NJG型真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)在山口水庫大壩監(jiān)測中的應(yīng)用

NJG型真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)在山口水庫大壩監(jiān)測中的應(yīng)用

王建國

(新疆伊犁河流域開發(fā)建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊830000)

【摘要】本文在介紹NJG型真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)工作原理、系統(tǒng)組成、主要性能及技術(shù)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，對該系統(tǒng)在山口水庫運行階段大壩變形監(jiān)測資料進(jìn)行了分析，得出結(jié)論：應(yīng)用NJG型真空激光準(zhǔn)直法監(jiān)測大壩變形，能夠?qū)崿F(xiàn)水平和垂直位移同步自動監(jiān)測，精度高，故障率低，便于維護(hù)，具有推廣價值。

【關(guān)鍵詞】NJG型真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)；監(jiān)測；壩頂變形；碾壓混凝土重力壩

中圖分類號：TV698.1

Application of NJG vacuum laser alignment system in Shankou

Reservoir Dam monitoring

WANG Jianguo

(XinjiangYiliRiverBasinDevelopmentConstructionAuthority,Urumqi830000,China)

Abstract:In the paper, NJG vacuum laser alignment system work principle, system components, main performance and technical indicators are introduced. On the basis, dam deformation monitoring data of the system during Shankou Reservoir operation stage are analyzed. The following conclusion is obtained: NJG vacuum laser alignment method is applied for monitoring dam deformation, synchronous automatic monitoring of horizontal and vertical displacement can be realized. It has the advantages of high precision, low failure rate, convenient maintenance and high promotion value.

Key words: NJG vacuum laser alignment system; monitoring; dam top deformation; RCC concrete gravity dam

1工程簡介

山口水庫工程是特克斯河干流梯級開發(fā)的最末一級，為發(fā)電反調(diào)節(jié)水庫。水庫工程由攔河壩、泄水建筑物和發(fā)電引水系統(tǒng)及電站廠房等主要建筑物組成。工程屬大(2)型Ⅱ等工程，大壩、泄水建筑物、引水建筑物等永久性主要建筑物為2級，其他永久建筑物為3級，臨時建筑物為4級。

碾壓混凝土重力壩擋水壩段位于主河床和左岸階地、右岸階地，樁號壩0+000～壩0+90、壩0+112～壩0+185、壩0+236～壩0+313、壩0+376～壩0+507.758，壩頂高程916.00m，防浪墻頂高程917.20m，最大壩高51m，壩頂寬度8m。NJG型真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)安裝在碾壓混凝土重力壩壩頂測量其水平位移和豎向位移。

2真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)簡介

激光具有良好的方向性、單色性，具有較長的相干距離，采用經(jīng)準(zhǔn)直的激光束作為測量的基準(zhǔn)線，可以實現(xiàn)有較長的工作距離、較高測量精度的位移自動化觀測。

2.1系統(tǒng)工作原理

NJG型真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)采用He-Ne激光器發(fā)出一束激光，穿過與大壩待測部位固結(jié)在一起的波帶板(菲涅耳透鏡)，在接收端的成像屏上形成一個衍射光斑。利用CCD坐標(biāo)儀測出光斑在成像屏上的位移變化，即可求得大壩待測部位相對于激光軸線的位移變化。

通常情況下，大氣溫度梯度的影響是其折射率梯度存在的主要因素，而壓強(qiáng)梯度項的影響可以不考慮。而從溫度梯度項分析，只要減低壓強(qiáng)P，則可以減弱溫度梯度對大氣折射率變化的影響。

該工程碾壓混凝土重力壩壩段全長507.758m，真空度最大值控制在40Pa。

2.2系統(tǒng)的組成

系統(tǒng)由He-Ne激光點光源，波帶板(菲涅爾透鏡)和翻轉(zhuǎn)控制、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，CCD坐標(biāo)儀及一套真空管道系統(tǒng)等構(gòu)成(見圖1)。

圖1　真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)

