NJG型真空激光准直系统在潘家口水库大坝的应用

李海星，韩 勇，刘海君

（海河水利委员会引滦工程管理局，天津 300308）

大坝作为一种特殊的建筑物，其安全监测十分重要。变形监测是大坝结构性态的最直接反映，由此可见大坝的变形监测系统的重要性。水平位移监测和垂直位移监测是大坝变形监测的主要项目，目前常见的水平位移监测方法有NJG型真空激光准直系统监测、引张线监测、垂线监测、视准线监测，常见的垂直位移监测方法有NJG型真空激光准直系统监测、静力水准监测、双金属管监测。NJG 型真空激光准直系统是一种目前应用较为广泛的监测系统，是一项先进成熟的变形监测方法。

1 潘家口水库大坝NJG型真空激光准直系统简介

潘家口水库主坝为混凝土低宽缝重力坝，最大坝高107.5 m，坝顶长1 039.11 m，共有56 个坝段，自左至右分别为左岸挡水坝段、左溢流坝段、泄洪底孔坝段、右溢流坝段、电站坝段、右岸挡水坝段。

NJG 型真空激光准直系统是南京南瑞集团公司的研发成果，该位移监测系统主要由NJG 型真空激光准直位移测量装置和配套的软件平台组成。潘家口水库大坝NJG 型真空激光准直系统共布置3 套，分别设置在坝顶、202 廊道及154 廊道，共计71 个测点。NJG 型真空激光准直系统于2015 年7 月开始施工，2017 年3 月调试完成并取得数据。

1.1 系统优点

NJG 型真空激光准直系统为潘家口主坝变形监测系统中的一种。根据工程实际应用效果可知，NJG型真空激光准直系统具有明显的优越性。

（1）NJG 型真空激光准直系统是一种同时监测大坝水平和垂直位移的自动监测系统。其他监测系统基本只能实现对单个位移的自动监测，需要多台仪器设备才能完成NJG 真空激光准直系统的工作。就实际情况而言，NJG 真空激光准直系统相较于其他监测系统有明显优势。

（2）NJG型真空激光准直系统由于采用真空管道，避免了大气的干扰，可以有效解决长距离建筑物的位移监测，其观测精度受环境影响较小，长期工作稳定可靠，测量精度达到0.5×10-6L（L为激光准直的长度）以上。若采用常见的引张线监测，由于线体的长度过长，在重力的干扰下，监测数据将不可避免地出现误差，影响实际结果；采用静力水准监测，静力水准系统的管道长度不能过长，否则液体的流通性、观测灵敏度都将受到影响；采用视准线方法测量，随着距离的增加，受大气干扰的影响增大，观测精度随之下降。

（3）NJG 型真空激光准直系统数据采集速度快，可长期连续稳定监测，监测资料完整，工作可靠，较其他系统监测数据的有效性更高。

（4）监测设施在大坝布置的环境一般湿度大、温差大，对于监测设备有更严格的要求，NJG 型真空激光准直系统能够适应恶劣的工作环境。

1.2 系统工作原理

NJG 型真空激光准直系统是以一束激光准直光束为基准，通过测点的位移变化，来确定大坝变形情况的监测设备。

系统通过真空泵人为创造真空环境，使得真空管道内的激光束排除了大气折光可能产生的漂移、抖动和偏折情况，其测量精度可达0.5×10-6L（L为激光准直的长度）以上，具有稳定并可长期工作的特点。

系统测量沿准直线各测点位移的原理类似于引张线准直系统。系统发射端采用He-Ne 激光器，首先其发射激光束穿过坝内测点部位的波带板，在接收端的成像屏上形成衍射光斑；之后，当测点波带板与坝顶测点发生水平或垂直位移时，利用CCD 坐标仪测量成像屏上光斑的位移。根据三点准直法，得出测点位移变化，如图1所示。

