NJG型真空激光准直系统在山口水库大坝监测中的应用

2015-12-24王建国

中国水能及电气化 2015年5期

王建国

(新疆伊犁河流域开发建设管理局，新疆乌鲁木齐830000)

【摘要】本文在介绍NJG型真空激光准直系统工作原理、系统组成、主要性能及技术指标的基础上，对该系统在山口水库运行阶段大坝变形监测资料进行了分析，得出结论：应用NJG型真空激光准直法监测大坝变形，能够实现水平和垂直位移同步自动监测，精度高，故障率低，便于维护，具有推广价值。

【关键词】NJG型真空激光准直系统；监测；坝顶变形；碾压混凝土重力坝

中图分类号：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工程简介

山口水库工程是特克斯河干流梯级开发的最末一级，为发电反调节水库。水库工程由拦河坝、泄水建筑物和发电引水系统及电站厂房等主要建筑物组成。工程属大(2)型Ⅱ等工程，大坝、泄水建筑物、引水建筑物等永久性主要建筑物为2级，其他永久建筑物为3级，临时建筑物为4级。

碾压混凝土重力坝挡水坝段位于主河床和左岸阶地、右岸阶地，桩号坝0+000～坝0+90、坝0+112～坝0+185、坝0+236～坝0+313、坝0+376～坝0+507.758，坝顶高程916.00m，防浪墙顶高程917.20m，最大坝高51m，坝顶宽度8m。NJG型真空激光准直系统安装在碾压混凝土重力坝坝顶测量其水平位移和竖向位移。

2真空激光准直系统简介

激光具有良好的方向性、单色性，具有较长的相干距离，采用经准直的激光束作为测量的基准线，可以实现有较长的工作距离、较高测量精度的位移自动化观测。

2.1系统工作原理

NJG型真空激光准直系统采用He-Ne激光器发出一束激光，穿过与大坝待测部位固结在一起的波带板(菲涅耳透镜)，在接收端的成像屏上形成一个衍射光斑。利用CCD坐标仪测出光斑在成像屏上的位移变化，即可求得大坝待测部位相对于激光轴线的位移变化。

通常情况下，大气温度梯度的影响是其折射率梯度存在的主要因素，而压强梯度项的影响可以不考虑。而从温度梯度项分析，只要减低压强P，则可以减弱温度梯度对大气折射率变化的影响。

该工程碾压混凝土重力坝坝段全长507.758m，真空度最大值控制在40Pa。

2.2系统的组成

系统由He-Ne激光点光源，波带板(菲涅尔透镜)和翻转控制、执行机构，CCD坐标仪及一套真空管道系统等构成(见图1)。

图1　真空激光准直系统

2.3系统管理软件

NJG长距离真空激光测量系统软件，是真空激光测量系统的配套软件，采用微软的VISUAL C++开发工具进行开发，使用ACCESS-2000数据库，运行于视窗操作系统。

NJG长距离真空激光测量系统软件，包括通信，过程控制，图像采集和处理，数据计算、存储和显示等功能，是整个系统的控制中枢，也是用户和系统进行交互的人机界面。系统采用标准Windows风格，包括文件、视图、采集、测试、查询、帮助等功能菜单。

2.4系统布置

在混凝土坝坝顶，设置一条真空激光准直监测系统，共安装了28个测点(测点分布在2～27号坝段)，用于监测坝顶水平及垂直位移。同时在激光准直系统的两端(发射、接收端)设有倒垂及金属双标(倒垂孔：分别深入基岩27.45m、22.57m；双标孔：分别深入基岩26.40m、21.90m)用作位移监测基点。倒垂系统用电容式双向垂线坐标仪观测，双金属标用电容式位移计观测。

