激光静力水准技术在土石坝沉降测量中应用

田志刚 ，宋厚源 ，郭 鹏

（1.山东省水利科学研究院，山东 济南 250014；2.平阴县水务局，山东 平阴 250400）

土石坝因土体自身固结及外荷载作用下会产生正常沉降，速率逐渐降低并趋于稳定。在非正常情况下如滑坡、渗透变形等情况下也会发生较大的沉降，在这种情况下垂向位移的速率是逐渐增大的，直至发生突变。坝基在土压力作用下也会发生沉降，表现为坝顶的沉降。土坝垂直位移测量主要采用几何水准法和三角高程测量法，该方法测量精度受到人为因素、仪器精度的影响较大，无法实现实时监测，测量频次很低，大部分一年数次，无法根据检测数据进行趋势分析。卫星观测法是近年来随着全球卫星定位技术的发展而形成的测量方法，影响其测量精度的因素很多，尤其是垂直位移的测量精度，主要受对流层[1]和电离层折射[2]以及区域性似大地基准面精度的影响。而差分技术不能消除这种影响。在大尺度测量中，卫星观测法有足够的精度，但在小尺度垂直位移测量中实现高精度测量则需要进一步探讨。

近年来，静力水准法在水工建筑物沉降测量中开始使用。该方法原理明晰，结构简单可靠，因而测量结果可靠。随着位移传感技术的迅速发展，其精度越来越高。可以预见该技术将在水利行业有较为广泛的应用。将激光测量技术和静力水准原理结合起来，实现高精度自动实时沉降测量，可以达到±0.1mm，本系统沉降测量中的控制精度是±1mm，满足规范±3mm的要求且稳定性好、频次高；可以根据位移变化速率，预判坝体所处的稳定状态。

1 激光静力水准工作原理及计算方法

1.1 理论依据

根据伯努利原理，理想流体在恒定流状态时，单位体积所具有的能量（动能、势能、压强能）为一常量，对于两个流动要素恒定的断面，其方程表达式为：

式中：Z1、Z2为计算断面的中心位置的高程；P1/γ、P2/γ 为计算断面的压强高度/2g为计算断面的流速水头；为两断面间的水头损失。对于静止液体，u=0，则有：

该式表明：连通液体在静止状态下各点的单位势能守恒，所有液面位置的势高度相等，在自由液面上压力相等的情况下，液面水平，这是静力水准的理论基础。激光位移传感可对液位变化进行实时测量，通过简单几何关系计算即可得出位移变化量，这个原理可用于物体垂直位移测量。

1.2 激光静力水准基本结构及测量方法

激光静力水准沉降仪通过管道连通测筒，内充液体，在测筒顶部固定安装激光位移传感器，传感器测量测筒内液位到传感器起测点的距离。在远离坝体的稳定地基上设置基准点，在待测沉降点上设观测点，将测筒分别安装在基准点0和观测点1（观测点可以是n个）上，用管道相互连通，测筒内注入液体至适当高度。

初始安装时，根据伯努利原理，液面在同一水平面上，激光位移传感器0、1分别测得液面距激光器起测点距离为h0、h1。经过一段时间T1后的某一时刻t1，观测点沉降量为d1，此时传感器分别测得液面距起测点距离为 h′0、h′1，根据相对位置几何关系，可以得出：

因此，只要测出任一时刻基点及各测点液面到起测点的距离，即可得出测点相对于基点在T1时段内的沉降量。若得出的数值为负值，说明该测点抬升了，如混凝土坝、闸墩等水工建筑物在夏季由于温度的升高而上升。

由于沉降量是实时观测得到的，频次高，可实时计算沉降量变化速率，即沉降速度，通过沉降速度变化可预测坝体可能出现的危险趋势。

1.3 可行性试验验证

在实验室内根据测量原理要求制作了试验台，温度恒定无风。将4个顶部安装有激光位移传感器的测筒用管道连接起来，其中1个作为基点固定不动，其他3个测筒作为测点，可以通过螺杆调节实现上下移动，模拟测点的沉降或者上升，螺杆联动游标卡尺以读取位移数据。传感器采用红色半导体激光，型号为TP-L100CD，其主要参数为：线性精度为±0.1%FS、频次 500μs、量程100mm。测筒内有3D打印中空玻璃片漂浮在水面作为激光反射体。工作液体是蒸馏水加防腐剂，为了模拟渗漏、蒸发等因素对测量结果的影响，设置了加、放水阀。

