嚴(yán)寒地區(qū)長距離真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)在壩體變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

美麗古麗·買買提，吳 艷，周富強(qiáng)，朱明遠(yuǎn)

(新疆水利水電科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

大壩的原型觀測(cè)開始于19世紀(jì)末，但真正受到廣泛重視并開始得到較快的發(fā)展還是在1959年法國馬爾巴塞壩(Malpasset)以及1963年意大利瓦意昂(Vajont)壩發(fā)生重大事故之后。法國馬爾巴塞拱壩的失事，給人們重要的教訓(xùn)之一是必須及時(shí)分析觀測(cè)資料。由幾個(gè)世紀(jì)各類壩型的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)可以得出，盡早地對(duì)觀測(cè)資料進(jìn)行處理、分析，對(duì)掌握大壩的性態(tài)、保證大壩安全是至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。

大壩的位移變形是大壩安全監(jiān)測(cè)中主要指標(biāo)之一，主要包括水平和垂直2個(gè)方向位移監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)設(shè)備主要有：正(倒)垂線、引張線、真空激光準(zhǔn)直及靜力水準(zhǔn)等。其中激光準(zhǔn)直的測(cè)量方式主要利用激光方向性好、觀測(cè)精度高，量測(cè)距離長的優(yōu)勢(shì)，在20世紀(jì)80年代初就運(yùn)用于大壩的內(nèi)部變形觀測(cè)。為消減激光在大氣傳播中折射和散射帶來的影響，工程應(yīng)用中一般使激光束在一定真空度的密封真空管道中傳播，通過應(yīng)用真空激光準(zhǔn)直的測(cè)量，綜合誤差可控制在0.3mm/1000m以內(nèi)，在提高精度量測(cè)的同時(shí)也為長距離觀測(cè)提供了保證。

本文通過統(tǒng)計(jì)模型對(duì)壩體絕對(duì)位移進(jìn)行分析，可供相關(guān)研究人員和工程參考。

1 工程設(shè)計(jì)與方法

1.1 真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)及布置方案

以NJG型真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)采用He-Ne激光器，其發(fā)出的激光穿過與大壩待測(cè)變形部位固定連接在一起的波帶板(菲涅爾透鏡)，在接收端的成像屏上形成一個(gè)衍射光斑。利用CCD(電荷耦合元件Charge Coupled Device)坐標(biāo)儀測(cè)出光斑在成像屏上的位移變化，即可求得大壩待測(cè)部位相對(duì)于激光軸線的位移變化。

真空激光準(zhǔn)直監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要有激光點(diǎn)光源、測(cè)點(diǎn)箱、波帶板及可控翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、CCD坐標(biāo)儀、采集及控制系統(tǒng)、真空設(shè)備、激光系統(tǒng)控制單元組成。結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

為了監(jiān)測(cè)混凝土重力壩壩體的平面和垂直方向變形，在SS#～BS#(315.0m)壩段的監(jiān)測(cè)廊道內(nèi)平行壩軸線布設(shè)一條真空激光準(zhǔn)直線以監(jiān)測(cè)壩體頂面變形；在EY～SE(1210.0m)壩段的76.5m高程廊道內(nèi)平行壩軸線布設(shè)一條真空激光準(zhǔn)直線監(jiān)測(cè)壩體內(nèi)部變形。激光軸線高程分別為77和113.85m。各測(cè)點(diǎn)的布置見表1—2。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)安裝與調(diào)試

首先嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)位置完成測(cè)墩土建工作，測(cè)墩與設(shè)計(jì)值的偏差控制在±3 mm以內(nèi)。在支墩底板安裝完畢后，安裝測(cè)點(diǎn)箱，然后將波紋管安裝于每個(gè)測(cè)點(diǎn)箱兩端，測(cè)點(diǎn)間激光管道通過波紋管與測(cè)點(diǎn)箱連接，最后將自動(dòng)觀測(cè)坐標(biāo)儀安裝在激光系統(tǒng)接收端，CCD攝像機(jī)通過75Ω視頻線與工控機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)的傳輸與轉(zhuǎn)換。接收端設(shè)備用不銹鋼保護(hù)箱予以保護(hù)。

