真空激光准直测坝变形系统在哈达山水利枢纽工程中的应用

徐岩彬，李俊富，彭立斌，李克绵，姜盛吉

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021）

1 概述

哈达山水利枢纽工程是吉林省增产百亿斤商品粮能力建设总体规划项目中的骨干工程，也是国家“十一五”期间重点水利枢纽工程，位于第二松花江干流下游，坝址在吉林省松原市东南约20 km处，下距二松与嫩江汇合口60 km。枢纽工程集水面积 71 783 km2，总库容 6.04×108m3，灌溉面积19万hm2，是一座以灌溉和供水为主，兼顾生态环境保护供水、发电等综合利用的大（Ⅰ）型水利枢纽工程，坝区枢纽工程由挡水土坝、溢流坝、河床式电站、重力坝组成。量均较大，观测数据的连续性及观测精度均受气候因素的影响。

3）垂线法虽然观测精度满足要求但工程投资大，同时为了观测垂直位移必需配套静力水准系统，导致工程投资进一步提高。

综上所述，设计采用真空激光准直测坝变形系统作为哈达山水利枢纽的大坝外部变形观测首选方法。

2.2方法的可行性

2 大坝变形监测方法

2.1方法的选择

在过去的几十年里，国内外大坝变形观测技术经历了经纬仪测量、精密水准仪测量、视准线法、引张线法、激光照准法及波带板激光衍射准直法等（激光照准法与波带板激光衍射准直法统称为大气激光法）。设计在选择哈达山水利枢纽工程的大坝变形监测方法时主要考虑了以下几个因素：

1）哈达山水利枢纽工程为平原水库，地质条件差，常规大地测量方法中变形工作基点和基准点位置的确定比较困难。

2）哈达山水利枢纽工程最大坝高约为18 m，变形量小，要求观测精度高。视准线法、引张线法、大地测量方法均无法满足规范的精度要求。同时这些方法的工程投资及后期的管理与维护的工作

真空激光准直测坝变形系统是波带板真空激光准直和一套真空管道合理结合的变形观测系统，系统的激光束在真空中传输，可以消除大气折光差对测量精度影响。该方法主要应用于直线型大型水工建筑物的变形观测，既适用于短坝，也适用于长度达千米的直线坝；不仅适用于温度变幅大、位移大的坝顶，同样适用于湿度大、位移小的基础廊道；还可在长距离变形观测中应用，可同时测量水平位移与垂直位移。该方法有以下可行性：

1）哈达山水利枢纽工程为直线坝型，适合真空激光准直测坝变形系统设计与实施；

2）真空激光准直测坝变形系统具备观测速度快、测量精度高、技术成熟可靠等优点，满足设计对该监测项目的技术要求；

3）与其功能相同的监测方法相比，该方法具有工程造价低，运行稳定可靠，使用寿命长，维护简单，后期投入小等优点，性能价格比优越，经济合理；

4）该方法可实时、精确地全天候自动化观测，可把大坝运行安全工况及时地传递到有关部门，在水利应急事件的处理方面占得先机，更好地保护人民的生命和财产的安全。

哈达山水利枢纽的大坝外部变形观测最终选定采用“DB3200型真空激光准直测坝变形系统”，该产品为水利部2008年度水利先进实用技术，并在水利系统中进行重点推广。通过该系统的应用，本项目获得水利部科技推广计划项目资助。

3 系统原理

真空激光准直测坝变形系统是把三点法激光准直系统和一套适合大坝变形观测特点的软连接动态真空管道系统合理的结合起来的新系统。三点法激光准直又称为波带板激光准直。波带板又称菲涅尔透镜，它是把菲涅尔半周期带交替地做成通光带和遮光带的一种特殊设计的光栅。这种光栅被激光点光源发出的一束可见的单色相干光照射时，它的遮光带会拦住衍射后将产生负干涉的激光束光线，和聚焦透镜相类似，在光源中心和波带板中心延长线上的一定距离处，形成一个中心特别明亮的衍射亮点（或十字亮线），并满足公式：

式中：f——波带板的焦距；u——波带板到点光源的距离；v——波带板到像点的距离。

如果在像点处布置固定的图像捕获装置，只要固定其中两点，就可以准直第三点。“三点法激光准直”也因此而得名。

如图1所示，若在大坝两端稳定的地点分别固定点光源A和光斑成像装置C（如果两个端点非稳定不变，可采用倒垂线及双金属标法获得端点位移），在需要观测变形的各坝段测点上设相应焦距的波带板B，当测点（波带板中心）位移了一段距离δ（BB′，它的水平分量δx就是该点的水平位移，垂直分量δz就是该点的垂直位移），在光斑成像装置处的光斑像点也位移了一段距离Δ（CC′）。通过图像捕获装置测出Δ在两坐标轴上的分量Δx、Δz，有下列公式即可计算出测点B的水平、垂直两向位移值：

