徐巖彬，李俊富，彭立斌，李克綿，姜盛吉

（中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130021）

1 概述

哈達(dá)山水利樞紐工程是吉林省增產(chǎn)百億斤商品糧能力建設(shè)總體規(guī)劃項(xiàng)目中的骨干工程，也是國(guó)家“十一五”期間重點(diǎn)水利樞紐工程，位于第二松花江干流下游，壩址在吉林省松原市東南約20 km處，下距二松與嫩江匯合口60 km。樞紐工程集水面積 71 783 km2，總庫(kù)容 6.04×108m3，灌溉面積19萬(wàn)hm2，是一座以灌溉和供水為主，兼顧生態(tài)環(huán)境保護(hù)供水、發(fā)電等綜合利用的大（Ⅰ）型水利樞紐工程，壩區(qū)樞紐工程由擋水土壩、溢流壩、河床式電站、重力壩組成。量均較大，觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性及觀測(cè)精度均受氣候因素的影響。

3）垂線法雖然觀測(cè)精度滿足要求但工程投資大，同時(shí)為了觀測(cè)垂直位移必需配套靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)，導(dǎo)致工程投資進(jìn)一步提高。

綜上所述，設(shè)計(jì)采用真空激光準(zhǔn)直測(cè)壩變形系統(tǒng)作為哈達(dá)山水利樞紐的大壩外部變形觀測(cè)首選方法。

2.2方法的可行性

2 大壩變形監(jiān)測(cè)方法

2.1方法的選擇

在過(guò)去的幾十年里，國(guó)內(nèi)外大壩變形觀測(cè)技術(shù)經(jīng)歷了經(jīng)緯儀測(cè)量、精密水準(zhǔn)儀測(cè)量、視準(zhǔn)線法、引張線法、激光照準(zhǔn)法及波帶板激光衍射準(zhǔn)直法等（激光照準(zhǔn)法與波帶板激光衍射準(zhǔn)直法統(tǒng)稱為大氣激光法）。設(shè)計(jì)在選擇哈達(dá)山水利樞紐工程的大壩變形監(jiān)測(cè)方法時(shí)主要考慮了以下幾個(gè)因素：

1）哈達(dá)山水利樞紐工程為平原水庫(kù)，地質(zhì)條件差，常規(guī)大地測(cè)量方法中變形工作基點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)位置的確定比較困難。

2）哈達(dá)山水利樞紐工程最大壩高約為18 m，變形量小，要求觀測(cè)精度高。視準(zhǔn)線法、引張線法、大地測(cè)量方法均無(wú)法滿足規(guī)范的精度要求。同時(shí)這些方法的工程投資及后期的管理與維護(hù)的工作

真空激光準(zhǔn)直測(cè)壩變形系統(tǒng)是波帶板真空激光準(zhǔn)直和一套真空管道合理結(jié)合的變形觀測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)的激光束在真空中傳輸，可以消除大氣折光差對(duì)測(cè)量精度影響。該方法主要應(yīng)用于直線型大型水工建筑物的變形觀測(cè)，既適用于短壩，也適用于長(zhǎng)度達(dá)千米的直線壩；不僅適用于溫度變幅大、位移大的壩頂，同樣適用于濕度大、位移小的基礎(chǔ)廊道；還可在長(zhǎng)距離變形觀測(cè)中應(yīng)用，可同時(shí)測(cè)量水平位移與垂直位移。該方法有以下可行性：

1）哈達(dá)山水利樞紐工程為直線壩型，適合真空激光準(zhǔn)直測(cè)壩變形系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)施；

2）真空激光準(zhǔn)直測(cè)壩變形系統(tǒng)具備觀測(cè)速度快、測(cè)量精度高、技術(shù)成熟可靠等優(yōu)點(diǎn)，滿足設(shè)計(jì)對(duì)該監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的技術(shù)要求；

3）與其功能相同的監(jiān)測(cè)方法相比，該方法具有工程造價(jià)低，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，使用壽命長(zhǎng)，維護(hù)簡(jiǎn)單，后期投入小等優(yōu)點(diǎn)，性能價(jià)格比優(yōu)越，經(jīng)濟(jì)合理；

4）該方法可實(shí)時(shí)、精確地全天候自動(dòng)化觀測(cè)，可把大壩運(yùn)行安全工況及時(shí)地傳遞到有關(guān)部門(mén)，在水利應(yīng)急事件的處理方面占得先機(jī)，更好地保護(hù)人民的生命和財(cái)產(chǎn)的安全。

哈達(dá)山水利樞紐的大壩外部變形觀測(cè)最終選定采用“DB3200型真空激光準(zhǔn)直測(cè)壩變形系統(tǒng)”，該產(chǎn)品為水利部2008年度水利先進(jìn)實(shí)用技術(shù)，并在水利系統(tǒng)中進(jìn)行重點(diǎn)推廣。通過(guò)該系統(tǒng)的應(yīng)用，本項(xiàng)目獲得水利部科技推廣計(jì)劃項(xiàng)目資助。