图1 波带板准直原理

其计算公式如下：

式中：X相为大坝测点位移值（mm）；X测为接收端的测点位移观测值（mm）；Ln为发射端至测点波带板的距离（m）；L为发射端至接收端的距离（m）。

1.3 系统布置

潘家口水库大坝NJG型真空激光准直系统组成部分，如图2 所示。系统主要分为5 个部分，即激光发射端、激光接收端、监控数据采集与管理系统、真空泵与测点。监控数据采集与管理系统设在坝顶右坝头管理楼内。激光发射端与激光接收端都处于保护罩内部，防止外界干扰并保护设备。各测点都修建水泥墩用于支撑，并建造测点箱来保护设备。系统的真空泵属于大功率设备，一般采用三相电供电，独立的供电系统有助于提高系统的稳定性与安全性，在坝顶18#坝段、202 廊道、154 廊道分别设置永久取电点，以便给系统独立供电。

图2 NJG型真空激光准直系统组成

NJG 型真空激光准直系统测点统计，详见表1，共计71个测点。

表1 NJG型真空激光准直系统测点统计

2 NJG型真空激光准直系统观测资料分析

NJG 型真空激光准直系统在潘家口水库大坝共布置3套，分别位于坝顶、202廊道、154廊道，可同时测量水平位移与垂直位移。系统产生观测数据较多，为便于分析研究，选取溢流坝段和底孔坝段的典型测点JGS24-1、JGS31-1、JGS44-1 2019 年5 月—2021 年7 月之间的水平位移与垂直位移观测数据，通过统计系统的缺失率与平均无故障工作时间，确定系统的可靠性与实际运行情况。

2.1 水平位移分析

图3为环境量过程线，通过对环境量的分析，可以看出上游水位与下游水位变化较小，考虑到潘家口地区温度变化为年周期变化，由此得出结论，潘家口水库大坝水平位移与垂直位移受水位影响较小，主要随温度变化而变化，水平位移过程线如图4所示。

图3 环境量过程线

图4 水平位移过程线

由图4 可以看出：①各测点测值基本无突变和故障，数据连续稳定，变化规律有同步性；②冬春季水平位移增大，说明位移变化趋势为往下游变化；夏秋季水平位移减小，说明位移变化趋势为往上游变化；③水平位移和气温变化基本呈负相关变化。

2.2 垂直位移分析

垂直位移主要随温度变化而变化，垂直位移过程线如图5所示。

图5 垂直位移过程线

由图5可以看出：①各测点测值基本无突变和故障，数据连续稳定，变化规律有同步性；②受外界温度影响，冬季下沉，夏季上抬，每年的冬季测值较大，夏季测值较小；③水平位移和气温变化基本呈负相关变化。

整体来看，系统观测数据符合大坝变形规律，连续性好，呈曲线，基本无突变和故障现象。

2.3 系统可靠性分析

系统可靠性一般是指在规定的时间内和规定的工况下，完成规定功能的能力/概率。本次系统可靠性分析主要以平均无故障工作时间和数据缺失率来进行判断。

平均无故障工作时间是指可修复产品在相邻两次故障之间工作时间的数学期望值，即在每两次相邻故障之间的工作时间的平均值，它相当于产品的工作时间与这段时间内产品故障数之比，即：

式中：ti为考核期内第i个单元的正常工作时数（h）；ri为第i个单元出现的故障次数；n为系统内数据采集单元总数。

数据缺失率是指未能测得的有效数据个数与应测得的数据个数的百分比，即：

式中：W为数据缺失率；n为应测数据个数；ρ为未采集到的数据个数。

由于系统产生的自动化数据较多，本文仅统计2020年的数据，统计结果详见表2。

表2 NJG型真空激光准直系统数据缺失统计

将n=21×366=7 686、ρ=210 代入式（1）和式（2），经计算得到，MTBF=7 176 h>6 300 h，W=2.75%。

由上可知，系统自动化数据缺失率为2.75%、小于3%，平均无故障时间为7 176 h、大于6 300 h，均符合规范要求。

3 结论

截止目前，潘家口水库大坝的NJG 型真空激光准直系统运行平稳，安全可靠。系统不同监测点的位移分布合理、数据协调，与环境变化量的变化相适应，表明系统的观测精度高。系统水平位移和垂直位移观测数据符合大坝变形监测规律且稳定连续，平均故障间隔时间和自动数据丢失率均符合规范要求，说明系统在潘家口水库大坝的成功应用，同时为系统在类似工程上的推广应用积累了经验。