分段真空激光準(zhǔn)直測壩變形系統(tǒng)

王洪洋，李俊富

（1.中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130061；2.水利部寒區(qū)工程技術(shù)研究中心，吉林 長春 130061）

目前，直線壩水平位移觀測方法包括真空激光準(zhǔn)直測壩變形系統(tǒng)、大氣激光準(zhǔn)測壩變形系統(tǒng)、視準(zhǔn)線法、垂線法、引張線法、交會法、極坐標(biāo)法、GNSS系統(tǒng)觀測法等。其中，垂線法、交會法、極坐標(biāo)法、GNSS系統(tǒng)觀測法可以觀測拱壩位移，但交會法、極坐標(biāo)法難以實現(xiàn)自動化；垂線法受布置數(shù)量約束，觀測數(shù)量有限；GNSS系統(tǒng)觀測法受氣候條件影響大，觀測精度低。為了實現(xiàn)拱壩或折線型水工建筑物水平及垂直位移自動監(jiān)測，本文將基于真空激光準(zhǔn)直測壩變形系統(tǒng)的原理對分段真空激光準(zhǔn)直測壩變形系統(tǒng)進(jìn)行研究。

1 激光準(zhǔn)直

激光準(zhǔn)直測量技術(shù)按測量原理可分為激光束準(zhǔn)直和波帶板激光準(zhǔn)直兩類。激光束準(zhǔn)直法通過望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)發(fā)射出激光束，利用激光束的直線性，在需要準(zhǔn)直的觀測點上用光電探測器或接收幕后面的CCD攝像機(jī)接收，利用能量中心法計算出光斑在成像屏上的像素坐標(biāo)，常用于施工機(jī)械導(dǎo)向的自動化和變形觀測。波帶板激光準(zhǔn)直是利用激光的干涉原理，激光只作為點光源，而不作為準(zhǔn)直線，采用三點準(zhǔn)直方法，避免了對激光束高穩(wěn)定性的要求。該系統(tǒng)由激光器點源、波帶板裝置和光電探測器或自動數(shù)碼顯示器三部分組成，主要用于長距離高精度準(zhǔn)直測量，如長距離基準(zhǔn)線測量、直線加速器安裝測量、大壩變形監(jiān)測等。

2 真空激光準(zhǔn)直測壩變形系統(tǒng)

真空激光準(zhǔn)直測壩變形系統(tǒng)技術(shù)已非常成熟，并成功應(yīng)用于國內(nèi)多個大型水利水電工程。但其是準(zhǔn)直系統(tǒng)，只適用于直線型水工建筑物，在拱壩等非直線型水工建筑物中無法應(yīng)用。近年來，國內(nèi)又連續(xù)建成了多個高拱壩，但其觀測方法仍沒有大的革新。為了實現(xiàn)自動監(jiān)測拱壩水平位移，采用激光束準(zhǔn)直、雙小孔激光定位、CCD攝像機(jī)光斑捕捉和能量中心計算等技術(shù)，組成分段真空激光準(zhǔn)直測壩變形系統(tǒng)。該系統(tǒng)由發(fā)射端控制設(shè)備、真空管道、測點控制設(shè)備、接收端控制設(shè)備、真空控制設(shè)備及測控單元等部分組成。

3 分段式真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)

分段真空激光準(zhǔn)直測壩變形系統(tǒng)是根據(jù)水工建筑物的結(jié)構(gòu)形狀將多條真空激光準(zhǔn)直測壩變形系統(tǒng)進(jìn)行分段連接，最終形成一個完整的變形測量系統(tǒng)。每段系統(tǒng)由1個發(fā)射端、1個接收端和激光傳輸管道組成。傳輸管道與測點采用波紋管連接，波紋管的作用是消除溫度引起的伸縮變形，保證測點位移不受傳輸管道約束。發(fā)射端由激光管、雙小孔定位裝置組成；激光管發(fā)出的激光束經(jīng)過雙小孔射向接收端；接收端由接收幕、采集攝像機(jī)組成，接收幕的作用是使發(fā)射端激光管發(fā)出的激光束成像在屏幕上，采集攝像機(jī)的作用是采集屏幕上的像點坐標(biāo)。具體布置是第一段激光發(fā)射端獨立布置在發(fā)射平臺上，第一段激光接收端與第二段激光發(fā)射端布置在同一觀測平臺上，第二段激光接收端與第三段激光發(fā)射端布置在同一觀測平臺上，依此類推，最末段激光接收端獨立布置在接收平臺上。