3 系統(tǒng)原理

真空激光準(zhǔn)直測(cè)壩變形系統(tǒng)是把三點(diǎn)法激光準(zhǔn)直系統(tǒng)和一套適合大壩變形觀測(cè)特點(diǎn)的軟連接動(dòng)態(tài)真空管道系統(tǒng)合理的結(jié)合起來(lái)的新系統(tǒng)。三點(diǎn)法激光準(zhǔn)直又稱為波帶板激光準(zhǔn)直。波帶板又稱菲涅爾透鏡，它是把菲涅爾半周期帶交替地做成通光帶和遮光帶的一種特殊設(shè)計(jì)的光柵。這種光柵被激光點(diǎn)光源發(fā)出的一束可見(jiàn)的單色相干光照射時(shí)，它的遮光帶會(huì)攔住衍射后將產(chǎn)生負(fù)干涉的激光束光線，和聚焦透鏡相類似，在光源中心和波帶板中心延長(zhǎng)線上的一定距離處，形成一個(gè)中心特別明亮的衍射亮點(diǎn)（或十字亮線），并滿足公式：

式中：f——波帶板的焦距；u——波帶板到點(diǎn)光源的距離；v——波帶板到像點(diǎn)的距離。

如果在像點(diǎn)處布置固定的圖像捕獲裝置，只要固定其中兩點(diǎn)，就可以準(zhǔn)直第三點(diǎn)?！叭c(diǎn)法激光準(zhǔn)直”也因此而得名。

如圖1所示，若在大壩兩端穩(wěn)定的地點(diǎn)分別固定點(diǎn)光源A和光斑成像裝置C（如果兩個(gè)端點(diǎn)非穩(wěn)定不變，可采用倒垂線及雙金屬標(biāo)法獲得端點(diǎn)位移），在需要觀測(cè)變形的各壩段測(cè)點(diǎn)上設(shè)相應(yīng)焦距的波帶板B，當(dāng)測(cè)點(diǎn)（波帶板中心）位移了一段距離δ（BB′，它的水平分量δx就是該點(diǎn)的水平位移，垂直分量δz就是該點(diǎn)的垂直位移），在光斑成像裝置處的光斑像點(diǎn)也位移了一段距離Δ（CC′）。通過(guò)圖像捕獲裝置測(cè)出Δ在兩坐標(biāo)軸上的分量Δx、Δz，有下列公式即可計(jì)算出測(cè)點(diǎn)B的水平、垂直兩向位移值：

限制三點(diǎn)法激光準(zhǔn)直精度的主要因素是傳輸空間折射率梯度及其變化的影響。這種影響可以分為兩部分：一是由于折射率梯度引起光束偏折，使像點(diǎn)位移，即折光差；另一是由于折射率梯度的瞬間變化——?dú)怏w湍流引起光束漂移，表現(xiàn)為像點(diǎn)抖動(dòng)（位置變化）和閃爍（能量變化）。

通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)得知：測(cè)點(diǎn)位移測(cè)值中包含的折光差和測(cè)點(diǎn)到兩端點(diǎn)的距離的乘積成正比，有極值存在，中間測(cè)點(diǎn)的折光差最大，向兩端遞減。折光差還和溫度梯度成正比，和氣壓成反比。如果設(shè)置真空管道，使激光束在真空中傳輸，由于氣壓大大減小，折光差也將大大減小。同時(shí)根據(jù)真空技術(shù)理論和試驗(yàn)可知：當(dāng)真空度達(dá)到10 Pa的低真空度時(shí)，氣體流動(dòng)狀態(tài)不再是湍流而變?yōu)閷恿鳎鲃?dòng)的氣體層平行，可以完全消除像點(diǎn)的抖動(dòng)和閃爍現(xiàn)象。

4 系統(tǒng)組成及布置

4.1系統(tǒng)組成

“DB3200型真空激光準(zhǔn)直測(cè)壩變形系統(tǒng)”主要由采集工作站、發(fā)射端控制設(shè)備、接收端控制設(shè)備、抽真空控制設(shè)備及測(cè)點(diǎn)控制裝置等幾部分組成。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)請(qǐng)參見(jiàn)圖2。

發(fā)射端裝置布置有激光發(fā)射端控制箱、激光器、監(jiān)視器等。控制箱內(nèi)有激光電源和激光電源控制器，環(huán)境量檢測(cè)電路等。通過(guò)RS485通訊總線與綜合控制箱連接，可遙控也可現(xiàn)場(chǎng)手控，主要功能是控制激光器的開(kāi)關(guān)，檢測(cè)環(huán)境量。

測(cè)點(diǎn)裝置內(nèi)設(shè)測(cè)點(diǎn)控制盒，通過(guò)RS485通訊總線與綜合控制箱相連，完成選點(diǎn)識(shí)別、控制波帶板位置功能，它的電源由綜合控制箱提供，波帶板的位置由光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)，可逆電機(jī)的運(yùn)行由固態(tài)繼電器控制。

