激光靜力水準(zhǔn)技術(shù)在土石壩沉降測(cè)量中應(yīng)用

田志剛 ，宋厚源 ，郭 鵬

（1.山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250014；2.平陰縣水務(wù)局，山東 平陰 250400）

土石壩因土體自身固結(jié)及外荷載作用下會(huì)產(chǎn)生正常沉降，速率逐漸降低并趨于穩(wěn)定。在非正常情況下如滑坡、滲透變形等情況下也會(huì)發(fā)生較大的沉降，在這種情況下垂向位移的速率是逐漸增大的，直至發(fā)生突變。壩基在土壓力作用下也會(huì)發(fā)生沉降，表現(xiàn)為壩頂?shù)某两?。土壩垂直位移測(cè)量主要采用幾何水準(zhǔn)法和三角高程測(cè)量法，該方法測(cè)量精度受到人為因素、儀器精度的影響較大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，測(cè)量頻次很低，大部分一年數(shù)次，無(wú)法根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)分析。衛(wèi)星觀測(cè)法是近年來(lái)隨著全球衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展而形成的測(cè)量方法，影響其測(cè)量精度的因素很多，尤其是垂直位移的測(cè)量精度，主要受對(duì)流層[1]和電離層折射[2]以及區(qū)域性似大地基準(zhǔn)面精度的影響。而差分技術(shù)不能消除這種影響。在大尺度測(cè)量中，衛(wèi)星觀測(cè)法有足夠的精度，但在小尺度垂直位移測(cè)量中實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量則需要進(jìn)一步探討。

近年來(lái)，靜力水準(zhǔn)法在水工建筑物沉降測(cè)量中開(kāi)始使用。該方法原理明晰，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，因而測(cè)量結(jié)果可靠。隨著位移傳感技術(shù)的迅速發(fā)展，其精度越來(lái)越高。可以預(yù)見(jiàn)該技術(shù)將在水利行業(yè)有較為廣泛的應(yīng)用。將激光測(cè)量技術(shù)和靜力水準(zhǔn)原理結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)高精度自動(dòng)實(shí)時(shí)沉降測(cè)量，可以達(dá)到±0.1mm，本系統(tǒng)沉降測(cè)量中的控制精度是±1mm，滿(mǎn)足規(guī)范±3mm的要求且穩(wěn)定性好、頻次高；可以根據(jù)位移變化速率，預(yù)判壩體所處的穩(wěn)定狀態(tài)。

1 激光靜力水準(zhǔn)工作原理及計(jì)算方法

1.1 理論依據(jù)

根據(jù)伯努利原理，理想流體在恒定流狀態(tài)時(shí)，單位體積所具有的能量（動(dòng)能、勢(shì)能、壓強(qiáng)能）為一常量，對(duì)于兩個(gè)流動(dòng)要素恒定的斷面，其方程表達(dá)式為：

式中：Z1、Z2為計(jì)算斷面的中心位置的高程；P1/γ、P2/γ 為計(jì)算斷面的壓強(qiáng)高度/2g為計(jì)算斷面的流速水頭；為兩斷面間的水頭損失。對(duì)于靜止液體，u=0，則有：

該式表明：連通液體在靜止?fàn)顟B(tài)下各點(diǎn)的單位勢(shì)能守恒，所有液面位置的勢(shì)高度相等，在自由液面上壓力相等的情況下，液面水平，這是靜力水準(zhǔn)的理論基礎(chǔ)。激光位移傳感可對(duì)液位變化進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，通過(guò)簡(jiǎn)單幾何關(guān)系計(jì)算即可得出位移變化量，這個(gè)原理可用于物體垂直位移測(cè)量。

1.2 激光靜力水準(zhǔn)基本結(jié)構(gòu)及測(cè)量方法

激光靜力水準(zhǔn)沉降儀通過(guò)管道連通測(cè)筒，內(nèi)充液體，在測(cè)筒頂部固定安裝激光位移傳感器，傳感器測(cè)量測(cè)筒內(nèi)液位到傳感器起測(cè)點(diǎn)的距離。在遠(yuǎn)離壩體的穩(wěn)定地基上設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)，在待測(cè)沉降點(diǎn)上設(shè)觀測(cè)點(diǎn)，將測(cè)筒分別安裝在基準(zhǔn)點(diǎn)0和觀測(cè)點(diǎn)1（觀測(cè)點(diǎn)可以是n個(gè)）上，用管道相互連通，測(cè)筒內(nèi)注入液體至適當(dāng)高度。

