真空激光准直拱坝变形监测设计研究

2021-10-22田国民田宇东

水利技术监督 2021年9期

田国民，田宇东

(中国水电顾问集团桃源水电厂，湖南桃源 415700)

某水电站拦河大坝为混凝土重力拱坝，坝顶水平位移采用视准线观测法，垂直于河流布置，视准线工作基点布置在两岸坝肩，利用经纬仪和活动觇牌进行观测。坝顶视准线除布置在拱冠梁处的测点以外，其它各测点均不能准确进行径向变形监测，视准线工作基点稳定性相对较差，无对其稳定性进行校核的技术手段，观测精度难以满足规范要求，拟进行技术改造。

1 工程概况

某水电站大坝坝顶高程765.0m，最大坝高165.0m，坝顶弧长394.6m，大坝最大底宽119.5m，自右向左共分17个坝块，最大坝宽23m。

2 技术方案设计

2.1 方案设计

鉴于坝顶变形监测的现状，拟对坝顶变形监测进行技术改造，经过方案的研究比较，取消坝顶视准线，在坝顶或高程726m廊道内安装真空激光准直拱坝变形监测系统，其水平位移工作基点设在左、右岸灌浆廊道内，并利用④、⑧和坝段的垂线组进行校验，构成串接式激光准直+垂线的水平位移监测系统，实现自动化观测。

激光准直拱坝变形监测系统由一个“激光发射器”和一个“激光接收器”组成，将其首、尾相连安装在真空(或密封有惰性气体)的管道内，构成真空激光准直(或激光准直微压差)拱坝变形监测系统。真空激光准直系统具有分段折线(平折或竖折)布置的优点，可以安装在弯曲廊道和高低连续廊道内，特别适合于本工程大坝的具体情况，可完成拱坝径向和竖向的变形监测。

2.2 系统布置设计

根据本工程大坝的结构特点，坝顶水平位移监测项目宜设置在坝顶或坝顶部位的廊道内，因此可选择将该真空激光准直系统安装布设在坝顶或高程726m廊道内，但若在坝顶布置需将激光准直装置和密封管道安装在地面，影响坝顶美观和交通，因此，宜将该系统安装在高程726m廊道内。

2.3 监测基准设计

真空激光准直变形监测系统在进行水平位移监测时，需要为该系统建立平面工作基准。根据本工程垂线系统的布置情况，可以④坝段和坝段的垂线系统为工作基准，实现双基准闭合监测和误差修正。为了进一步提高可靠性和观测精度，将左、右岸端点分别向两岸灌浆洞延伸的办法建立平面工作基准，也可实现双基准闭合监测和误差修正。

3 技术方案可靠性分析

3.1 系统可靠性分析

真空激光准直拱坝变形监测系统是以激光准直装置为一个测量单元，首尾相互串接形成，可方便的实现平面折线、竖向折线和高差衔接的测量传递布置。真空激光准直系统的发射装置和接收装置均布设在真空管道内，封闭运行，具有不受大气湍流、温度梯度等气候因素影响的优点，其精度能够达到1×10-7～2×10-7的高精度标准，最大限度地克服了自然条件和人为环境的影响。因此，高精度、高稳定性的真空激光准直拱坝变形监测系统，加上可靠的工作基准，确保了坝体水平位移变形监测的可靠性。

3.2 系统准确性分析

将真空激光准直拱坝变形监测系统的两端不动点上，为真空激光准直拱坝变形监测系统提供了可靠的平面工作基准。同时布置于④、⑧和坝段的垂线系统通过技术改造也能为激光准直拱坝变形监测系统提供平面工作基准。

从整体来看，实际上该真空激光准直拱坝变形监测系统具有5个平面工作基准，可进行多重闭合监测，可相互检验、校核和误差修正，大大提高了系统的监测精度以及各个工作基准的准确性。

3.3 系统精度分析

根据相关资料可知，当真空激光准直系统的准直线长为1000m时，其折光差限制为±0.1mm。真空激光准直拱坝变形监测系统由多套激光准直装置首尾串接组成，每套激光准直装置的折光差限制为±0.1mm，因此，位于拱冠⑧坝段折光差为前面各个坝段激光准直装置的折光差累计值，即⑧坝段水平位移最大折光差为±0.8mm。