接收端裝置是本“系統(tǒng)”的中樞，布置有現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)、真空激光綜合控制箱、CCD坐標(biāo)儀，抽真空控制柜等。現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)與上位機(jī)系統(tǒng)相連，下與綜合控制箱相連，另外還接著CCD攝像機(jī)?？赏瓿筛鞣N方式采集數(shù)據(jù)的全過(guò)程，監(jiān)視接收端、發(fā)射端的環(huán)境量，監(jiān)視管道內(nèi)的真空度，控制真空泵運(yùn)行，調(diào)試CCD攝像參數(shù)等。

4.2系統(tǒng)布置

“系統(tǒng)”布置在重力壩、河床式電站及溢流壩段，共安裝真空激光準(zhǔn)直測(cè)點(diǎn)23個(gè)、倒垂線2套、雙金屬標(biāo)2套?！跋到y(tǒng)”激光軸線布設(shè)在距壩軸線29.0 m，即樁號(hào)為0-29.0 m處，激光軸線高程為144.80 m。發(fā)射端裝置布置在取水門(mén)庫(kù)右側(cè)觀測(cè)房?jī)?nèi)，測(cè)點(diǎn)裝置在溢流壩段每個(gè)壩段（閘墩）中心線上布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，在河床式廠房壩段布設(shè)7個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)23個(gè)測(cè)點(diǎn)。接收端裝置、真空泵組及測(cè)控裝置布置在副廠房頂部觀測(cè)房?jī)?nèi)。為觀測(cè)壩體絕對(duì)位移，分別在發(fā)射端與接收端觀測(cè)房?jī)?nèi)分別布置1套倒垂系統(tǒng)與雙金屬標(biāo)系統(tǒng)。

4.3系統(tǒng)實(shí)施

“系統(tǒng)”安裝過(guò)程嚴(yán)格按下列標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行：

1）嚴(yán)格按設(shè)計(jì)位置進(jìn)行真空管道發(fā)射端、接收端、測(cè)點(diǎn)測(cè)墩以及管道的支墩放樣和施工。按真空管道中心軸線的高程控制各墩安裝面的高程，對(duì)于長(zhǎng)距離準(zhǔn)直考慮地球曲率對(duì)各墩高程要求的影響。

2）管道焊接應(yīng)按壓力管道二級(jí)焊縫的要求施焊，施焊時(shí)應(yīng)采用雙層焊法，第一層打底焊縫采用φ2.5焊條施焊，第二層蓋面焊縫可采用φ2.5或φ3.2焊條施焊。

3）真空管道焊接完成后，必須進(jìn)行檢漏試驗(yàn)，檢漏按分段充氣初檢及最終的抽真空試驗(yàn)檢驗(yàn)兩個(gè)步驟進(jìn)行。

為保證測(cè)點(diǎn)箱和壩體牢固結(jié)合，并便于安裝調(diào)整，在每一測(cè)點(diǎn)處設(shè)1個(gè)混凝土測(cè)點(diǎn)墩，上置鋼面板，用插筋（帶螺桿）使面板和壩體聯(lián)為一體，再將測(cè)點(diǎn)箱緊固在面板上。為防止雨水等流進(jìn)坑內(nèi)，測(cè)點(diǎn)坑上加蓋鋼蓋板并有排水措施。

4）發(fā)射端激光光源底板安裝應(yīng)水平，然后安裝激光光源固定支架，通過(guò)調(diào)節(jié)螺栓調(diào)節(jié)激光管，使激光光源中心線在真空管道中心線上。

5）接收端底板安裝應(yīng)水平，然后安裝接收屏并保證接收屏的中心位于管道中心線上。

6）在工控機(jī)上安裝配套的系統(tǒng)調(diào)試及自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集軟件，進(jìn)行系統(tǒng)整體的綜合測(cè)試、組裝（集成）測(cè)試和確認(rèn)測(cè)試。

5 結(jié)語(yǔ)

“DB3200型真空激光準(zhǔn)直測(cè)壩變形系統(tǒng)”完全實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集及遠(yuǎn)程控制自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集，具有高效率、高精度等優(yōu)點(diǎn)，觀測(cè)時(shí)不受外界條件影響，在惡劣氣象環(huán)境、特大洪水、地震等情況下仍可正常監(jiān)測(cè)大壩的運(yùn)行情況。尤其對(duì)于北方寒冷地區(qū)，通過(guò)該系統(tǒng)的實(shí)施可解決大壩變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的觀測(cè)工作勞動(dòng)強(qiáng)度大、工時(shí)長(zhǎng)、數(shù)據(jù)連續(xù)性與實(shí)時(shí)性較差等諸多問(wèn)題。

“DB3200型真空激光準(zhǔn)直測(cè)壩變形系統(tǒng)”已在國(guó)內(nèi)多個(gè)大型水利水電工程中成功應(yīng)用，積累了大量的科研一手資料，該產(chǎn)品的穩(wěn)定性、可靠性及科技水平均遙遙領(lǐng)先國(guó)內(nèi)類似產(chǎn)品。目前系統(tǒng)在哈達(dá)山水利樞紐已完成大部分的安裝調(diào)試工作，并投入試運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行良好，取得了滿意的大壩變形觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，該系統(tǒng)精度滿足測(cè)量要求，測(cè)量成果符合大壩變形規(guī)律，證明該系統(tǒng)在哈達(dá)山水利樞紐工程中的推廣是成功的。