觀音閣水庫(kù)應(yīng)用真空激光準(zhǔn)直監(jiān)測(cè)壩基位移

馬廣明，張亞迅，胡 鑫

（1.遼寧省觀音閣水庫(kù)管理局，遼寧本溪 117110；2.南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局河北直管項(xiàng)目建設(shè)管理部，河北 石家莊 050035）

1 工程概況

觀音閣水庫(kù)位于太子河干流上，距本溪市40 km，控制流域面積2795 km2，總庫(kù)容21.68億m3，是以城市供水和防洪為主，兼顧灌溉、發(fā)電和養(yǎng)魚(yú)的大（Ⅰ）型水利樞紐工程。攔河壩為碾壓混凝土重力壩，壩長(zhǎng)1040 m，最大壩高82 m，總裝機(jī)2.075萬(wàn)kW。工程1990年5月開(kāi)工，1995年9月主體工程竣工。水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)1990年開(kāi)始建設(shè)，選用了當(dāng)時(shí)較為先進(jìn)的集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。1996年6月監(jiān)測(cè)工程完成，歷時(shí)6年。由于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)從設(shè)計(jì)、研制、生產(chǎn)、再到安裝和投入運(yùn)行的時(shí)間跨度較大，加上系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性差，及設(shè)備老化、監(jiān)測(cè)環(huán)境惡劣等諸多因素，至2003年5月，系統(tǒng)全部停止了自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，僅外觀變形和滲流項(xiàng)目維持人工監(jiān)測(cè)。為了提高工程管理水平，提高監(jiān)測(cè)精度，確保大壩安全，觀音閣水庫(kù)于2008—2010年實(shí)施了大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改造工程。其中底層廊道位移監(jiān)測(cè)設(shè)備，由中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司生產(chǎn)的XMT60X型真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)，代替了原來(lái)的電容式單向引張線儀。

2 改造前底層廊道觀測(cè)情況

觀音閣水庫(kù)底層廊道，指5～42號(hào)壩段的灌漿廊道，底板高程190.0 m，廊道為城門(mén)洞型，斷面尺寸 3（4）×3.5 m（寬×高），總長(zhǎng) 608 m。廊道內(nèi)環(huán)境潮濕，每年3—12月份濕度接近70%，7—9月汛期時(shí)更甚，洞壁及頂拱間有溶蝕物垂掛和水珠滴滲，溫度常年小于10℃。1組（3條）引張線在距廊道上游壁30 cm處布設(shè)，總長(zhǎng)度587.5 m，線體為d1.0 mm不銹鋼絲，保護(hù)管為D1l0 mm PVC管，34個(gè)測(cè)點(diǎn)上安裝了RY—20型單向引張線儀設(shè)備。水平位移以布設(shè)于5號(hào)、15號(hào)、28號(hào)、42號(hào)壩段的倒垂線為基準(zhǔn)，自動(dòng)觀測(cè)。另在每個(gè)測(cè)點(diǎn)墩頂面布設(shè)鋼標(biāo)點(diǎn)，人工進(jìn)行垂直位移觀測(cè)。引張線系統(tǒng)2000年初徹底癱瘓，停止自動(dòng)化數(shù)據(jù)的采集。

3 選擇真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)的理由

DL/T5178-2003《混凝土壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》之7.2.1推薦：“重力壩壩體和壩基位移宜采用引張線法、真空激光準(zhǔn)直法和垂線法監(jiān)測(cè)”，基于觀音閣水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改造工程的目的和客觀條件，經(jīng)過(guò)分析認(rèn)為：

1）大壩的變化是屬于毫米級(jí)，理想的觀測(cè)方法應(yīng)該滿足及時(shí)、迅速、準(zhǔn)確和長(zhǎng)期穩(wěn)定的要求。引張線和靜力水準(zhǔn)觀測(cè)能夠滿足上述要求，但監(jiān)測(cè)大壩變形時(shí)受外界干擾較大，且不能同時(shí)觀測(cè)水平位移和垂直位移，難以實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化。此外，引張線需要定期檢查線體及補(bǔ)充浮液，靜力水準(zhǔn)需要定期補(bǔ)充工作液，“自動(dòng)化”程度受限制，運(yùn)行使用時(shí)維護(hù)工作量大。

2）真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)的各個(gè)測(cè)點(diǎn)，設(shè)備均布設(shè)在真空管道內(nèi)，不受外界溫度、濕度等環(huán)境條件的影響，觀測(cè)精度大為提高。相對(duì)精度達(dá)10-7，可同時(shí)測(cè)得大壩的水平位移和垂直位移，從本質(zhì)上減少了觀測(cè)人員的日常觀測(cè)工作量。真空激光準(zhǔn)直可進(jìn)行3D測(cè)量，能在惡劣環(huán)境下工作，滿足了大壩變形監(jiān)測(cè)及時(shí)、迅速、準(zhǔn)確的要求。

3）不可否認(rèn)，底層廊道的不良環(huán)境，可能影響真空激光準(zhǔn)直這一精密設(shè)備的運(yùn)行，但專(zhuān)家多方論證和認(rèn)真分析后得出結(jié)論：“封閉在真空環(huán)境中激光設(shè)備本身就是一個(gè)干燥裝置，適合于潮濕環(huán)境”，況且真空激光準(zhǔn)直已在北方的豐滿、太平哨、白石等多個(gè)工程上被證明應(yīng)用效果良好，技術(shù)成熟。

