文富勇，劉劍鳴，楊 弘

(1.水能資源利用關(guān)鍵技術(shù)湖南省重點實驗室，湖南長沙410014;2.中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南長沙410014)

1 工程概況

烏江渡水電站大壩為混凝土拱形重力壩，壩頂高程765.00 m，最大壩高165.00 m，壩頂弧長394.6 m，設(shè)計正常蓄水位760.00 m，死水位720.00 m。大壩最大底寬119.50 m， 708.00 m高程以下的壩體橫縫通過接縫灌漿形成拱形整體，上部高57 m的壩體為單塊穩(wěn)定的重力壩，自右向左共分為17個壩塊，最大壩塊寬23 m。河中④～壩段壩軸線半徑為500 m，中心角26°36′的圓?。挥野盯佟蹓味螆A弧半徑為80 m，左岸～壩段為直線等寬壩段。

拱壩水平位移監(jiān)測通常采用“垂線法+導(dǎo)線法”和“垂線法+視準(zhǔn)線法”，然而這種觀測方法不僅觀測精度低，適應(yīng)性差，無法實現(xiàn)全自動化觀測。烏江渡水電站為混凝土拱形重力壩，采用“垂線法+視準(zhǔn)線法”進行水平位移監(jiān)測，視準(zhǔn)線從④～壩段每個壩段設(shè)1個測點，在④、⑧和壩段各布置一組正、倒垂線。由于視準(zhǔn)線工作基點布置在兩岸壩肩靠上游側(cè)，穩(wěn)定性相對較差，且視準(zhǔn)線長度超過了規(guī)范要求的300 m，測點除拱冠梁處外，其余測點均不能監(jiān)測徑向變形，綜上考慮到視準(zhǔn)線的缺陷以及人工觀測的不便，取消壩頂視準(zhǔn)線，改為在靠近壩頂?shù)睦鹊纼?nèi)安裝一套激光準(zhǔn)直拱壩變形監(jiān)測系統(tǒng)，其水平位移工作基點設(shè)在左、右岸灌漿廊道內(nèi)，并利用④、⑧和壩段的垂線組進行校驗，構(gòu)成串聯(lián)式“激光準(zhǔn)直+垂線”的拱壩變形監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)拱壩壩體變形的全自動化觀測。

圖1 激光準(zhǔn)直變形監(jiān)測布置平面

圖2 激光準(zhǔn)直高差銜接布置剖面(單位：尺寸mm；高程m)

圖3 激光準(zhǔn)直豎折連續(xù)傳遞布置剖面(單位：尺寸mm；高程m)

2 激光準(zhǔn)直系統(tǒng)布置

激光準(zhǔn)直拱壩變形監(jiān)測系統(tǒng)布置從右岸737.50 m高程的灌漿隧洞至左岸713.00 m高程的灌漿隧洞，共布置了17個單元的激光準(zhǔn)直裝置，如圖1所示。采用首尾相接、高差過渡銜接、豎折連續(xù)傳遞的形式，全長約361 m，其中在④壩段通過設(shè)置高層傳遞儀和新增垂線點將738 m高程廊道和713 m高程廊道內(nèi)的激光準(zhǔn)直線路銜接，形成垂直位移和水平位移的高差銜接傳遞，見圖2；在壩段和壩段間采用豎向折線傳遞形式完成兩個樓梯壩段激光準(zhǔn)直線路銜接，見圖3。

激光準(zhǔn)直變形監(jiān)測系統(tǒng)僅能進行徑向水平位移和垂直位移監(jiān)測，無法實現(xiàn)切向水平位移監(jiān)測，為了實現(xiàn)切向水平位移監(jiān)測，在每一單元的激光準(zhǔn)直段各增設(shè)一套專門用于監(jiān)測切向水平位移的銦鋼桿式位移計。水平位移以布置在左、右岸灌漿隧洞內(nèi)的激光準(zhǔn)直單元的左、右端點為工作基準(zhǔn)點，實現(xiàn)雙基準(zhǔn)閉合監(jiān)測和誤差修正，同時與④、⑧、壩段的垂線系統(tǒng)監(jiān)測值進行對比驗證，提高系統(tǒng)的可靠性和觀測精度。垂直位移以左、右岸灌漿隧洞內(nèi)增設(shè)的雙金屬標(biāo)的方法建立雙水準(zhǔn)工作基點，形成雙基準(zhǔn)附合水準(zhǔn)測量，以提高測量精度或進行誤差修正[5]。