由DL/T 5178—2016《混凝土坝安全监测技术规范》可知，重力坝坝体水平位移中误差限值为±1.0mm，拱坝坝体径向水平位移中误差限值为±2.0mm。由于⑧坝段水平位移折光差均大于其它坝段(越靠近拱冠折光差越大)，且满足规范要求，因此，本系统的监测精度满足规范要求。

4 技术方案敏感性分析

根据某水电站大坝三维有限元坝体应力分析报告，坝体应力平面有限元计算成果出坝体水平位移沿坝高程向变化呈线性变化或者略高于线性变化，位移曲线光滑、连续。坝体水平位移的径向位移是最主要的位移，坝体水平位移最大值发生在⑧坝段上游面顶部高程765m，最大位移为24.4mm。

根据⑧坝段坝体水平位移分布图，采用插值法计算出高程726m廊道水平位移，其敏感系数为0.811。根据计算结果采用插值法计算出各个坝段高程726m水平位移，最后计算得到各个坝段高程726m水平位移敏感系数为0.8左右。

改造方案的监测敏感系数是监测部位的计算值与坝顶计算值的比值，小于1.0。反映了监测部位的水平位移量测值与坝顶水平位移量的关系，敏感系数越大，说明监测部位的水平位移量测值越接近坝顶水平位移量，因素的敏感性越高。因此，通过对各个坝段的敏感系数计算可知，布置在高程726m廊道内的激光准直监测系统，能够监测到整个大坝坝顶水平位移量的80%，基本能够敏感地反映出大坝坝顶的水平位移变化情况。

5 技术方案计算方法

5.1 技术方案基准选取

5.2 坝顶水平位移推算

真空激光准直+垂线监测系统不仅能够测得坝顶3个典型部位的水平位移，而且还能根据监测成果推算出各坝段坝顶水平位移，其不同方法间可以相互检验、校核和误差修正，以得到每个坝段更为准确的坝顶水平位移。具体计算方法如下：

(1)根据坝体应力平面有限元计算成果，重力拱坝在空间变形大体以⑧坝段为对称面，呈数值差别不大的几何对称分布。由于布置于④、⑧和坝段3套垂线系统能够测出坝顶765m 3个典型部位的绝对水平位移，因此，坝顶高程765m各个坝段的水平位移可以利用这3个典型部位的绝对水平位移进行插值求得。

(2)根据坝体应力平面有限元计算结果求出各个坝段高程726m廊道水平位移敏感系数，然后根据激光准直监测系统各个坝段水平位移测值，除以相应敏感系数求得各个坝段坝顶的水平位移。

5.3 坝顶水平位移误差分析

尽管可以利用多种方法推算出对应坝段坝顶的水平位移，且可以将多种方法的计算值进行检验、校核和误差修正，但是计算值与真值之间还是存在偏差。当计算值与真值的差值在误差允许的范围内，则认为计算值有效，反之则无效，因此通过计算分析计算值与真值的差值来判断计算值是否有效、可靠的工作至关重要。

根据某水电站大坝三维有限元坝体应力分析报告计算成果图进行坝顶水平位移的误差分析，具体方法如下：

(1)规定有限元计算成果为真值，即假设有限元计算值为实测值；

(2)根据某水电站坝体应力平面有限元计算成果图可直接得到各个坝段坝顶的径向水平位移值，即真值y；

以下选择坝顶水平位移变化相对较大的⑦、⑧和⑨坝段进行坝顶水平位移误差分析计算，成果详见表1。

表1 误差计算分析成果表

根据坝体应力平面有限元计算成果图查得⑦、⑧和⑨坝段坝顶水平位移真值分别为21.5、24.4和18.4mm；根据坝体应力平面有限元计算成果图和插值计算求出高程726m廊道水平位移值，然后利用敏感系数计算出相应坝段坝顶的水平位移值分别为21.40、24.55和18.37mm，即得坝顶水平位移计算值。⑦、⑧和⑨坝段坝顶水平位移计算值和真值的差值分别为0.10、0.15和0.03mm。

根据计算结果可知，⑦、⑧和⑨坝段坝顶水平位移计算值和真值的差值较小，说明采用坝顶水平位移监测改造方案计算坝顶径向水平位移产生的误差很小，最大约为0.61%。以最大变位的⑧坝段为例，其坝顶径向水平位移计算误差+系统精度限差仍小于1mm，未超过要求，即差值在误差允许的范围内，其计算值是有效的。