吉牛水電站壩體變形監(jiān)測方案優(yōu)化設計

文 豪，李俊富

（1.國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610041；2.中水東北勘測設計研究有限責任公司,吉林 長春 130061）

吉牛水電站壩體變形監(jiān)測方案優(yōu)化設計

文 豪1，李俊富2

（1.國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610041；2.中水東北勘測設計研究有限責任公司,吉林 長春 130061）

吉牛水電站大壩變形監(jiān)測原設計采用引張線加靜力水準方案，并在壩體兩端增加倒垂線及雙金屬標。后采用“DB3200 型真空激光準直測壩變形系統(tǒng)”及其最新專利技術“一種真空激光準直系統(tǒng)端點改正方法”，對方案進行了優(yōu)化設計并成功實施。優(yōu)化后的方案投資低于原設計方案，觀測精度也優(yōu)于原方案，同時實現(xiàn)了自動化觀測，直接節(jié)約了后期整個監(jiān)測系統(tǒng)實施自動化的投資。這種單端點改正方法降低真空激光系統(tǒng)設計布置與實施的難度，并節(jié)約了工程投資。

吉牛水電站；大壩變形監(jiān)測；真空激光；單端點改正

1 概述

吉牛水電站位于四川省丹巴縣革什扎河流域下游河段，屬革什扎河流域水電規(guī)劃一庫四級方案中的第四級梯級電站，為引水式開發(fā)。首部樞紐位于丹巴縣繞拉鄉(xiāng)獨狼溝口下游約 0.5km，地面廠房位于革什扎河與大金川河交匯口附近的一級階地上，工程區(qū)內有縣級簡易公路（丹巴～丹東）通過，在革什扎河口處與省道 S211 線相連，閘、廠區(qū)距丹巴縣城分別約 30km 和 2.8km，距成都分別約479km 和 452km，對外交通較為方便。

電站為引水式電站。工程樞紐由擋水壩、泄洪閘、引水隧洞、調壓井、壓力管道及發(fā)電廠房等主要水工建筑物組成，電站總裝機容量 240MW（120MW/臺×2 臺），工程總工期 39 個月（不含籌建期）。

2 大壩變形監(jiān)測原設計方案

吉牛水電站原設計方案是在壩頂布置引張線加靜力水準方案，該方案只能測得壩體變形的相對位移測值，還需要在壩體兩端增加倒垂線及雙金屬標，最終聯(lián)合計算獲得壩體的絕對位移測值。該方案主要存在以下問題：

1）前期工程投資較大，后期該項目自動化投資也較多。

2）該方案如果實施并投入運行，運行期的管理與維護的工作量均較大，觀測數據的連續(xù)性及準確性均受氣候因素的影響。

3）大壩左岸為上壩公路及引水發(fā)電隧洞進口，該處的倒垂孔只能布置在壩上，要求倒垂孔深度必需穿透壩體及河床覆蓋層，深入到基巖穩(wěn)定區(qū)域。鉆孔深度超過百米，施工難度極大，工程造價較高。

針對上述問題，設計通過廣泛充分的調研，最終根據中水東北勘測設計研究有限責任公司推薦的“DB3200 型真空激光準直測壩變形系統(tǒng)”及其最新專利技術，“一種真空激光準直系統(tǒng)端點改正方法”（以下簡稱單端點改正方法） 對大壩變形監(jiān)測方案進行了優(yōu)化設計。

3 真空激光系統(tǒng)原理

真空激光準直測壩變形系統(tǒng)是把三點法激光準直系統(tǒng)和一套適合大壩變形觀測特點的軟連接動態(tài)真空管道系統(tǒng)合理的結合起來的新系統(tǒng)。三點法激光準直又稱為波帶板激光準直。波帶板又稱菲涅爾透鏡，它是把菲涅爾半周期帶交替地做成通光帶和遮光帶的一種特殊設計的光柵。這種光柵被激光點光源發(fā)出的一束可見的單色相干光照射時，它的遮光帶會攔住衍射后將產生負干涉的激光束光線，和聚焦透鏡相類似，在光源中心和波帶板中心延長線上的一定距離處，形成一個中心特別明亮的衍射亮點（或十字亮線）。并滿足公式（1）：