试验采用预设测点沉降量、传感器实时读取数据并进行计算，直接输出测点垂直位移变化量的方案。结果见表1。

由表1可知，预设沉降值和测量值在误差范围内。在试验中，通过放水阀放水，模拟可能发生的渗漏、蒸发，发现对测量结果没有影响；还试验了不同直径的测筒对测量结果的影响，证明测筒直径不同对测量结果没有影响，和理论分析结果一致。试验验证了该方法的可行性，可以应用到实际工程中。

2 应用实例

2.1 水库概况

垛庄水库位于济南市西巴漏河上游，控制流域面积56km2。总库容为1.19×107m3，大坝为黏土心墙沙壳坝，坝长468m，最大坝高37.50m，溢洪道在左岸，设3孔10m×6m平板钢闸门。

2.2 测点布置及测量数据

坝体测量基点布置在大坝左岸，设钻孔灌注桩至基岩形成稳定点，观测点设在大坝测压管观测断面的下游坝肩上，共3个；在水闸的两个中墩下游端顶部设2个观测点，在离闸室15m的基岩上设基点。观测点及基点的设计安装满足土石坝安全监测技术规范（SL551-2012）要求，并对基点及测点高程进行人工标定[3]。测量结果见表2。

表1 试验记录表 mm

表2 垛庄水库坝体及溢洪闸墩沉降测量值 mm

该装置使用山东省水利科学研究院开发的《大坝安全监测及分析系统》，实现实时观测、数据无线传输，使用数年来一直正常工作。2019年夏季，检测系统突然报警，检查后发现监测点沉降量超过预警值，由于是在汛期，技术人员迅速进行检查，其原因是坝顶沥青路面铺设振动碾造成的沉降，这说明了该设备的灵敏度。

2.3 人工校核

人工校核用以检验该设备检测结果正确与否，采用几何水准法进行人工校核测量，其结果验证了激光静力水准测量结果是正确的。

3 精度影响因素

3.1 温度

不均匀温度场会影响液体密度，从而影响液柱高度，对测量结果有一定影响，需进行修正。解决方法：在每一个测点及基点设温度传感器，实时测量液体温度，根据液体体积（密度）随温度变化规律，统一到同一个温度场，以弥补因温度不同引起的液面高度差。

3.2 大气压力

各测点液面所处位置的大气压强是不相等的；空气在通气孔附近的运动也会引起测量结果不稳定。解决方法：连通空气室并进行封闭。

3.3 渗漏和蒸发

少量的蒸发和渗漏不影响测量结果的正确性，但是要防止大量渗漏造成测筒内液位下降超出测量范围。解决方法：设置传感器报警距离，当传感器测量值大于某一长度时，即需要进行检查，处理渗漏点并添加液体。

3.4 液体振荡

测点若突然下降，会引起连通器液体振荡，其振荡可以简化为一个单摆系统，用一个线性阻尼器进行模拟。不考虑外力输入时，静力平衡条件下液面运动方程如下：

式中：h为液面偏离平面位置的距离，m；β为液面振动阻尼常数；ω0为液面振动固有频率。

根据初始条件即可对方程进行求解，即可得到距离h随时间t变化的解，可以计算重新达到平衡所需要的时间。根据式（5）的解，需要的时间较长，但是由于坝体沉降速度非常缓慢，液面变化非常小，因此可以认为连通器的液位随时处于平衡状态[4]。突然的大幅度沉降引起的大振幅振荡会被激光位移传感器捕捉到而引起报警，这正是安全监测系统所需要的。

4 应用前景

土石坝结构及运行环境非常复杂，有很多不确定因素，凭经验无法准确了解坝体工作状态。坝体受力后所引起的外部变形是了解坝体安全状态的一种方法，对土石坝来说，沉降是需要了解的重要指标之一。激光静力水准系统结构简单、安装方便，实现了自动、实时、高频次监测，可以实时分析沉降速率，替代了人工作业，尤其是在汛期高水位运行时，可及时发现沉降量变化，预测变化趋势，以保证大坝安全运行。