2.3系統(tǒng)管理軟件

NJG長距離真空激光測量系統(tǒng)軟件，是真空激光測量系統(tǒng)的配套軟件，采用微軟的VISUAL C++開發(fā)工具進(jìn)行開發(fā)，使用ACCESS-2000數(shù)據(jù)庫，運行于視窗操作系統(tǒng)。

NJG長距離真空激光測量系統(tǒng)軟件，包括通信，過程控制，圖像采集和處理，數(shù)據(jù)計算、存儲和顯示等功能，是整個系統(tǒng)的控制中樞，也是用戶和系統(tǒng)進(jìn)行交互的人機(jī)界面。系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)Windows風(fēng)格，包括文件、視圖、采集、測試、查詢、幫助等功能菜單。

2.4系統(tǒng)布置

在混凝土壩壩頂，設(shè)置一條真空激光準(zhǔn)直監(jiān)測系統(tǒng)，共安裝了28個測點(測點分布在2～27號壩段)，用于監(jiān)測壩頂水平及垂直位移。同時在激光準(zhǔn)直系統(tǒng)的兩端(發(fā)射、接收端)設(shè)有倒垂及金屬雙標(biāo)(倒垂孔：分別深入基巖27.45m、22.57m；雙標(biāo)孔：分別深入基巖26.40m、21.90m)用作位移監(jiān)測基點。倒垂系統(tǒng)用電容式雙向垂線坐標(biāo)儀觀測，雙金屬標(biāo)用電容式位移計觀測。

山口電站壩頂真空激光準(zhǔn)直監(jiān)測系統(tǒng)于2010年8月8日開始施工，2011年4月10日安裝、調(diào)試完成，并進(jìn)入正常監(jiān)測狀態(tài)。

3觀測資料分析

3.1監(jiān)測基點位移監(jiān)測

2013年壩頂激光準(zhǔn)直系統(tǒng)垂直位移基準(zhǔn)點DS1、DS3(雙金屬管標(biāo))位移變化較為平穩(wěn)，且全年位移變化較小。2013年左壩肩測點DS1向上抬升0.06mm，29號壩段測點DS3向上抬升0.03mm，全年位移變幅分別為0.31mm、0.19mm。

2013年壩頂激光準(zhǔn)直系統(tǒng)水平位移基準(zhǔn)點DL4(倒垂)位移變化相對平穩(wěn)，無異常變化，且全年位移變化較??；位移基準(zhǔn)點DL1(倒垂)全年位移較為平穩(wěn)，未見異常變化。

2013年左壩肩測點DL1位移變化：向左岸位移1.81mm、向下游位移3.22mm，年變幅：左右岸2.15mm、上下游3.59mm；29號壩段測點DL4位移變化：向左岸位移0.31mm、向上游位移0.23mm，年變幅：左右岸4.24mm、上下游4.47mm。

2013年壩頂豎向位移測點DS1、DS3位移呈年周期變化，且變化較小，位移變化主要受壩體溫度、庫水位變化影響。其中，DS1位移變化與壩體溫度呈負(fù)相關(guān)，DS3位移變化與壩體溫度呈正相關(guān)。

2013年壩頂水平位移測點DL1、DL4位移呈年周期變化，位移變化主要受庫水位、壩體溫度變化影響。其中，DL1左右岸位移與庫水位呈負(fù)相關(guān)，上下游位移與庫水位呈正相關(guān)；DL4左右岸位移與庫水位、壩體溫度呈正相關(guān)，上下游位移與庫水位呈負(fù)相關(guān)。

3.2壩頂水平位移監(jiān)測

2013年壩頂各測點水平位移變化平穩(wěn)，且變化較小。各測點年位移變化在-0.12～0.5mm，以溢流壩段為中心，左側(cè)2~5號壩段向上游位移0.03～0.12mm，6~11號壩段向下游位移0.1mm左右，右側(cè)各壩段向上游位移0.1～0.38mm，其中22號、23號壩段年位移較大。