表1 76m高程激光準(zhǔn)直測(cè)點(diǎn)布置表

表2 113m高程激光準(zhǔn)直測(cè)點(diǎn)布置表

1.3 定量統(tǒng)計(jì)模型分析

大壩監(jiān)測(cè)數(shù)學(xué)模型可以用于多種目的，例如描述因變量與環(huán)境之間的相關(guān)關(guān)系、對(duì)將來的觀測(cè)值進(jìn)行估計(jì)與預(yù)測(cè)、對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的精度進(jìn)行估計(jì)等。各類監(jiān)控模型的基本假設(shè)是監(jiān)測(cè)量受環(huán)境的影響可分為水位分量、溫度分量及時(shí)效分量3個(gè)獨(dú)立的部分，水位分量、溫度分量為可恢復(fù)部分，時(shí)效分量為不可恢復(fù)部分，是指結(jié)構(gòu)異常因素引起的監(jiān)測(cè)量隨時(shí)間的演變過程。

時(shí)效分量的影響因素相當(dāng)復(fù)雜，由于結(jié)構(gòu)異常因素引起的監(jiān)測(cè)量趨勢(shì)性變化也包括在其中，因此，各類模型的時(shí)效分量成為評(píng)價(jià)大壩安全的主要對(duì)象。按成因通常位移可視為與庫水位、溫度變化以及時(shí)間相關(guān)，即：

δ=δH+δT+δθ

(1)

式中，δH—水位分量；δT—溫度分量；δe—時(shí)效分量，是隨時(shí)間和荷載變化的非線性位移。

水位分量選取水深H冪多項(xiàng)式(i=1～3)，即：

(2)

式中，i—當(dāng)日、前5、10、15、30、60d上游水位的平均值。

溫度分量為：

(3)

式中，T1—壩體溫度；T2～T10—環(huán)境氣溫觀測(cè)前1、3、7、15、30、45、60、90、120d內(nèi)的平均氣溫。

時(shí)效分量采用對(duì)數(shù)函數(shù)和線性函數(shù)疊加的形式：

δθ=c1θ+c2lnθ+c3ln(1+θ)

(4)

式中，θ—從基準(zhǔn)日起累計(jì)天數(shù)除以100。

2 監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

2.1 壩體位移分析結(jié)果

通過真空激光系統(tǒng)從2011—2020年監(jiān)測(cè)取得嚴(yán)寒地區(qū)混凝土重力壩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統(tǒng)各測(cè)點(diǎn)上下游方向位移過程線，如圖2所示。成果表明:各測(cè)點(diǎn)測(cè)值變化同步性較好。高水位運(yùn)行后，各壩段上下游水平位移均受庫水位的影響，并與庫水位正相關(guān)，向下游位移，至目前各測(cè)點(diǎn)的上下游絕對(duì)水平位移量在8.31～12.74mm間，其中EJ、SY、SS、SW、SB壩段位于主河床其上下游水平位移相對(duì)略大，SW壩段水平位移最大，一年中冬季上下游位移最大，夏季上下游位移相對(duì)最小，與溫度負(fù)相關(guān)呈周期并向下游的周期性變化。各測(cè)點(diǎn)上下游方向位移分布示意圖，如圖3所示。

2.1.2垂直位移

76m高程廊道真空激光系統(tǒng)各測(cè)點(diǎn)垂直方向位移過程線，如圖4所示。成果表明:垂直位移與壩體溫度負(fù)相關(guān)，壩體溫度最高時(shí)各測(cè)點(diǎn)的下沉量最小，壩體溫度最低時(shí)下沉量最大，且與環(huán)境溫度存在一定的滯后性，垂直位移量在1.08～4.91mm間，河床EJ壩段垂直位移最大。各測(cè)點(diǎn)垂直位移分布示意圖，如圖5所示。

2.2 大壩位移影響因子分析

根據(jù)2012年4月—2019年初采集的76m高程廊道真空激光準(zhǔn)直數(shù)據(jù)建立統(tǒng)計(jì)模型，主要分析各壩段上下游方向的絕對(duì)位移，回歸、分解成果見表3，如圖6—7所示。

