丰满大坝新坝真空激光变形监测系统土建施工及设备调试研究

李作光

（丰满发电厂，吉林省吉林市 132108）

1 工程概况

丰满大坝新坝以发电为主，兼有防洪、灌溉、城市及工业供水、生态环境保护、水产养殖和旅游等综合利用，供电范围为东北电网，在系统中担负调峰、调频和事故备用等任务。水库正常蓄水位263.50m，汛限水位260.50m，死水位242.00m，校核洪水位268.50m，水库总库容103.77亿m3。

枢纽工程主要由碾压混凝土重力坝、坝身泄洪系统、泄洪兼导流洞、坝后式引水发电系统、原三期电站组成。新建大坝坝轴线位于原丰满大坝坝轴线下游120m。

丰满大坝新坝布设3条真空激光准直系统，总长度约为1334m，共计65个测点。一条位于坝顶，另两条位于基础灌浆廊道，均采用南瑞集团有限公司的真空激光准直自动化监测设备。

坝顶真空激光准直发射端布置在右岸坝肩观测房内，桩号0+1089.00m。接收端布置在左岸坝肩观测房内，桩号0-008.00m。在2～54号坝段每个坝段布设1个测点，共计53个，系统全长为1082m。两岸观测房内设倒垂线和双金属标为激光准直系统提供基准。

基础灌浆廊道布设2条真空激光准直系统，布置在11～19号坝段和29～35号坝段，系统长度分别为143m、109m。每个坝段设1个测点，共计12个，系统两端设倒垂线和双金属标为准直系统提供基准。可同时监测坝顶和坝基各坝段的水平位移（上下游方向）和垂直位移。

本文着重解决激光管道的铺设及测点箱底板安装过程中的地球曲率改正、管道铺设过程中的有效量程的控制调整、真空管道的密封和检漏及设备调试等技术问题。

2 项目实施

2.1 激光系统各测点支墩及其底板的放样与浇筑安装［2～5］

首先用徕卡高精度全站仪对真空管道轴线及测点墩、支墩、发射端支墩、接收端支墩的中心轴线进行放样，并标记相应的记号。用钢尺丈量需建设的各测点墩和支墩之间的距离，使其桩号符合设计要求。然后，根据设计方提供的所有支墩和测点墩的理论高程（各高程计算方法如图1所示），用徕卡DNA03精密数字水准仪对所有支墩、测点墩处的安装面高程（各支墩和测点墩高程要含底板）进行测量，同时，在各支墩、测点墩处用φ10mm的钢筋将所有支墩底板、测点墩底板进行固定。固定时，测点箱底板、发射端底板及接收端底板的中心线应与莱卡全站仪放样的光轴线一致。所有测点墩的桩号及高程误差不得大于5mm，支墩的中心线与高程误差不得大于5mm。

图1 测点混凝土墩示意图Figure 1 Schematic diagram of concrete pier at survey point

所有底板固定完毕后，根据设计的混凝土墩大小做相应的模板，进行混凝土浇筑，24小时内拆模，养护7天后，混凝土墩浇筑完毕。

支墩高程＝光轴线高程－钢管半径－滚柱直径+曲率修正值。对于长距离准直，必须考虑地球曲率对各墩高程要求的影响，分别给予修正，修正值按式（1）计算：

式中D——真空管道起点到测墩的距离；

R——地球半径，取R＝6371.11km。

以位于激光准直系统中间部位的测墩中心线位置为基准，计算距测墩不同距离的各墩高程修正值Δh（曲率修正一般在设计时已经计算在内）。

所有混凝土墩浇筑完毕后，用徕卡DNA03精密数字水准仪对各混凝土支墩高程再进行测量，将测值与理论值进行比较，所得的误差值在滚柱直径中补偿。

测点箱安装后照片如图2所示。

图2 测点箱安装后照片Figure 2 Photo of measuring point box after installation

2.2 各测点有效量程的控制调整

真空管道是圆形，各测点的测量范围也是圆形，受真空管道直径的限制，从接收端至发射端各测点的量程逐渐变小。在调整各测点测量范围前，在接收端成像屏上固定两把带有刻度的直尺，保证水平和垂直交叉固定在帷幕上，保证交点和帷幕圆心重合（见图3）。根据水平向和垂直向光斑的偏离距离按式（2）计算出各测点量程调整距离，调整测点处波带片的上下左右位置（见图4），经过反复调整，使每个测点箱内波带片成像后的光斑都处于接收端成像屏中心位置，光斑周围应该有比较微弱的网状红光为正常，红光应该没有达到满管道射出，形成与管道末端直径相近的圆形红色光盘。