初始安裝時(shí)，根據(jù)伯努利原理，液面在同一水平面上，激光位移傳感器0、1分別測(cè)得液面距激光器起測(cè)點(diǎn)距離為h0、h1。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間T1后的某一時(shí)刻t1，觀測(cè)點(diǎn)沉降量為d1，此時(shí)傳感器分別測(cè)得液面距起測(cè)點(diǎn)距離為 h′0、h′1，根據(jù)相對(duì)位置幾何關(guān)系，可以得出：

因此，只要測(cè)出任一時(shí)刻基點(diǎn)及各測(cè)點(diǎn)液面到起測(cè)點(diǎn)的距離，即可得出測(cè)點(diǎn)相對(duì)于基點(diǎn)在T1時(shí)段內(nèi)的沉降量。若得出的數(shù)值為負(fù)值，說(shuō)明該測(cè)點(diǎn)抬升了，如混凝土壩、閘墩等水工建筑物在夏季由于溫度的升高而上升。

由于沉降量是實(shí)時(shí)觀測(cè)得到的，頻次高，可實(shí)時(shí)計(jì)算沉降量變化速率，即沉降速度，通過(guò)沉降速度變化可預(yù)測(cè)壩體可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)趨勢(shì)。

1.3 可行性試驗(yàn)驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)根據(jù)測(cè)量原理要求制作了試驗(yàn)臺(tái)，溫度恒定無(wú)風(fēng)。將4個(gè)頂部安裝有激光位移傳感器的測(cè)筒用管道連接起來(lái)，其中1個(gè)作為基點(diǎn)固定不動(dòng)，其他3個(gè)測(cè)筒作為測(cè)點(diǎn)，可以通過(guò)螺桿調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng)，模擬測(cè)點(diǎn)的沉降或者上升，螺桿聯(lián)動(dòng)游標(biāo)卡尺以讀取位移數(shù)據(jù)。傳感器采用紅色半導(dǎo)體激光，型號(hào)為T(mén)P-L100CD，其主要參數(shù)為：線性精度為±0.1%FS、頻次 500μs、量程100mm。測(cè)筒內(nèi)有3D打印中空玻璃片漂浮在水面作為激光反射體。工作液體是蒸餾水加防腐劑，為了模擬滲漏、蒸發(fā)等因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，設(shè)置了加、放水閥。

試驗(yàn)采用預(yù)設(shè)測(cè)點(diǎn)沉降量、傳感器實(shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行計(jì)算，直接輸出測(cè)點(diǎn)垂直位移變化量的方案。結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，預(yù)設(shè)沉降值和測(cè)量值在誤差范圍內(nèi)。在試驗(yàn)中，通過(guò)放水閥放水，模擬可能發(fā)生的滲漏、蒸發(fā)，發(fā)現(xiàn)對(duì)測(cè)量結(jié)果沒(méi)有影響；還試驗(yàn)了不同直徑的測(cè)筒對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，證明測(cè)筒直徑不同對(duì)測(cè)量結(jié)果沒(méi)有影響，和理論分析結(jié)果一致。試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性，可以應(yīng)用到實(shí)際工程中。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 水庫(kù)概況

垛莊水庫(kù)位于濟(jì)南市西巴漏河上游，控制流域面積56km2?？値?kù)容為1.19×107m3，大壩為黏土心墻沙殼壩，壩長(zhǎng)468m，最大壩高37.50m，溢洪道在左岸，設(shè)3孔10m×6m平板鋼閘門(mén)。

2.2 測(cè)點(diǎn)布置及測(cè)量數(shù)據(jù)

壩體測(cè)量基點(diǎn)布置在大壩左岸，設(shè)鉆孔灌注樁至基巖形成穩(wěn)定點(diǎn)，觀測(cè)點(diǎn)設(shè)在大壩測(cè)壓管觀測(cè)斷面的下游壩肩上，共3個(gè)；在水閘的兩個(gè)中墩下游端頂部設(shè)2個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，在離閘室15m的基巖上設(shè)基點(diǎn)。觀測(cè)點(diǎn)及基點(diǎn)的設(shè)計(jì)安裝滿(mǎn)足土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范（SL551-2012）要求，并對(duì)基點(diǎn)及測(cè)點(diǎn)高程進(jìn)行人工標(biāo)定[3]。測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 試驗(yàn)記錄表 mm