f——波帶板的焦距；u——波帶板到點光源的距離；v——波帶板到像點的距離。

如果在像點處布置固定的圖像捕獲裝置，只要固定其中兩點，就可以準直第三點?！叭c法激光準直”也因此而得名。

圖1 三點法激光準直測壩變形原理圖

如圖1所示，若在大壩兩端穩(wěn)定的地點分別固定點光源A和光斑成像裝置C（如果兩個端點非穩(wěn)定不變，可采用倒垂線及雙金屬標法獲得端點位移），在需要觀測變形的各壩段測點上設相應焦距的波帶板 B，當測點（波帶板中心）位移了一段距離 δ（BB′，它的水平分量 δx 就是該點的水平位移，垂直分量 δz就是該點的垂直位移），在光斑成像裝置處的光斑像點也位移了一段距離△（CC′）。通過圖像捕獲裝置測出△在兩坐標軸上的分量△x、△z，有下列公式即可計算出測點 B 的水平、垂直兩向位移值。

該系統(tǒng)是波帶板真空激光準直和一套真空管道合理結合的變形觀測系統(tǒng)，系統(tǒng)的激光束在真空中傳輸，可以消除大氣折光差對測量精度影響。該方法不但具有高效率、高精度，還可在長距離變形觀測中應用，該方法可同時測量水平位移與垂直位移，可以說是觀測精度、作業(yè)效率及作業(yè)條件最好的一種變形觀測方法。該方法主要應用于直線型大型水工建筑物的變形觀測，既適用于短壩，也適用于長度達千米的直線壩；不僅適用于溫度變幅大、位移大的壩頂，同樣適用于濕度大、位移小的基礎廊道。

4 單端點改正方法原理

如果采用真空激光準直測壩變形系統(tǒng)，壩體左岸的倒垂孔還是需要實施，才能保證系統(tǒng)獲得壩體的絕對位移測值。針對該問題中水東北勘測設計研究有限責任公司建議采用單端點改正方法，該方法是其針對真空激光準直測壩變形系統(tǒng)多年潛心研究的發(fā)明成果，主要原理如下：

1）將發(fā)射端設備安裝于穩(wěn)定位置，如該位置不穩(wěn)定需安裝端點絕對位移測量設備。

2）在距離發(fā)射端 5～20m 范圍內安裝一個用于接收端位移改正的測點，該測點和發(fā)射端設備要求安裝在同一個平臺上或保證該測點位置隨同發(fā)射端同步變化。

3）通過測量該測點箱位置的位移變化量及端點改正計算方法，計算出接收端較發(fā)射端的相對位移變化量，該相對位移變化量加上發(fā)射端的絕對位移即為接收端的絕對位移變化量。

該方法實施的前提是要求兩個端點中的任何一個端點處于穩(wěn)定狀態(tài)或可布置端點絕對位移測量設備，新技術可通過該端點的絕對位移變化計算出另一個端點的絕對位移變化量，從而減少了系統(tǒng)布置與實施的難度。同時因減少了一個端點絕對位移測量設備，可極大的節(jié)約工程投資。

圖3 位移后準直示意圖

端點改正計算方法如下：

Fx0，F(xiàn)z0分別為發(fā)射端位置位移 X 向、Z 向的初始測值，F(xiàn)xn，F(xiàn)zn分別為發(fā)射端位置位移的第 n 次觀測值，發(fā)射端位置位移測值是通過端點位移測量設備得到的，則發(fā)射端 X 向、Z 向第 n 次觀測的絕對位移變化 量分別為 Fxn-Fx0，F(xiàn)zn-Fz0，當發(fā) 射端位置處于穩(wěn)定狀態(tài)時 Fxn=Fx0，F(xiàn)zn=Fz0，發(fā)射端位置 X向 、Z 向 的絕 對位 移變 化 量 均 為 0；Ax0，Az0為 端 點改正測點相對于接收端觀測坐標系的測值，通過激真空激光準直位移測量裝置測得，即為接收端X 向、Z 向的初始值，Axn，Azn 分別為端點改正測點相對于接收端觀測坐標系的第 n次觀測值；位移變化量的方向為；水平X向——壩體向下游位移為正，向上游位移為負；垂直 Z 向——壩體向下沉降為正，向上抬升為負，則第 n 次觀測到的接收端絕對位移變化量計算公式為：