式中Xn——各测点量程调整距离；

D——接收端成像屏上光斑偏离圆心距离；

Vn——发射端到测点的距离；

L——激光轴线总长。

坝基左岸坝段7个测点量程调整距离计算表（见表1）。

表1 坝基左岸坝段测点量程调整距离计算表Table 1 Calculation table of adjustment distance of measuring point in left bank section of Dam Foundation

图3 各测点量程调整照片（接收端）Figure 3 Range adjustment of photo receiver at each measuring point

2.3 真空管道检漏

真空管道、测点箱、波纹管安装好后，分别将真空管道的发射端、接收端密封，进行检漏。检漏分两步，方法如下：

图4 各测点量程调整照片（测点）Figure 4 Adjust the measuring point of the photograph

2.3.1 正压检漏

首先采用正压检漏法对真空管道进行检漏（见图5），将真空泵抽气处密封，将真空碟阀关闭，用空气压缩机往管道内充气，充气压力为0.12MPa。将肥皂水刷到各焊缝及密封连接处，仔细查看是否有气泡冒出，如果有气泡冒出则说明该处有漏点，必须重新处理。处理时，要求用磨光机将漏点磨出再进行补焊。

图5 真空激光管道正压检漏Figure 5 Vacuum laser pipeline positive pressure leak detection

2.3.2 负压检漏

在经过正压检漏后，必须进行负压检漏，负压检漏合格后才能保证真空管道的密封合格。负压检漏时将真空碟阀打开，用真空泵对真空管道进行抽真空。一般情况下，对于长度为300m左右的真空管道，抽气时间为40～50分钟。绝对压强可以抽到15Pa以下。如果抽不上说明管道还有漏点。如果能抽上，还应将真空管道进行保压试验。一般要求真空管道的升压速率不得大于1Pa/h。如果升压速率大于1Pa/h，则应对真空管道重新进行检漏。真空激光管道密封处理如图6所示。如此反复，直到满足要求。

图6 真空激光管道密封处理Figure 6 Vacuum laser pipeline sealing treatment

2.4 发射端光源安装调试 [5]

将激光微调装置的底板按照设计高程和桩号安装于发射端支墩上，要求底板的中心线与放样的桩号一致，底板底面高程与设计高程一致，两者的误差不大于±3mm。用膨胀螺栓将底板固定。发射端光源安装见图7。

图7 发射端光源安装Figure 7 Installation of the emitter side light source

（1）将激光管安装至微调装置的V形块上，用螺钉固定好。打开距发射端最近的一个测点箱，在测点箱内放置一张白纸，使白纸平面与管道轴线垂直。打开激光管电源，点燃激光管，调节激光管的位置，使激光光束照到白纸上，光斑在白纸上的位置应大体在管道中间。调整完好，将固定激光管的螺钉紧固，在紧固时应防止光斑跑偏。

（2）将激光管固定好，在整条激光管道全部安装完后，还要对管道进行抽真空，抽完真空后，在接收端的成像屏上应该出现一个直径与真空管道一样大小的圆斑，圆斑为红色，较亮。

2.5 接收端设备安装[5]

接收端设备主要包括接收端密封段、成像屏、CCD网络摄像机、接收端底板、接收端保护罩等几部分。接收端设备安装见图8。

（1） 将接收端底板按照设计的高程和桩号安装于接收端支墩上，用膨胀螺栓固定牢固。底板的安装误差控制在±5mm范围内。

（2） 将两块成像屏玻璃的毛面相对并固定到屏框里，然后再将成像屏用螺钉固定到接收端底板上，调节成像屏的位置，要求成像屏的中心与接收端平晶的中心基本在同一直线上。

（3） 将CCD网络摄像机固定到接收端底板上。

图8 接收端设备安装Figure 8 Installation of the receiving end equipment

2.6 工控机安装 [1，5]

在工控机上安装真空激光系统测量软件。运行该软件，对系统进行控制功能和测量功能实验。完成各种功能的操作：定时测量，单点测量，多次重复测量等。真空激光系统测量软件界面见图9。

3 总结

通过本项目的实施，能够高质量完成丰满大坝新坝真空激光变形监测点土建施工及设备调试任务，保证了大坝坝顶变形监测数据的可靠性和准确性，掌握大坝的水平位移和垂直位移的变化规律，及时进行监测资料的定性和定量分析。掌握大坝的运行性态，为新坝的安全运行提供强有力的技术支持，同时也为国内外相近工程提供宝贵的经验。

图9 真空激光系统测量软件界面Figure 9 Interface photo of measurement software for vacuum laser system