分段真空激光準(zhǔn)直測(cè)壩變形系統(tǒng)

王洪洋，李俊富

（1.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)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(cè)方法包括真空激光準(zhǔn)直測(cè)壩變形系統(tǒng)、大氣激光準(zhǔn)測(cè)壩變形系統(tǒng)、視準(zhǔn)線法、垂線法、引張線法、交會(huì)法、極坐標(biāo)法、GNSS系統(tǒng)觀測(cè)法等。其中，垂線法、交會(huì)法、極坐標(biāo)法、GNSS系統(tǒng)觀測(cè)法可以觀測(cè)拱壩位移，但交會(huì)法、極坐標(biāo)法難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；垂線法受布置數(shù)量約束，觀測(cè)數(shù)量有限；GNSS系統(tǒng)觀測(cè)法受氣候條件影響大，觀測(cè)精度低。為了實(shí)現(xiàn)拱壩或折線型水工建筑物水平及垂直位移自動(dòng)監(jiān)測(cè)，本文將基于真空激光準(zhǔn)直測(cè)壩變形系統(tǒng)的原理對(duì)分段真空激光準(zhǔn)直測(cè)壩變形系統(tǒng)進(jìn)行研究。

1 激光準(zhǔn)直

激光準(zhǔn)直測(cè)量技術(shù)按測(cè)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(cè)點(diǎn)上用光電探測(cè)器或接收幕后面的CCD攝像機(jī)接收，利用能量中心法計(jì)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(dòng)化和變形觀測(cè)。波帶板激光準(zhǔn)直是利用激光的干涉原理，激光只作為點(diǎn)光源，而不作為準(zhǔn)直線，采用三點(diǎn)準(zhǔn)直方法，避免了對(duì)激光束高穩(wěn)定性的要求。該系統(tǒng)由激光器點(diǎn)源、波帶板裝置和光電探測(cè)器或自動(dòng)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(cè)量，如長距離基準(zhǔn)線測(cè)量、直線加速器安裝測(cè)量、大壩變形監(jiān)測(cè)等。

2 真空激光準(zhǔn)直測(cè)壩變形系統(tǒng)

真空激光準(zhǔn)直測(cè)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(gè)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(gè)高拱壩，但其觀測(cè)方法仍沒有大的革新。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)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(jì)算等技術(shù)，組成分段真空激光準(zhǔn)直測(cè)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(cè)點(diǎn)控制設(shè)備、接收端控制設(shè)備、真空控制設(shè)備及測(cè)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(cè)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(cè)壩變形系統(tǒng)進(jìn)行分段連接，最終形成一個(gè)完整的變形測(cè)量系統(tǒng)。每段系統(tǒng)由1個(gè)發(fā)射端、1個(gè)接收端和激光傳輸管道組成。傳輸管道與測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)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(diǎn)坐標(biāo)。具體布置是第一段激光發(fā)射端獨(dú)立布置在發(fā)射平臺(tái)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(cè)平臺(tái)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(cè)平臺(tái)上，依此類推，最末段激光接收端獨(dú)立布置在接收平臺(tái)上。

4 位移計(jì)算

試驗(yàn)共布置3段（4個(gè)測(cè)點(diǎn)），測(cè)點(diǎn)布置信息如圖1所示。假設(shè)1號(hào)測(cè)點(diǎn)不動(dòng)，當(dāng)2號(hào)測(cè)點(diǎn)沿AB線移動(dòng)到X2i時(shí)，在2號(hào)測(cè)點(diǎn)處測(cè)到X1-2i，同時(shí)在3號(hào)測(cè)點(diǎn)處測(cè)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(cè)點(diǎn)布置圖

規(guī)范SL 601-2013《混凝土壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》中5.1.3項(xiàng)變形監(jiān)測(cè)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(shí)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(jì)算

試驗(yàn)布置3段（4個(gè)測(cè)點(diǎn)），在給定某點(diǎn)固定位移值后對(duì)該系統(tǒng)所有測(cè)點(diǎn)分別觀測(cè)4測(cè)回，共計(jì)16次讀數(shù)，分別計(jì)算自由狀態(tài)及不同位移情況的重復(fù)精度。觀測(cè)值重復(fù)精度計(jì)算公式：

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

此次試驗(yàn)共進(jìn)行了4組觀測(cè)，觀測(cè)誤差見表1。

表1 觀測(cè)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(jì)算

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

閉合差計(jì)算：

改正數(shù)計(jì)算：

位移值計(jì)算：

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

表2 位移試驗(yàn)誤差表mm

從表2可以看出，通過觀測(cè)給定測(cè)點(diǎn)不同位移，平差計(jì)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(yàn)觀測(cè)值最大重復(fù)誤差為±0.01 mm，說明此次觀測(cè)值可信。試驗(yàn)中位移中誤差最大值為±0.067 mm，是按照距離進(jìn)行平差計(jì)算的，現(xiàn)場(chǎng)最長段距離9.33 m。實(shí)際工程中拱壩每個(gè)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(cè)精度與真空激光準(zhǔn)直測(cè)壩變形系統(tǒng)基本一致。

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

7 結(jié)語

分段真空激光準(zhǔn)直測(cè)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(dòng)化監(jiān)測(cè)的難題，為工程安全監(jiān)測(cè)提供了一種自動(dòng)化監(jiān)測(cè)手段，提高了工程安全監(jiān)測(cè)的技術(shù)水平。