烏江渡水電站激光準(zhǔn)直系統(tǒng)通過“分段接力”方式實現(xiàn)拱壩全壩段變形監(jiān)測[2]，盡管從理論上推算“分段接力”的方式是可行，但能不能反映大壩的實際變形情況還需通過監(jiān)測數(shù)據(jù)進行具體分析[3]。本文通過對激光準(zhǔn)直系統(tǒng)在真空條件下和微壓差條件下的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行深入分析，同時與現(xiàn)有正倒垂線監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析，驗證烏江渡水電站激光準(zhǔn)直系統(tǒng)的可行性。

3 激光準(zhǔn)直系統(tǒng)監(jiān)測資料分析

烏江渡水電站激光準(zhǔn)直監(jiān)測系統(tǒng)分別在真空條件和微壓差條件下進行觀測，其中真空條件下觀測時間序列為2011年12月1日至2012年12月6日，微壓差條件下觀測時間序列為2012年12月8日至2013年5月13日。

各測點位移：上、下游方向(徑向)以X表示，向下游為正，向上游為負(fù)；左、右兩岸方向(切向)以Y表示，向左岸為正，向右岸為負(fù)；垂直位移以Z表示，上抬為正，下沉為負(fù)。

3.1 真空條件下

各測點位移測值變化過程線見圖4，2012年5月12日至2012年7月31日期間激光準(zhǔn)直系統(tǒng)發(fā)生故障，無監(jiān)測數(shù)據(jù)，其余時段由于測值序列較短，各壩段測點無明顯的周期性變化，無異常變化?？拷鼉砂短帨y點沿上下游方向水平位移和垂直位移均比同期其余測點變化?。蛔笥野斗较蛩轿灰频淖兎鄬ι舷掠畏较蛭灰谱兎黠@為小，右岸R5～R9測點過程線變化規(guī)律基本一致，左岸R10～R16測點過程線變化規(guī)律也基本一致，即過程線中峰谷值出現(xiàn)的時間基本一致；布置在壩段樓梯壩段的上測點R12(726)和下測點R12(713)過程線變化規(guī)律基本一致，即過程線中峰谷出現(xiàn)的時間基本相同，符合同壩段測點相對變形趨于一致的基本規(guī)律。

圖4 激光準(zhǔn)直變形監(jiān)測系統(tǒng)各測點位移測值過程線

選擇激光準(zhǔn)直系統(tǒng)在2012年不同季節(jié)(2月、8月)的監(jiān)測資料繪制位移變化曲線(見圖5)并進行分析?？芍蟛糠謮味螠y點沿上下游方向位移變化曲線低溫季節(jié)在上，高溫季節(jié)在下，表明低溫季節(jié)向下游變形，高溫季節(jié)向上游變形，這符合混凝土壩溫度對壩體水平位移影響的變化規(guī)律；向下游最大位移發(fā)生在拱冠處測點，向上游最大位移發(fā)生在左岸～壩段。①～壩段各測點無論高溫季節(jié)還是低溫季節(jié)向左右岸方向位移均不大，說明其受溫度影響不大；～壩段分布曲線高溫季節(jié)在上，低溫季節(jié)在下，說明高溫季節(jié)向左岸變形，低溫季節(jié)向右岸變形，也符合溫度對壩體位移影響的變化規(guī)律。無論高溫季節(jié)還是低溫季節(jié)各壩段測點垂直位移測值非常接近，說明溫度對垂直位移影響不大[1]。

圖5 位移變化曲線示意

總體來說，真空條件下各測點變形基本符合壩體變形變化一般規(guī)律，但變化量相對較小，系統(tǒng)敏感性較低。

3.2 微壓差條件下

2012年12月6日至2013年5月13日，對激光準(zhǔn)直系統(tǒng)充裝惰性氣體進行了微壓差試驗，各測點變化過程線見圖6。

圖6 激光準(zhǔn)直變形監(jiān)測系統(tǒng)各測點測值過程線

由于測值序列較短，各壩段測點監(jiān)測數(shù)據(jù)無明顯周期性變化。大部分測點左右岸方向和垂直方向的位移測值較小，其變化幅度也相對較小，相對于沿X向位移變幅也較小；對比不同年份相同時段上下游方向的水平位移測值，微壓差條件下比真空條件下的測值要大，測值過程線的變化規(guī)律也較為明顯。各壩段沿左右岸方向和沿垂直方向位移測值均不大，遠(yuǎn)小于X向的測值，符合一般規(guī)律。

將2012年12月至2013年5月微壓差條件下激光準(zhǔn)直變形監(jiān)測數(shù)據(jù)與2011年12月至2012年5月真空條件下的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析，微壓差條件下各測點的激光準(zhǔn)直徑向水平位移測值比真空條件下的測值大，說明激光準(zhǔn)直變形監(jiān)測系統(tǒng)在微壓差條件的性能比真空條件下的工作性能要好，靈敏高，其過程線所反映的變化規(guī)律更為明顯。