4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

觀音閣水庫(kù)壩基真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)按著所在部位，分成三個(gè)部分：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（底層廊道）、采集工作站（電場(chǎng)二樓分控中心）、遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)（管理局監(jiān)控中心），系統(tǒng)水平位移的監(jiān)測(cè)和校核基準(zhǔn)，利用5號(hào)和42號(hào)壩段原有的1號(hào)、4號(hào)倒垂線，另在5號(hào) 和42號(hào)壩段（即發(fā)射端和接收端）新建雙金屬標(biāo)，作為垂直位移的監(jiān)測(cè)和校核基準(zhǔn)，其鋼、鋁管深入基巖30 m。真空測(cè)控裝置位于密封的17號(hào)壩段的灌漿機(jī)室內(nèi)，安裝2臺(tái)真空泵。

5 系統(tǒng)工作過(guò)程

作為“觀音閣水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)評(píng)價(jià)系統(tǒng)）”的子系統(tǒng)，真空激光準(zhǔn)直相對(duì)獨(dú)立，其現(xiàn)場(chǎng)采集的原始數(shù)據(jù)不直接向“評(píng)價(jià)系統(tǒng)”提供，現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)控裝置不存儲(chǔ)激光數(shù)據(jù)。真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)工作過(guò)程分為兩部分：

1）以系統(tǒng)安裝時(shí)的1號(hào)、4號(hào)倒垂線測(cè)值為初值讀數(shù)，計(jì)算出本次水平位移的相對(duì)值，再?gòu)摹霸u(píng)價(jià)系統(tǒng)”中提取已約定的某一時(shí)刻的1號(hào)、4號(hào)倒垂線成果，進(jìn)行水平位移數(shù)值改正，得出絕對(duì)水平位移值。

2）以系統(tǒng)安裝時(shí)的雙金屬標(biāo)初值讀數(shù)（該值由馬平溝水準(zhǔn)基點(diǎn)引測(cè)而來(lái)）為基準(zhǔn)，計(jì)算出此次垂直位移相對(duì)值，讀取此次的雙金屬標(biāo)數(shù)據(jù)，進(jìn)行垂直位移數(shù)值改正，得出絕對(duì)垂直位移值。

水平、垂直位移成果計(jì)算完畢，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)保存，同時(shí)向“評(píng)價(jià)系統(tǒng)”提交成果數(shù)據(jù)。

6 真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)監(jiān)測(cè)成果

真空激光測(cè)值規(guī)定：水平位移X向（上下游）下游為正，垂直位移Z下沉為正。

通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析表明：底層廊道各壩段的水平位移變形較穩(wěn)定，隨著庫(kù)水位的漲落各壩段無(wú)較大變化。垂直位移變形較穩(wěn)定，測(cè)點(diǎn)JLJG06～JLJG27垂直位移變化不明顯，隨著庫(kù)水位的漲落各壩段無(wú)較大變化；測(cè)點(diǎn)JLJG28～JLJG42垂直位移隨著庫(kù)水位的變化，各測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有一定的變化，但數(shù)據(jù)均在0附近浮動(dòng)，未見(jiàn)突變異常情況。

7 采集工作站

原設(shè)計(jì)采集工作站設(shè)在現(xiàn)場(chǎng)，以達(dá)到數(shù)據(jù)采集迅捷、無(wú)損的目的，豐滿、太平哨、白石水庫(kù)等工程即為如此。但考慮運(yùn)行方便，最大限度的減少潮濕環(huán)境對(duì)工作站的影響和減少觀測(cè)人員的工作量，最終將工作站由現(xiàn)場(chǎng)移至電廠二樓的分控室內(nèi)，工作站與接收端通過(guò)USB2.0光纖延長(zhǎng)器連接，線路長(zhǎng)度接近1000 m。由于光纖遠(yuǎn)程傳輸具有傳輸距離遠(yuǎn)、抗電磁干擾等特點(diǎn)，外移工作站完全滿足了系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)墓ぷ饕螅艘豁?xiàng)堪稱(chēng)改造工程的創(chuàng)新點(diǎn)之。

8 結(jié)語(yǔ)

觀音閣水庫(kù)大壩真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)在試運(yùn)行考核期內(nèi)，數(shù)據(jù)缺失率、設(shè)備平均無(wú)故障時(shí)間、人工觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比三項(xiàng)考核指標(biāo)，完全滿足SL268-2001《大壩安全自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備基本技術(shù)條件》的規(guī)定。數(shù)據(jù)采集及時(shí)、迅速、準(zhǔn)確和長(zhǎng)期穩(wěn)定，過(guò)程線直觀、形象，日常維護(hù)量少，設(shè)備操作簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)，令觀測(cè)人員倍覺(jué)工作輕松、快樂(lè)。總而言之，觀音閣水庫(kù)大壩采用真空激光準(zhǔn)直監(jiān)測(cè)壩基位移，再一次驗(yàn)證了該項(xiàng)技術(shù)的成熟、可靠，值得大力推廣、應(yīng)用。