4 位移計算

試驗共布置3段（4個測點），測點布置信息如圖1所示。假設(shè)1號測點不動，當(dāng)2號測點沿AB線移動到X2i時，在2號測點處測到X1-2i，同時在3號測點處測到X2-3i，則有：X1-2i=X2icos(α1)；X2-3i=X2icos(α2)。

圖1 康卓水庫工程樞紐布置圖

圖1 測點布置圖

規(guī)范SL 601-2013《混凝土壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》中5.1.3項變形監(jiān)測準(zhǔn)確度規(guī)定，拱壩壩體徑向位移量中誤差限制值為±2.0 mm，在±50.0 mm的量程內(nèi)控制誤差在0.5 mm，則50.0 mm/cos（8.08°）=50.5 mm，即α角度控制為8.08°，只要角度小于8°，即可以認(rèn)為X2i≈X1-2i，X2i≈X2-3i。在實際工程中α角遠(yuǎn)小于8°。

5 數(shù)據(jù)精度分析

5.1 精度計算

試驗布置3段（4個測點），在給定某點固定位移值后對該系統(tǒng)所有測點分別觀測4測回，共計16次讀數(shù)，分別計算自由狀態(tài)及不同位移情況的重復(fù)精度。觀測值重復(fù)精度計算公式：

式中：m是重復(fù)觀測精度，mm；Xi—第i次觀測值，mm；是觀測值平均值，mm；△是觀測值與觀測值平均值的差值，mm；n觀測次數(shù)。

此次試驗共進(jìn)行了4組觀測，觀測誤差見表1。

表1 觀測誤差表mm

從表1中可以看出，最大重復(fù)誤差為±0.011 mm。

5.2 誤差計算

通過給定某點水平位移值后，觀測得到的閉合差按照距離進(jìn)行平差后，得到相應(yīng)平臺（測點）的位移值，并計算出位移值中誤差。

閉合差計算：

改正數(shù)計算：

位移值計算：

式中：ω是閉合差，mm；△i是第i次觀測值與初始值之差，mm；Xi——第i次觀測值，mm；X初是觀測值初始值，mm；Si是第i段距離，m；Vi是第i點改正數(shù)，mm；δi是第i點位移值，mm。具體試驗數(shù)據(jù)見表2。

表2 位移試驗誤差表mm

從表2可以看出，通過觀測給定測點不同位移，平差計算得出每次最大位移的誤差值為±0.067 mm。

6 結(jié)論

1）此次試驗觀測值最大重復(fù)誤差為±0.01 mm，說明此次觀測值可信。試驗中位移中誤差最大值為±0.067 mm，是按照距離進(jìn)行平差計算的，現(xiàn)場最長段距離9.33 m。實際工程中拱壩每個壩段長度在20 m左右，按照距離比例進(jìn)行放大，位移中誤差最大值小于±0.2 mm，其觀測精度與真空激光準(zhǔn)直測壩變形系統(tǒng)基本一致。

2）觀測成果通過閉合差計算，按照距離進(jìn)行改正，消除了觀測中系統(tǒng)誤差。

7 結(jié)語

分段真空激光準(zhǔn)直測壩變形系統(tǒng)成功解決了拱壩或折線型水工建筑物水平及垂直位移自動化監(jiān)測的難題，為工程安全監(jiān)測提供了一種自動化監(jiān)測手段，提高了工程安全監(jiān)測的技術(shù)水平。