限制三点法激光准直精度的主要因素是传输空间折射率梯度及其变化的影响。这种影响可以分为两部分：一是由于折射率梯度引起光束偏折，使像点位移，即折光差；另一是由于折射率梯度的瞬间变化——气体湍流引起光束漂移，表现为像点抖动（位置变化）和闪烁（能量变化）。

通过大量的实验得知：测点位移测值中包含的折光差和测点到两端点的距离的乘积成正比，有极值存在，中间测点的折光差最大，向两端递减。折光差还和温度梯度成正比，和气压成反比。如果设置真空管道，使激光束在真空中传输，由于气压大大减小，折光差也将大大减小。同时根据真空技术理论和试验可知：当真空度达到10 Pa的低真空度时，气体流动状态不再是湍流而变为层流，流动的气体层平行，可以完全消除像点的抖动和闪烁现象。

4 系统组成及布置

4.1系统组成

“DB3200型真空激光准直测坝变形系统”主要由采集工作站、发射端控制设备、接收端控制设备、抽真空控制设备及测点控制装置等几部分组成。系统组成结构请参见图2。

发射端装置布置有激光发射端控制箱、激光器、监视器等。控制箱内有激光电源和激光电源控制器，环境量检测电路等。通过RS485通讯总线与综合控制箱连接，可遥控也可现场手控，主要功能是控制激光器的开关，检测环境量。

测点装置内设测点控制盒，通过RS485通讯总线与综合控制箱相连，完成选点识别、控制波带板位置功能，它的电源由综合控制箱提供，波带板的位置由光电开关检测，可逆电机的运行由固态继电器控制。

接收端装置是本“系统”的中枢，布置有现场工控机、真空激光综合控制箱、CCD坐标仪，抽真空控制柜等。现场工控机与上位机系统相连，下与综合控制箱相连，另外还接着CCD摄像机。可完成各种方式采集数据的全过程，监视接收端、发射端的环境量，监视管道内的真空度，控制真空泵运行，调试CCD摄像参数等。

4.2系统布置

“系统”布置在重力坝、河床式电站及溢流坝段，共安装真空激光准直测点23个、倒垂线2套、双金属标2套。“系统”激光轴线布设在距坝轴线29.0 m，即桩号为0-29.0 m处，激光轴线高程为144.80 m。发射端装置布置在取水门库右侧观测房内，测点装置在溢流坝段每个坝段（闸墩）中心线上布置一个测点，在河床式厂房坝段布设7个测点，共计23个测点。接收端装置、真空泵组及测控装置布置在副厂房顶部观测房内。为观测坝体绝对位移，分别在发射端与接收端观测房内分别布置1套倒垂系统与双金属标系统。

4.3系统实施

“系统”安装过程严格按下列标准进行：

1）严格按设计位置进行真空管道发射端、接收端、测点测墩以及管道的支墩放样和施工。按真空管道中心轴线的高程控制各墩安装面的高程，对于长距离准直考虑地球曲率对各墩高程要求的影响。

2）管道焊接应按压力管道二级焊缝的要求施焊，施焊时应采用双层焊法，第一层打底焊缝采用φ2.5焊条施焊，第二层盖面焊缝可采用φ2.5或φ3.2焊条施焊。

3）真空管道焊接完成后，必须进行检漏试验，检漏按分段充气初检及最终的抽真空试验检验两个步骤进行。

为保证测点箱和坝体牢固结合，并便于安装调整，在每一测点处设1个混凝土测点墩，上置钢面板，用插筋（带螺杆）使面板和坝体联为一体，再将测点箱紧固在面板上。为防止雨水等流进坑内，测点坑上加盖钢盖板并有排水措施。

4）发射端激光光源底板安装应水平，然后安装激光光源固定支架，通过调节螺栓调节激光管，使激光光源中心线在真空管道中心线上。

5）接收端底板安装应水平，然后安装接收屏并保证接收屏的中心位于管道中心线上。

6）在工控机上安装配套的系统调试及自动化数据采集软件，进行系统整体的综合测试、组装（集成）测试和确认测试。

5 结语

“DB3200型真空激光准直测坝变形系统”完全实现了自动化数据采集及远程控制自动化数据采集，具有高效率、高精度等优点，观测时不受外界条件影响，在恶劣气象环境、特大洪水、地震等情况下仍可正常监测大坝的运行情况。尤其对于北方寒冷地区，通过该系统的实施可解决大坝变形监测项目的观测工作劳动强度大、工时长、数据连续性与实时性较差等诸多问题。

“DB3200型真空激光准直测坝变形系统”已在国内多个大型水利水电工程中成功应用，积累了大量的科研一手资料，该产品的稳定性、可靠性及科技水平均遥遥领先国内类似产品。目前系统在哈达山水利枢纽已完成大部分的安装调试工作，并投入试运行，系统运行良好，取得了满意的大坝变形观测数据，通过数据分析，该系统精度满足测量要求，测量成果符合大坝变形规律，证明该系统在哈达山水利枢纽工程中的推广是成功的。