏20 d以后的各个时期均比内层鳞叶的含量稍高。而25 ℃贮藏商品鳞茎的IAA含量整个储藏期间持续缓慢上升但60th d时，均低于5 ℃贮藏条件下。如图3B所示，试管鳞茎的IAA含量变化和商品鳞茎类似。

监测实施的真空激光监测系统为:在坝顶EL.1 424 m、EL.1 359 m高程廊道内布置全自动真空激光大坝变形监测系统,在左右岸帷幕灌浆平洞布置双金属管标仪。监测通过对金安桥水电站的坝顶左岸、坝顶右岸以及廊道进行自动化监控,各布置方案如下:

(1)左岸坝顶EL.1 424 m引张线沟内布置了一条激光准直系统,共由13个测点组成,各测点位置分布在各个坝段(坝顶0～13号坝段),激光管道总长435.2 m,编号分别为LA-01-01(J1)～LA-01-13 (J13)。

(2)右岸坝顶EL.1 424 m引张线沟内布置了一条激光准直系统,共由9个测点组成,各测点位置分布在各个坝段(坝顶13～21号坝段),激光管道总长257.8 m,编号分别为LA-02-01(J1)～LA-02-09 (J09)。

(3)EL.1 359 m廊道内布置了一条激光准直系统,共由8个测点组成,各测点位置分布在各个坝段(坝顶8～17号坝段),激光管道总长284.5 m,编号分别为LA-03-01(J1)～LA-03-08(J08)。

2.2 监测结果分析

(1)左岸真空激光准直系统监测 坝顶左岸真空激光准直系统位移过程曲线如图2所示。

左岸真空激光准直系统于2011年9月6日取得初始值,于2011年9月13日取得基准值,基准值的选取符合规范和相关技术要求。近期监测成果表明左岸真空激光准直系统顺河向位移在－0.02～7.35 mm之间,沉降位移在1.25～3.01 mm之间。

(3)EL.1 359 m廊道真空激光准直系统监测EL.1 359 m廊道真空激光准直系统过程曲线及分布如图5所示。EL.1 359 m廊道真空激光准直系统位移分布如图6所示。EL.1 359 m廊道激光准直系统各个坝点的观测位移数据见表2。EL.1 359 m廊道真空激光准直系统于2011年7月3日取得初始值,于2011年7月10日取得基准值,基准值的选取符合规范和相关技术要求。相比情况下,El.1 359 m廊道激光数据较连续,结合坝体垂线及水准点、双金属标,通过图5及表2的监测成果可以看出:顺河向位移在1.12～3.49 mm之间,沉降位移在0.02～0.04 mm之间。

图2 坝顶左岸真空激光准直系统位移过程曲线Fig.2 The curve of vacuum laser alignment system displacement process on left bank of the dam top

图3 坝顶右岸真空激光准直系统位移过程曲线Fig.3 The curve of vacuum laser alignment system displacement process on right bank of the dam

图4 坝顶右岸激光准直系统位移分布Fig.4 Displacement distribution diagram of laser alignment system on right bank of the dam top

表1 坝顶右岸激光准直系统各个坝点的观测位移数据Table 1 Displacement size of every laser alignment system monitoring point on right bank of the dam top

图5 EL.1 359 m廊道真空激光准直系统过程曲线及分布Fig.5 EL.1 359 m gallery laser alignment system process curve and distribution

图6 EL.1 359 m廊道真空激光准直系统位移分布Fig.6 EL.1 359 m gallery laser alignment system displacement distribution diagram

表2 EL.1359m廊道激光准直系统各个坝点的观测位移数据Table 2 EL.1359m corridor laser collimation system point of each dam observation displacement size

从近期监测数据连续后的监测成果分析及坝顶真空激光整体分布图来看:大坝顺河向方向整体向下游位移,最大发生在厂房坝段(9号坝段) 13.23 mm,相比坝顶表面变形监测点顺河向位移小4.26 mm,其中2号坝段向上游变形,但位移量较小,结合监测仪器误差分析,该点可以忽略不计。坝体沉降左岸0～7号坝段总体呈上抬趋势,8～20号坝段下沉,与坝顶水准点变化相符,符合重力坝蓄水后的一般规律。

3 结论

(1)坝体顺河向下游变形,沉降位移主要下沉,符合重力坝的一般变化,后期需要加强监测仪器的日常维护,确保监测数据的连续性。作为新兴的监测手段,激光系统设备在监测中发挥了其时效性强、监测变量多的优点。但是应重视其系统的稳定性,勤于保养维护,保证其处于良好的工作状态,特别注意坝顶引张线沟内积水的现象,为后期的大坝安全鉴定和大坝注册提供更好的监测成果。

(2)大坝变形监测自动化系统的部分功能还有待完善,自动化监测设备应加强检修维护与设备投入,确保系统可靠稳定运行。少数自动化监测设备的稳定性和精度还有待提高,这是今后应该继续努力的方向。

(3)在今后的观测设计中,有必要将设计内容分为施工期、蓄水期及运行期三个部分进行,并作为一个整体考虑,这样可使观测设计的目的更加明确,也更切合实际。另外,观测设计应该随着时间的推移及实践情况的变化,逐步进行修正和完善并逐步开展自动化观测。

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The Application of Vacuum Laser Alignment System in Deformation Monitoring of Jin'an Bridge Hydropower Station

Tang Xiang1,Chen Junzhi1,Duan Huiwen2
(1.Faculty of Land Resource Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming650093,China; 2.Kunming Design and Research Institude for Hydroelectric Projects,Kunming650051,China)

Vacuum laser alignment System researched by our country ourselves is a monitoring instrument which has high precision and can observe horizontal displacement and vertical displacement.In this text,we introduce the composition and work principle of Jin'an bridge hydropower station vacuum laser alignment system.The vacuum laser alignment system is laid out on the left bank and right bank of the dam and in gallery,and we can understand the displacement of the dam precisely and on time,monitor the left and right bank of the dam and gallery by collecting data from these points.We have achieved good results.As a new monitoring means,the laser system play the effect of strong timeliness,more monitoring variables and high precision,so that it can automatically monitor horizontal and vertical displacement very well,having high practical value.

Jin'an bridge hydraulic station;Vacuum laser alignment system;Deformation monitoring; Application

TN247

:A

:1004-0366(2016)05-0094-06

2015-06-15;

:2015-08-20.

汤祥(1990-),女,河南义马人,硕士研究生,研究方向为岩石力学.E-mail:986853747＠qq.com.

Tang Xiang,Chen Junzhi,Duan Huiwen.The Application of Vacuum Laser Alignment System in Deformation Monitoring of Jin'an Bridge Hydropower Station[J].Journal of Gansu Sciences,2016,28(5):94-99.[汤祥,陈俊智,段会文.真空激光准直系统在金安桥水电站变形监测的应用[J].甘肃科学学报,2016,28(5):94-99.]

10.16468/j.cnkii.ssn1004-0366.2016.05.022.