2013年各測點水平位移年變幅在0.31～8.63mm，較2012年位移變幅偏小(2012年位移年變幅在0.5～10.4mm)。其中，11～14號壩段變幅相對較大，變幅在4.79～8.36mm；大壩左岸2號、3號壩段變幅相對較小，變幅分別為0.31mm、0.51mm；大壩16～25號壩段變幅相對均勻，變幅在2.22～3.15mm。

2013年壩頂水平位移成果統(tǒng)計見表1， 2013年壩頂各壩段水平位移縱斷面過程線見圖2。

表1　2013年壩頂水平位移成果統(tǒng)計情況　單位：mm

注壩頂水平位移向下游位移為“正”， 向上游位移為“負(fù)”。

圖2　壩頂各壩段水平位移縱斷面過程線

壩頂各壩段水平位移過程線表明：壩頂各測點位移變化均勻，位移呈年周期變化。各測點位移變化與環(huán)境溫度密切相關(guān)。當(dāng)環(huán)境溫度升高時，壩體向下游位移，當(dāng)環(huán)境溫度下降時，壩體向上游位移。

各壩段水平位移與29號壩段倒垂DL1上下游位移變化規(guī)律相同，與環(huán)境溫度變化呈正相關(guān)。壩頂各壩段水平位移過程線見圖3。

圖3　LA1～LA28 壩頂水平位移過程線(2～27號壩段)

3.3壩頂垂直位移監(jiān)測

2013年壩頂垂直位移各測點位移變化平穩(wěn)，變化較小，壩體整體向上小幅抬升。2013年各測點年位移變化在-0.38～0.03mm，以溢流壩段為中心，壩體中部位移變化相對較小，兩側(cè)壩段水平位移相對較大。其中，左側(cè)2～10號壩段平均向上抬升0.1mm，右側(cè)各壩段向上抬升0.07～0.30mm，其中右側(cè)19～25號壩段年位移相對較大，向上抬升0.30mm左右。

2013年各測點垂直位移年變幅為0.81～3.71mm。其中，19～21號壩段變幅相對較大，為3.50～3.71mm；右側(cè)27號壩段變幅最小，為0.81mm；3～17號壩段變幅相對均勻，為1.67～2.97mm。2013年壩頂垂直位移成果統(tǒng)計見表2， 2013年壩頂各壩段垂直位移縱斷面過程線見圖4。

表2　2013年壩頂垂直移成果統(tǒng)計　單位：mm

注壩頂垂直位移下沉為“負(fù)”， 上抬為“正”。

圖4　2013年壩頂各壩段垂直位移縱斷面過程線

壩頂各壩段垂直過程線表明：2013年壩頂各壩段垂直位移變化趨勢一致，與環(huán)境溫度密切相關(guān)，各測點位移呈年周期變化，年位移變化較小。該年度壩體兩側(cè)位移變幅大于壩體中部位移，且壩體右端位移變化相對較大。

壩頂垂直位移與29號壩段雙金屬標(biāo)DS1變化規(guī)律一致，與溫度變化呈負(fù)相關(guān)。當(dāng)環(huán)境溫度升高時，壩體下沉；當(dāng)環(huán)境溫度下降時，壩體向上抬升。

2011年至今庫水位一直在911.5m左右的高位運行，庫水位變幅較小，水荷載變化對壩體位移影響相對較小，相關(guān)性不明顯。壩頂各壩段垂直位移過程線見圖5。

圖5　LA1～LA28 壩頂垂直位移過程線(12～27號壩段)

4結(jié)語

山口水庫大壩916m高程真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)的成功應(yīng)用，實現(xiàn)了水平和垂直位移同步自動監(jiān)測。系統(tǒng)精度高，故障率低，便于維護(hù)，但造價較高，安裝工藝比較復(fù)雜。經(jīng)驗表明：它是諸多大壩變形監(jiān)測方法中較為理想的一種。

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