吉牛水电站坝体变形监测方案优化设计

2014-03-23李俊富

东北水利水电 2014年11期

关键词：接收端端点坝体

文豪，李俊富

（1.国电大渡河流域水电开发有限公司，四川成都 610041；2.中水东北勘测设计研究有限责任公司,吉林长春 130061）

吉牛水电站坝体变形监测方案优化设计

文豪1，李俊富2

（1.国电大渡河流域水电开发有限公司，四川成都 610041；2.中水东北勘测设计研究有限责任公司,吉林长春 130061）

吉牛水电站大坝变形监测原设计采用引张线加静力水准方案，并在坝体两端增加倒垂线及双金属标。后采用“DB3200 型真空激光准直测坝变形系统”及其最新专利技术“一种真空激光准直系统端点改正方法”，对方案进行了优化设计并成功实施。优化后的方案投资低于原设计方案，观测精度也优于原方案，同时实现了自动化观测，直接节约了后期整个监测系统实施自动化的投资。这种单端点改正方法降低真空激光系统设计布置与实施的难度，并节约了工程投资。

吉牛水电站；大坝变形监测；真空激光；单端点改正

1 概述

吉牛水电站位于四川省丹巴县革什扎河流域下游河段，属革什扎河流域水电规划一库四级方案中的第四级梯级电站，为引水式开发。首部枢纽位于丹巴县绕拉乡独狼沟口下游约 0.5km，地面厂房位于革什扎河与大金川河交汇口附近的一级阶地上，工程区内有县级简易公路（丹巴～丹东）通过，在革什扎河口处与省道 S211 线相连，闸、厂区距丹巴县城分别约 30km 和 2.8km，距成都分别约479km 和 452km，对外交通较为方便。

电站为引水式电站。工程枢纽由挡水坝、泄洪闸、引水隧洞、调压井、压力管道及发电厂房等主要水工建筑物组成，电站总装机容量 240MW（120MW/台×2 台），工程总工期 39 个月（不含筹建期）。

2 大坝变形监测原设计方案

吉牛水电站原设计方案是在坝顶布置引张线加静力水准方案，该方案只能测得坝体变形的相对位移测值，还需要在坝体两端增加倒垂线及双金属标，最终联合计算获得坝体的绝对位移测值。该方案主要存在以下问题：

1）前期工程投资较大，后期该项目自动化投资也较多。

2）该方案如果实施并投入运行，运行期的管理与维护的工作量均较大，观测数据的连续性及准确性均受气候因素的影响。

3）大坝左岸为上坝公路及引水发电隧洞进口，该处的倒垂孔只能布置在坝上，要求倒垂孔深度必需穿透坝体及河床覆盖层，深入到基岩稳定区域。钻孔深度超过百米，施工难度极大，工程造价较高。

针对上述问题，设计通过广泛充分的调研，最终根据中水东北勘测设计研究有限责任公司推荐的“DB3200 型真空激光准直测坝变形系统”及其最新专利技术，“一种真空激光准直系统端点改正方法”（以下简称单端点改正方法）对大坝变形监测方案进行了优化设计。

3 真空激光系统原理

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（1）：

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。

图1 三点法激光准直测坝变形原理图

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△（CC′）。通过图像捕获装置测出△在两坐标轴上的分量△x、△z，有下列公式即可计算出测点 B 的水平、垂直两向位移值。

该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。该方法不但具有高效率、高精度，还可在长距离变形观测中应用，该方法可同时测量水平位移与垂直位移，可以说是观测精度、作业效率及作业条件最好的一种变形观测方法。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。

4 单端点改正方法原理

如果采用真空激光准直测坝变形系统，坝体左岸的倒垂孔还是需要实施，才能保证系统获得坝体的绝对位移测值。针对该问题中水东北勘测设计研究有限责任公司建议采用单端点改正方法，该方法是其针对真空激光准直测坝变形系统多年潜心研究的发明成果，主要原理如下：

1）将发射端设备安装于稳定位置，如该位置不稳定需安装端点绝对位移测量设备。

2）在距离发射端 5～20m 范围内安装一个用于接收端位移改正的测点，该测点和发射端设备要求安装在同一个平台上或保证该测点位置随同发射端同步变化。

3）通过测量该测点箱位置的位移变化量及端点改正计算方法，计算出接收端较发射端的相对位移变化量，该相对位移变化量加上发射端的绝对位移即为接收端的绝对位移变化量。

该方法实施的前提是要求两个端点中的任何一个端点处于稳定状态或可布置端点绝对位移测量设备，新技术可通过该端点的绝对位移变化计算出另一个端点的绝对位移变化量，从而减少了系统布置与实施的难度。同时因减少了一个端点绝对位移测量设备，可极大的节约工程投资。

图3 位移后准直示意图

端点改正计算方法如下：

Fx0，Fz0分别为发射端位置位移 X 向、Z 向的初始测值，Fxn，Fzn分别为发射端位置位移的第 n 次观测值，发射端位置位移测值是通过端点位移测量设备得到的，则发射端 X 向、Z 向第 n 次观测的绝对位移变化量分别为 Fxn-Fx0，Fzn-Fz0，当发射端位置处于稳定状态时 Fxn=Fx0，Fzn=Fz0，发射端位置 X向、Z 向的绝对位移变化量均为 0；Ax0，Az0为端点改正测点相对于接收端观测坐标系的测值，通过激真空激光准直位移测量装置测得，即为接收端X 向、Z 向的初始值，Axn，Azn 分别为端点改正测点相对于接收端观测坐标系的第 n次观测值；位移变化量的方向为；水平X向——坝体向下游位移为正，向上游位移为负；垂直 Z 向——坝体向下沉降为正，向上抬升为负，则第 n 次观测到的接收端绝对位移变化量计算公式为：

RXn=（Ax0-Axn）+（Fxn-Fx0）（2）

RZn=（Azn-Az0）+（Fzn-Fz0）（3）

式中：Fx0——发射端位置位移 X 向的初始测值；Fz0——发射端位置位移 Z 向的初始测值；Fxn——发射端位置位移的第 n 次 X 向观测值；Fzn——发射端位置位移的第 n 次 Z 向观测值；Ax0——端点改正测点相对于接收端观测坐标系的X向的初始测值；Az0——端点改正测点相对于接收端观测坐标系的 Z 向的初始测值；Axn——端点改正测点相对于接收端观测坐标系的第n次X向观测值；Azn——端点改正测点相对于接收端观测坐标系的第 n 次 Z 向观测值；RXn——接收端水平 X 向第 n次观测的绝对位移变化量；RZn——接收端垂直 Z向第n次观测的绝对位移变化量。