激光準(zhǔn)直變形監(jiān)測系統(tǒng)采用了真空激光準(zhǔn)直與微壓差激光準(zhǔn)直兩種工作模式[4]，受現(xiàn)場環(huán)境條件、系統(tǒng)管道的密封條件等因素影響，系統(tǒng)運行的可靠性是不相同的。對比分析初步表明，真空條件下對系統(tǒng)管道密封要求較高，維持其真空狀態(tài)所花費的代價較大，而微壓差條件下觀測成果相對較好，對系統(tǒng)管道的密封要求不高，運行穩(wěn)定可靠。

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析

激光準(zhǔn)直系統(tǒng)與壩體正、倒垂線變形監(jiān)測系統(tǒng)在布置上有3處交集點，具體位置及各測點編號見表1。

表1 交集點位及測點編號匯總

2011年12月1日至2012年12月6日采用真空方式進行監(jiān)測，2012年12月8日至2013年5月13日采用微壓差方式進行監(jiān)測，分別將正、倒垂線監(jiān)測數(shù)據(jù)與真空條件下和微壓差條件下激光準(zhǔn)直變形監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行對比分析。

4.1 真空條件下對比分析

垂線與真空激光準(zhǔn)直變形監(jiān)測系統(tǒng)對應(yīng)交集點如圖7所示。由圖7可知，④壩段X方向激光準(zhǔn)直變形監(jiān)測系統(tǒng)的測值相對偏小，其相關(guān)性不明顯；Y方向正常情況下測值均不大，其變化規(guī)律基本相似。⑧壩段X方向具有可比性的時段很少，在9月前后的過程線總體變化規(guī)律有一定的相似性；Y方向全時段測值變幅均很小，符合一般性規(guī)律。壩段X方向9月前后的過程線不太平滑，但總體變化規(guī)律有一定的相似性；Y方向8月中旬垂線系統(tǒng)發(fā)生了約2 mm階躍式跳變，排除其影響后測值均不大，其變化規(guī)律總體上基本相似?？傊谡婵諚l件下，激光準(zhǔn)直變形監(jiān)測系統(tǒng)與正、倒垂線交集點變化規(guī)律的一致性存在部分差異。

圖7 交集點左右岸方向水平位移測值過程線

4.2 微壓差條件下對比分析

微壓差激光準(zhǔn)直變形監(jiān)測時段從2012年12月8日至2013年5月13日止，共有約5個月的監(jiān)測資料，由于④壩段和⑧壩段正、倒垂線采集模塊出現(xiàn)故障無法通訊導(dǎo)致該時段R4-1和R8-1無監(jiān)測數(shù)據(jù)，因此，僅將壩段垂線測點(R13-1)與激光準(zhǔn)直變形監(jiān)測系統(tǒng)測點(R13)相關(guān)交集點的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析，過程線如圖8所示。

圖8 水平位移測值過程線

表2 壩段激光準(zhǔn)直與垂線測點對應(yīng)測值

表2 壩段激光準(zhǔn)直與垂線測點對應(yīng)測值

序號日期上游水位/m氣溫/℃垂線測點測值/mm激光測點測值/mm120121213752.077.250.781.92220130319739.2018.500.181.79

5 結(jié)論與建議

激光準(zhǔn)直變形監(jiān)測系統(tǒng)能夠反映大壩變形變化規(guī)律，可用于拱壩變形自動化監(jiān)測。激光準(zhǔn)直變形監(jiān)測系統(tǒng)在微壓差條件下的性能比真空條件下要好，靈敏度高，反映的變化規(guī)律更為明顯。真空條件對系統(tǒng)管道密封要求較高，而微壓差條件下系統(tǒng)管道密封要求不高，可靠性高。因此，建議烏江渡工程后期運行的位移變形監(jiān)測采用微壓差工作模式，并與垂線系統(tǒng)結(jié)合進行綜合分析。

[1] 李珍照. 大壩安全監(jiān)測[M]. 北京： 中國電力出版社, 1997．

[2] 彭欣欣, 郝靈, 張鵬, 等. 真空激光變形監(jiān)測系統(tǒng)在小灣雙曲拱壩中的應(yīng)用[J]. 水力發(fā)電, 2015, 41(10)： 72- 74．

[3] 楊仁, 潘正風(fēng). 激光導(dǎo)線系統(tǒng)測定拱壩位移[J]. 武漢測繪科技大學(xué)學(xué)報, 1988(3): 1- 3．

[4] 鄧念武, 葉澤榮, 龔玉珍. 白山拱壩位移激光監(jiān)測自動化系統(tǒng)研究[J]. 大地測量與地球動力學(xué), 2002(2): 122- 123．

[5] 田國民, 尹望軍. 烏江渡激光準(zhǔn)直變形監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用[J]. 商品與質(zhì)量, 2015(50): 123- 124．