NJG型真空激光準直系統(tǒng)在潘家口水庫大壩的應(yīng)用

李海星，韓 勇，劉海君

（海河水利委員會引灤工程管理局，天津 300308）

大壩作為一種特殊的建筑物，其安全監(jiān)測十分重要。變形監(jiān)測是大壩結(jié)構(gòu)性態(tài)的最直接反映，由此可見大壩的變形監(jiān)測系統(tǒng)的重要性。水平位移監(jiān)測和垂直位移監(jiān)測是大壩變形監(jiān)測的主要項目，目前常見的水平位移監(jiān)測方法有NJG型真空激光準直系統(tǒng)監(jiān)測、引張線監(jiān)測、垂線監(jiān)測、視準線監(jiān)測，常見的垂直位移監(jiān)測方法有NJG型真空激光準直系統(tǒng)監(jiān)測、靜力水準監(jiān)測、雙金屬管監(jiān)測。NJG 型真空激光準直系統(tǒng)是一種目前應(yīng)用較為廣泛的監(jiān)測系統(tǒng)，是一項先進成熟的變形監(jiān)測方法。

1 潘家口水庫大壩NJG型真空激光準直系統(tǒng)簡介

潘家口水庫主壩為混凝土低寬縫重力壩，最大壩高107.5 m，壩頂長1 039.11 m，共有56 個壩段，自左至右分別為左岸擋水壩段、左溢流壩段、泄洪底孔壩段、右溢流壩段、電站壩段、右岸擋水壩段。

NJG 型真空激光準直系統(tǒng)是南京南瑞集團公司的研發(fā)成果，該位移監(jiān)測系統(tǒng)主要由NJG 型真空激光準直位移測量裝置和配套的軟件平臺組成。潘家口水庫大壩NJG 型真空激光準直系統(tǒng)共布置3 套，分別設(shè)置在壩頂、202 廊道及154 廊道，共計71 個測點。NJG 型真空激光準直系統(tǒng)于2015 年7 月開始施工，2017 年3 月調(diào)試完成并取得數(shù)據(jù)。

1.1 系統(tǒng)優(yōu)點

NJG 型真空激光準直系統(tǒng)為潘家口主壩變形監(jiān)測系統(tǒng)中的一種。根據(jù)工程實際應(yīng)用效果可知，NJG型真空激光準直系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)越性。

（1）NJG 型真空激光準直系統(tǒng)是一種同時監(jiān)測大壩水平和垂直位移的自動監(jiān)測系統(tǒng)。其他監(jiān)測系統(tǒng)基本只能實現(xiàn)對單個位移的自動監(jiān)測，需要多臺儀器設(shè)備才能完成NJG 真空激光準直系統(tǒng)的工作。就實際情況而言，NJG 真空激光準直系統(tǒng)相較于其他監(jiān)測系統(tǒng)有明顯優(yōu)勢。

（2）NJG型真空激光準直系統(tǒng)由于采用真空管道，避免了大氣的干擾，可以有效解決長距離建筑物的位移監(jiān)測，其觀測精度受環(huán)境影響較小，長期工作穩(wěn)定可靠，測量精度達到0.5×10-6L（L為激光準直的長度）以上。若采用常見的引張線監(jiān)測，由于線體的長度過長，在重力的干擾下，監(jiān)測數(shù)據(jù)將不可避免地出現(xiàn)誤差，影響實際結(jié)果；采用靜力水準監(jiān)測，靜力水準系統(tǒng)的管道長度不能過長，否則液體的流通性、觀測靈敏度都將受到影響；采用視準線方法測量，隨著距離的增加，受大氣干擾的影響增大，觀測精度隨之下降。

（3）NJG 型真空激光準直系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集速度快，可長期連續(xù)穩(wěn)定監(jiān)測，監(jiān)測資料完整，工作可靠，較其他系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效性更高。

（4）監(jiān)測設(shè)施在大壩布置的環(huán)境一般濕度大、溫差大，對于監(jiān)測設(shè)備有更嚴格的要求，NJG 型真空激光準直系統(tǒng)能夠適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境。

1.2 系統(tǒng)工作原理

NJG 型真空激光準直系統(tǒng)是以一束激光準直光束為基準，通過測點的位移變化，來確定大壩變形情況的監(jiān)測設(shè)備。

系統(tǒng)通過真空泵人為創(chuàng)造真空環(huán)境，使得真空管道內(nèi)的激光束排除了大氣折光可能產(chǎn)生的漂移、抖動和偏折情況，其測量精度可達0.5×10-6L（L為激光準直的長度）以上，具有穩(wěn)定并可長期工作的特點。

系統(tǒng)測量沿準直線各測點位移的原理類似于引張線準直系統(tǒng)。系統(tǒng)發(fā)射端采用He-Ne 激光器，首先其發(fā)射激光束穿過壩內(nèi)測點部位的波帶板，在接收端的成像屏上形成衍射光斑；之后，當測點波帶板與壩頂測點發(fā)生水平或垂直位移時，利用CCD 坐標儀測量成像屏上光斑的位移。根據(jù)三點準直法，得出測點位移變化，如圖1所示。