山口电站坝顶真空激光准直监测系统于2010年8月8日开始施工，2011年4月10日安装、调试完成，并进入正常监测状态。

3观测资料分析

3.1监测基点位移监测

2013年坝顶激光准直系统垂直位移基准点DS1、DS3(双金属管标)位移变化较为平稳，且全年位移变化较小。2013年左坝肩测点DS1向上抬升0.06mm，29号坝段测点DS3向上抬升0.03mm，全年位移变幅分别为0.31mm、0.19mm。

2013年坝顶激光准直系统水平位移基准点DL4(倒垂)位移变化相对平稳，无异常变化，且全年位移变化较小；位移基准点DL1(倒垂)全年位移较为平稳，未见异常变化。

2013年左坝肩测点DL1位移变化：向左岸位移1.81mm、向下游位移3.22mm，年变幅：左右岸2.15mm、上下游3.59mm；29号坝段测点DL4位移变化：向左岸位移0.31mm、向上游位移0.23mm，年变幅：左右岸4.24mm、上下游4.47mm。

2013年坝顶竖向位移测点DS1、DS3位移呈年周期变化，且变化较小，位移变化主要受坝体温度、库水位变化影响。其中，DS1位移变化与坝体温度呈负相关，DS3位移变化与坝体温度呈正相关。

2013年坝顶水平位移测点DL1、DL4位移呈年周期变化，位移变化主要受库水位、坝体温度变化影响。其中，DL1左右岸位移与库水位呈负相关，上下游位移与库水位呈正相关；DL4左右岸位移与库水位、坝体温度呈正相关，上下游位移与库水位呈负相关。

3.2坝顶水平位移监测

2013年坝顶各测点水平位移变化平稳，且变化较小。各测点年位移变化在-0.12～0.5mm，以溢流坝段为中心，左侧2~5号坝段向上游位移0.03～0.12mm，6~11号坝段向下游位移0.1mm左右，右侧各坝段向上游位移0.1～0.38mm，其中22号、23号坝段年位移较大。

2013年各测点水平位移年变幅在0.31～8.63mm，较2012年位移变幅偏小(2012年位移年变幅在0.5～10.4mm)。其中，11～14号坝段变幅相对较大，变幅在4.79～8.36mm；大坝左岸2号、3号坝段变幅相对较小，变幅分别为0.31mm、0.51mm；大坝16～25号坝段变幅相对均匀，变幅在2.22～3.15mm。

2013年坝顶水平位移成果统计见表1， 2013年坝顶各坝段水平位移纵断面过程线见图2。

表1　2013年坝顶水平位移成果统计情况　单位：mm

注坝顶水平位移向下游位移为“正”，向上游位移为“负”。

图2　坝顶各坝段水平位移纵断面过程线

坝顶各坝段水平位移过程线表明：坝顶各测点位移变化均匀，位移呈年周期变化。各测点位移变化与环境温度密切相关。当环境温度升高时，坝体向下游位移，当环境温度下降时，坝体向上游位移。

各坝段水平位移与29号坝段倒垂DL1上下游位移变化规律相同，与环境温度变化呈正相关。坝顶各坝段水平位移过程线见图3。

图3　LA1～LA28 坝顶水平位移过程线(2～27号坝段)

3.3坝顶垂直位移监测

2013年坝顶垂直位移各测点位移变化平稳，变化较小，坝体整体向上小幅抬升。2013年各测点年位移变化在-0.38～0.03mm，以溢流坝段为中心，坝体中部位移变化相对较小，两侧坝段水平位移相对较大。其中，左侧2～10号坝段平均向上抬升0.1mm，右侧各坝段向上抬升0.07～0.30mm，其中右侧19～25号坝段年位移相对较大，向上抬升0.30mm左右。

2013年各测点垂直位移年变幅为0.81～3.71mm。其中，19～21号坝段变幅相对较大，为3.50～3.71mm；右侧27号坝段变幅最小，为0.81mm；3～17号坝段变幅相对均匀，为1.67～2.97mm。2013年坝顶垂直位移成果统计见表2， 2013年坝顶各坝段垂直位移纵断面过程线见图4。