圖2 76m高程廊道真空激光系統(tǒng)各測(cè)點(diǎn)上下游方向位移過程線

圖3 各測(cè)點(diǎn)上下游方向位移分布示意圖

圖4 76m高程廊道真空激光系統(tǒng)各測(cè)點(diǎn)垂直方向位移過程線

圖5 各測(cè)點(diǎn)垂直位移分布示意圖

表3 76m高程廊道真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)各壩段上下游位移分解結(jié)果 單位：mm

圖6 LAY-W(EJ壩段)測(cè)點(diǎn)擬合過程線

圖7 LAY-W(EJ壩段)測(cè)點(diǎn)分解過程線

(1)通過模型得出，模型復(fù)相關(guān)系數(shù)均在0.96以上，標(biāo)準(zhǔn)差占位移變幅比例為3.36%～7.90%，表明上下游方向位移與模型因子的綜合相關(guān)性較好，屬顯著相關(guān)，因子選取合理，結(jié)果可信。

(2)在模型回歸時(shí)間段內(nèi)，水位分量始終是影響壩體位移的主要荷載，與位移正相關(guān)，水位上升，壩體向下游移動(dòng)；水位下降，壩體向上游移動(dòng)；其變幅為4.84～8.30mm，占總變幅的52.52%～64.77%。

(3)溫度分量相較于水位分量對(duì)壩體位移影響較小，變幅為2.51～3.76mm，占總變幅的19.42%～34.49%，與位移負(fù)相關(guān)，溫度上升，壩體向上游移動(dòng)；溫度下降，壩體向下游移動(dòng)，從模型分解過程線可以看出，溫度因子相對(duì)于壩體位移有一定的滯后性，因此觀測(cè)日前平均氣溫入選模型因子較為合理。

(4)時(shí)效位移包括壩體混凝土和基巖的徐變以及壩基的裂隙、節(jié)理和其它軟弱構(gòu)造等在水重作用下發(fā)生的壓縮和塑性變形，其中基巖不可恢復(fù)變形是重要因素，通常在蓄水初期變化急劇，之后隨時(shí)間而漸趨穩(wěn)定，通過模型分解得出壩體上下游位移時(shí)效分量為正值，即向下游變化，但量值較小，在0.72～2.50mm區(qū)間內(nèi)變化，占總變幅的4.84%～20.04%，主河床壩段(EJ、SY壩段)以及左岸斜坡壩段(ES、EW壩段)時(shí)效位移較小，右岸陡坡壩段(SW、SB壩段)因基巖性質(zhì)而變形時(shí)效位移相對(duì)略大，但高水位運(yùn)行后其時(shí)效分量變化率均小于0.2mm/a，表明壩體變形已趨穩(wěn)定。

3 結(jié)論

通過對(duì)真空激光準(zhǔn)直所得水平與垂直位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行定性、定量分析，得出以下結(jié)論。

(1)通過建立統(tǒng)計(jì)模型，得出模型復(fù)相關(guān)系數(shù)均在0.96以上，標(biāo)準(zhǔn)差占位移變幅比例為3.36%～7.90%，表明上下游方向位移與模型因子的綜合相關(guān)性較好，屬顯著相關(guān)，因子選取合理，結(jié)果可信，對(duì)今后同類壩型計(jì)算具有一定的參考價(jià)值。

(2)分解模型效應(yīng)量可知：水位分量是影響大壩上下游位移的主要荷載；溫度分量次之，與位移負(fù)相關(guān)；時(shí)效位移雖然右岸陡坡壩段因基巖性質(zhì)導(dǎo)致該壩段時(shí)效變形略大，但高水位運(yùn)行后其時(shí)效分量變化率均小于0.2mm/a，表明壩體變形已趨穩(wěn)定。

雖然本文建立模型精度基本可滿足計(jì)算要求，但標(biāo)準(zhǔn)差略大，在模型精度上仍有進(jìn)步的空間，因此如何提高模型精度，更準(zhǔn)確地模擬大壩位移變化過程是今后工作研究的重點(diǎn)。