圖1 波帶板準直原理

其計算公式如下：

式中：X相為大壩測點位移值（mm）；X測為接收端的測點位移觀測值（mm）；Ln為發(fā)射端至測點波帶板的距離（m）；L為發(fā)射端至接收端的距離（m）。

1.3 系統(tǒng)布置

潘家口水庫大壩NJG型真空激光準直系統(tǒng)組成部分，如圖2 所示。系統(tǒng)主要分為5 個部分，即激光發(fā)射端、激光接收端、監(jiān)控數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)、真空泵與測點。監(jiān)控數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)設(shè)在壩頂右壩頭管理樓內(nèi)。激光發(fā)射端與激光接收端都處于保護罩內(nèi)部，防止外界干擾并保護設(shè)備。各測點都修建水泥墩用于支撐，并建造測點箱來保護設(shè)備。系統(tǒng)的真空泵屬于大功率設(shè)備，一般采用三相電供電，獨立的供電系統(tǒng)有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性，在壩頂18#壩段、202 廊道、154 廊道分別設(shè)置永久取電點，以便給系統(tǒng)獨立供電。

圖2 NJG型真空激光準直系統(tǒng)組成

NJG 型真空激光準直系統(tǒng)測點統(tǒng)計，詳見表1，共計71個測點。

表1 NJG型真空激光準直系統(tǒng)測點統(tǒng)計

2 NJG型真空激光準直系統(tǒng)觀測資料分析

NJG 型真空激光準直系統(tǒng)在潘家口水庫大壩共布置3套，分別位于壩頂、202廊道、154廊道，可同時測量水平位移與垂直位移。系統(tǒng)產(chǎn)生觀測數(shù)據(jù)較多，為便于分析研究，選取溢流壩段和底孔壩段的典型測點JGS24-1、JGS31-1、JGS44-1 2019 年5 月—2021 年7 月之間的水平位移與垂直位移觀測數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計系統(tǒng)的缺失率與平均無故障工作時間，確定系統(tǒng)的可靠性與實際運行情況。

2.1 水平位移分析

圖3為環(huán)境量過程線，通過對環(huán)境量的分析，可以看出上游水位與下游水位變化較小，考慮到潘家口地區(qū)溫度變化為年周期變化，由此得出結(jié)論，潘家口水庫大壩水平位移與垂直位移受水位影響較小，主要隨溫度變化而變化，水平位移過程線如圖4所示。

圖3 環(huán)境量過程線

圖4 水平位移過程線

由圖4 可以看出：①各測點測值基本無突變和故障，數(shù)據(jù)連續(xù)穩(wěn)定，變化規(guī)律有同步性；②冬春季水平位移增大，說明位移變化趨勢為往下游變化；夏秋季水平位移減小，說明位移變化趨勢為往上游變化；③水平位移和氣溫變化基本呈負相關(guān)變化。

2.2 垂直位移分析

垂直位移主要隨溫度變化而變化，垂直位移過程線如圖5所示。

圖5 垂直位移過程線

由圖5可以看出：①各測點測值基本無突變和故障，數(shù)據(jù)連續(xù)穩(wěn)定，變化規(guī)律有同步性；②受外界溫度影響，冬季下沉，夏季上抬，每年的冬季測值較大，夏季測值較??；③水平位移和氣溫變化基本呈負相關(guān)變化。

整體來看，系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)符合大壩變形規(guī)律，連續(xù)性好，呈曲線，基本無突變和故障現(xiàn)象。

2.3 系統(tǒng)可靠性分析

系統(tǒng)可靠性一般是指在規(guī)定的時間內(nèi)和規(guī)定的工況下，完成規(guī)定功能的能力/概率。本次系統(tǒng)可靠性分析主要以平均無故障工作時間和數(shù)據(jù)缺失率來進行判斷。

平均無故障工作時間是指可修復(fù)產(chǎn)品在相鄰兩次故障之間工作時間的數(shù)學(xué)期望值，即在每兩次相鄰故障之間的工作時間的平均值，它相當于產(chǎn)品的工作時間與這段時間內(nèi)產(chǎn)品故障數(shù)之比，即：

式中：ti為考核期內(nèi)第i個單元的正常工作時數(shù)（h）；ri為第i個單元出現(xiàn)的故障次數(shù)；n為系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)采集單元總數(shù)。

數(shù)據(jù)缺失率是指未能測得的有效數(shù)據(jù)個數(shù)與應(yīng)測得的數(shù)據(jù)個數(shù)的百分比，即：

式中：W為數(shù)據(jù)缺失率；n為應(yīng)測數(shù)據(jù)個數(shù)；ρ為未采集到的數(shù)據(jù)個數(shù)。

由于系統(tǒng)產(chǎn)生的自動化數(shù)據(jù)較多，本文僅統(tǒng)計2020年的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計結(jié)果詳見表2。

表2 NJG型真空激光準直系統(tǒng)數(shù)據(jù)缺失統(tǒng)計

將n=21×366=7 686、ρ=210 代入式（1）和式（2），經(jīng)計算得到，MTBF=7 176 h>6 300 h，W=2.75%。

由上可知，系統(tǒng)自動化數(shù)據(jù)缺失率為2.75%、小于3%，平均無故障時間為7 176 h、大于6 300 h，均符合規(guī)范要求。

3 結(jié)論

截止目前，潘家口水庫大壩的NJG 型真空激光準直系統(tǒng)運行平穩(wěn)，安全可靠。系統(tǒng)不同監(jiān)測點的位移分布合理、數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)，與環(huán)境變化量的變化相適應(yīng)，表明系統(tǒng)的觀測精度高。系統(tǒng)水平位移和垂直位移觀測數(shù)據(jù)符合大壩變形監(jiān)測規(guī)律且穩(wěn)定連續(xù)，平均故障間隔時間和自動數(shù)據(jù)丟失率均符合規(guī)范要求，說明系統(tǒng)在潘家口水庫大壩的成功應(yīng)用，同時為系統(tǒng)在類似工程上的推廣應(yīng)用積累了經(jīng)驗。