表2 垛莊水庫(kù)壩體及溢洪閘墩沉降測(cè)量值 mm

該裝置使用山東省水利科學(xué)研究院開(kāi)發(fā)的《大壩安全監(jiān)測(cè)及分析系統(tǒng)》，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)觀測(cè)、數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸，使用數(shù)年來(lái)一直正常工作。2019年夏季，檢測(cè)系統(tǒng)突然報(bào)警，檢查后發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量超過(guò)預(yù)警值，由于是在汛期，技術(shù)人員迅速進(jìn)行檢查，其原因是壩頂瀝青路面鋪設(shè)振動(dòng)碾造成的沉降，這說(shuō)明了該設(shè)備的靈敏度。

2.3 人工校核

人工校核用以檢驗(yàn)該設(shè)備檢測(cè)結(jié)果正確與否，采用幾何水準(zhǔn)法進(jìn)行人工校核測(cè)量，其結(jié)果驗(yàn)證了激光靜力水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果是正確的。

3 精度影響因素

3.1 溫度

不均勻溫度場(chǎng)會(huì)影響液體密度，從而影響液柱高度，對(duì)測(cè)量結(jié)果有一定影響，需進(jìn)行修正。解決方法：在每一個(gè)測(cè)點(diǎn)及基點(diǎn)設(shè)溫度傳感器，實(shí)時(shí)測(cè)量液體溫度，根據(jù)液體體積（密度）隨溫度變化規(guī)律，統(tǒng)一到同一個(gè)溫度場(chǎng)，以彌補(bǔ)因溫度不同引起的液面高度差。

3.2 大氣壓力

各測(cè)點(diǎn)液面所處位置的大氣壓強(qiáng)是不相等的；空氣在通氣孔附近的運(yùn)動(dòng)也會(huì)引起測(cè)量結(jié)果不穩(wěn)定。解決方法：連通空氣室并進(jìn)行封閉。

3.3 滲漏和蒸發(fā)

少量的蒸發(fā)和滲漏不影響測(cè)量結(jié)果的正確性，但是要防止大量滲漏造成測(cè)筒內(nèi)液位下降超出測(cè)量范圍。解決方法：設(shè)置傳感器報(bào)警距離，當(dāng)傳感器測(cè)量值大于某一長(zhǎng)度時(shí)，即需要進(jìn)行檢查，處理滲漏點(diǎn)并添加液體。

3.4 液體振蕩

測(cè)點(diǎn)若突然下降，會(huì)引起連通器液體振蕩，其振蕩可以簡(jiǎn)化為一個(gè)單擺系統(tǒng)，用一個(gè)線性阻尼器進(jìn)行模擬。不考慮外力輸入時(shí)，靜力平衡條件下液面運(yùn)動(dòng)方程如下：

式中：h為液面偏離平面位置的距離，m；β為液面振動(dòng)阻尼常數(shù)；ω0為液面振動(dòng)固有頻率。

根據(jù)初始條件即可對(duì)方程進(jìn)行求解，即可得到距離h隨時(shí)間t變化的解，可以計(jì)算重新達(dá)到平衡所需要的時(shí)間。根據(jù)式（5）的解，需要的時(shí)間較長(zhǎng)，但是由于壩體沉降速度非常緩慢，液面變化非常小，因此可以認(rèn)為連通器的液位隨時(shí)處于平衡狀態(tài)[4]。突然的大幅度沉降引起的大振幅振蕩會(huì)被激光位移傳感器捕捉到而引起報(bào)警，這正是安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所需要的。

4 應(yīng)用前景

土石壩結(jié)構(gòu)及運(yùn)行環(huán)境非常復(fù)雜，有很多不確定因素，憑經(jīng)驗(yàn)無(wú)法準(zhǔn)確了解壩體工作狀態(tài)。壩體受力后所引起的外部變形是了解壩體安全狀態(tài)的一種方法，對(duì)土石壩來(lái)說(shuō)，沉降是需要了解的重要指標(biāo)之一。激光靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)、實(shí)時(shí)、高頻次監(jiān)測(cè)，可以實(shí)時(shí)分析沉降速率，替代了人工作業(yè)，尤其是在汛期高水位運(yùn)行時(shí)，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)沉降量變化，預(yù)測(cè)變化趨勢(shì)，以保證大壩安全運(yùn)行。