RXn=（Ax0-Axn）+（Fxn-Fx0） （2）

RZn=（Azn-Az0）+（Fzn-Fz0） （3）

式 中 ：Fx0——發(fā)射端位置 位 移 X 向 的 初始測值；Fz0——發(fā) 射 端 位置 位 移 Z 向 的 初 始 測 值 ；Fxn——發(fā) 射端位 置 位 移的 第 n 次 X 向 觀測 值；Fzn——發(fā)射 端位置 位移的 第 n 次 Z 向 觀 測 值 ；Ax0——端點改正測點相對于接收端觀測坐標系的X向的初始測 值；Az0——端點 改正 測 點 相對 于 接 收端 觀測 坐標系的 Z 向的初始測值；Axn——端點改正測點相對于接收端觀測坐標系的第n次X向觀測值；Azn——端點改正測點相對于接收端觀測坐 標系的第 n 次 Z 向觀測值；RXn——接收端水平 X 向第 n次觀測的絕對位移變化量；RZn——接收端 垂直 Z向第n次觀測的絕對位移變化量。

5 優(yōu)化后的方案設計

吉牛水電站壩頂變形監(jiān)測方案最終選定采用真空激光準直測壩系統(tǒng)，并結合“單端點改正方法”進行優(yōu)化設計。

5．1 系統(tǒng)布置

真空激光準直測壩變形系統(tǒng)的發(fā)射端布置于右岸山體灌漿平洞內 40m 處，接收端布置于左岸壩上觀測房內，測點數量為 10 個，其中 LA10 為接收端絕對位移改正測點，布置在右岸山體灌漿平洞內 35m 處，其余為正常變形觀測測點，布置在壩頂，與原設計方案測點位置相同。

5．2 激光觀測房

1）發(fā)射端觀測室設置于右岸山體平洞內 40m處，在該位置將洞身封閉成一間房屋。在該位置處山體已可認為是穩(wěn)定的，雖然增加了真空管道長度，但不需要設備倒垂線及雙金屬標進行端點改正，可節(jié)約可觀的工程投資。

2）接收端觀測室設置于左岸觀測房內，由于原觀測房尺寸無法滿足系統(tǒng)布置要求，因此在原觀測房的左側擴建一個尺寸為 6m×3m×3m 觀測房。接收端采用位于右岸山體平洞內的 LA10 號測點進行絕對位移的改正，不再設置倒垂線及雙金屬標，可大幅節(jié)約工程投資。

5．3 真空管道及測點

1）真空管道采用直徑 φ219 無縫鋼管，相關與測點箱連接的軟管均采用直徑 φ219 的波紋管，管道長度約 150m。

2）測點共計 9 個，測點直接安裝于壩頂預留測點坑內，測點底部澆筑測點墩，并采用 4 根φ22× 250mm 插筋確保測點箱體與壩頂混凝土緊密相連，基坑內用風鉆向上游側下方打排水孔兩個，排水孔孔口要求位于基坑下游側，以方便如果排水孔淤堵后的清理。

3）測點箱全部使用 φ219 形標準測點箱，測點箱內部波帶板翻轉裝置及測點控制模塊的型號均一致，降低系統(tǒng)的使用與維護難度。

5．4 抽真空控制系統(tǒng)

1）整個管道容積約 5.2m3，使用 2 臺 2×4 旋片式風冷真空泵，無需冷卻水系統(tǒng)。觀測真空度設計小于60Pa，從大氣壓下抽至觀測真空度時間約 40min。

2）真空控制器及真空泵安裝在收端觀測房內，采用箱式壁掛安裝。

5．5 人工觀測及自動化觀測系統(tǒng)

人工采用精密二維平移臺配合便攜式測點控制器觀測，自動化采用安裝在接收端觀測室機柜內的工控機上的自動采集軟件進行觀測，并可直接接入將來實施的完整安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)內。

6 觀測成果

系統(tǒng)于 2013 年 10 月開始實施，11 月投入試運行，現(xiàn)運行正常。采集到的觀測數據準確可靠，變化符合壩體在水位及氣溫影響下的變形規(guī)律。

觀測成果表明：這次優(yōu)化設計是成功的，真空激光準直測壩變形系統(tǒng)的單端點改正方法是確實可行的。該方法可降低真空激光系統(tǒng)設計布置與實施的難度，并節(jié)約了工程投資。其在吉牛水電站中的成功應用對于其它類似工程具有可靠的借鑒意義。

［專利技術］一種真空激光準直系統(tǒng)端點改正方法”為中水東北勘測設計研究 有 限 責任公司獨 家研發(fā)和擁 有，［專利號］：201310490010.3。

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