严寒地区长距离真空激光准直系统在坝体变形监测中的应用研究

美丽古丽·买买提，吴 艳，周富强，朱明远

(新疆水利水电科学研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

大坝的原型观测开始于19世纪末，但真正受到广泛重视并开始得到较快的发展还是在1959年法国马尔巴塞坝(Malpasset)以及1963年意大利瓦意昂(Vajont)坝发生重大事故之后。法国马尔巴塞拱坝的失事，给人们重要的教训之一是必须及时分析观测资料。由几个世纪各类坝型的经验教训可以得出，尽早地对观测资料进行处理、分析，对掌握大坝的性态、保证大坝安全是至关重要的一个环节。

大坝的位移变形是大坝安全监测中主要指标之一，主要包括水平和垂直2个方向位移监测，监测设备主要有：正(倒)垂线、引张线、真空激光准直及静力水准等。其中激光准直的测量方式主要利用激光方向性好、观测精度高，量测距离长的优势，在20世纪80年代初就运用于大坝的内部变形观测。为消减激光在大气传播中折射和散射带来的影响，工程应用中一般使激光束在一定真空度的密封真空管道中传播，通过应用真空激光准直的测量，综合误差可控制在0.3mm/1000m以内，在提高精度量测的同时也为长距离观测提供了保证。

本文通过统计模型对坝体绝对位移进行分析，可供相关研究人员和工程参考。

1 工程设计与方法

1.1 真空激光准直系统及布置方案

以NJG型真空激光准直系统为例，该系统采用He-Ne激光器，其发出的激光穿过与大坝待测变形部位固定连接在一起的波带板(菲涅尔透镜)，在接收端的成像屏上形成一个衍射光斑。利用CCD(电荷耦合元件Charge Coupled Device)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。

真空激光准直监测系统主要有激光点光源、测点箱、波带板及可控翻转机构、CCD坐标仪、采集及控制系统、真空设备、激光系统控制单元组成。结构示意图如图1所示。

为了监测混凝土重力坝坝体的平面和垂直方向变形，在SS#～BS#(315.0m)坝段的监测廊道内平行坝轴线布设一条真空激光准直线以监测坝体顶面变形；在EY～SE(1210.0m)坝段的76.5m高程廊道内平行坝轴线布设一条真空激光准直线监测坝体内部变形。激光轴线高程分别为77和113.85m。各测点的布置见表1—2。

1.2 现场安装与调试

首先严格按照设计位置完成测墩土建工作，测墩与设计值的偏差控制在±3 mm以内。在支墩底板安装完毕后，安装测点箱，然后将波纹管安装于每个测点箱两端，测点间激光管道通过波纹管与测点箱连接，最后将自动观测坐标仪安装在激光系统接收端，CCD摄像机通过75Ω视频线与工控机相连，实现视频信号的传输与转换。接收端设备用不锈钢保护箱予以保护。

表1 76m高程激光准直测点布置表

表2 113m高程激光准直测点布置表

1.3 定量统计模型分析

大坝监测数学模型可以用于多种目的，例如描述因变量与环境之间的相关关系、对将来的观测值进行估计与预测、对观测数据的精度进行估计等。各类监控模型的基本假设是监测量受环境的影响可分为水位分量、温度分量及时效分量3个独立的部分，水位分量、温度分量为可恢复部分，时效分量为不可恢复部分，是指结构异常因素引起的监测量随时间的演变过程。

时效分量的影响因素相当复杂，由于结构异常因素引起的监测量趋势性变化也包括在其中，因此，各类模型的时效分量成为评价大坝安全的主要对象。按成因通常位移可视为与库水位、温度变化以及时间相关，即：

δ=δH+δT+δθ

(1)

式中，δH—水位分量；δT—温度分量；δe—时效分量，是随时间和荷载变化的非线性位移。

水位分量选取水深H幂多项式(i=1～3)，即：

(2)

式中，i—当日、前5、10、15、30、60d上游水位的平均值。

温度分量为：

(3)

式中，T1—坝体温度；T2～T10—环境气温观测前1、3、7、15、30、45、60、90、120d内的平均气温。

时效分量采用对数函数和线性函数叠加的形式：

δθ=c1θ+c2lnθ+c3ln(1+θ)

(4)

式中，θ—从基准日起累计天数除以100。

2 监测结果与分析

2.1 坝体位移分析结果

通过真空激光系统从2011—2020年监测取得严寒地区混凝土重力坝的垂直和上下游位移值。

2.1.1水平位移

76m高程廊道真空激光系统各测点上下游方向位移过程线，如图2所示。成果表明:各测点测值变化同步性较好。高水位运行后，各坝段上下游水平位移均受库水位的影响，并与库水位正相关，向下游位移，至目前各测点的上下游绝对水平位移量在8.31～12.74mm间，其中EJ、SY、SS、SW、SB坝段位于主河床其上下游水平位移相对略大，SW坝段水平位移最大，一年中冬季上下游位移最大，夏季上下游位移相对最小，与温度负相关呈周期并向下游的周期性变化。各测点上下游方向位移分布示意图，如图3所示。

2.1.2垂直位移

76m高程廊道真空激光系统各测点垂直方向位移过程线，如图4所示。成果表明:垂直位移与坝体温度负相关，坝体温度最高时各测点的下沉量最小，坝体温度最低时下沉量最大，且与环境温度存在一定的滞后性，垂直位移量在1.08～4.91mm间，河床EJ坝段垂直位移最大。各测点垂直位移分布示意图，如图5所示。

2.2 大坝位移影响因子分析

根据2012年4月—2019年初采集的76m高程廊道真空激光准直数据建立统计模型，主要分析各坝段上下游方向的绝对位移，回归、分解成果见表3，如图6—7所示。

图2 76m高程廊道真空激光系统各测点上下游方向位移过程线

图3 各测点上下游方向位移分布示意图

图4 76m高程廊道真空激光系统各测点垂直方向位移过程线

图5 各测点垂直位移分布示意图

表3 76m高程廊道真空激光准直系统各坝段上下游位移分解结果 单位：mm

图6 LAY-W(EJ坝段)测点拟合过程线

图7 LAY-W(EJ坝段)测点分解过程线

(1)通过模型得出，模型复相关系数均在0.96以上，标准差占位移变幅比例为3.36%～7.90%，表明上下游方向位移与模型因子的综合相关性较好，属显著相关，因子选取合理，结果可信。

(2)在模型回归时间段内，水位分量始终是影响坝体位移的主要荷载，与位移正相关，水位上升，坝体向下游移动；水位下降，坝体向上游移动；其变幅为4.84～8.30mm，占总变幅的52.52%～64.77%。

(3)温度分量相较于水位分量对坝体位移影响较小，变幅为2.51～3.76mm，占总变幅的19.42%～34.49%，与位移负相关，温度上升，坝体向上游移动；温度下降，坝体向下游移动，从模型分解过程线可以看出，温度因子相对于坝体位移有一定的滞后性，因此观测日前平均气温入选模型因子较为合理。

(4)时效位移包括坝体混凝土和基岩的徐变以及坝基的裂隙、节理和其它软弱构造等在水重作用下发生的压缩和塑性变形，其中基岩不可恢复变形是重要因素，通常在蓄水初期变化急剧，之后随时间而渐趋稳定，通过模型分解得出坝体上下游位移时效分量为正值，即向下游变化，但量值较小，在0.72～2.50mm区间内变化，占总变幅的4.84%～20.04%，主河床坝段(EJ、SY坝段)以及左岸斜坡坝段(ES、EW坝段)时效位移较小，右岸陡坡坝段(SW、SB坝段)因基岩性质而变形时效位移相对略大，但高水位运行后其时效分量变化率均小于0.2mm/a，表明坝体变形已趋稳定。

3 结论

通过对真空激光准直所得水平与垂直位移监测数据进行定性、定量分析，得出以下结论。

(1)通过建立统计模型，得出模型复相关系数均在0.96以上，标准差占位移变幅比例为3.36%～7.90%，表明上下游方向位移与模型因子的综合相关性较好，属显著相关，因子选取合理，结果可信，对今后同类坝型计算具有一定的参考价值。

(2)分解模型效应量可知：水位分量是影响大坝上下游位移的主要荷载；温度分量次之，与位移负相关；时效位移虽然右岸陡坡坝段因基岩性质导致该坝段时效变形略大，但高水位运行后其时效分量变化率均小于0.2mm/a，表明坝体变形已趋稳定。

虽然本文建立模型精度基本可满足计算要求，但标准差略大，在模型精度上仍有进步的空间，因此如何提高模型精度，更准确地模拟大坝位移变化过程是今后工作研究的重点。