1云峰大坝工程介绍

云峰大坝由朝鲜设计施工，为混凝土宽缝重力坝，坝顶高程321.75米，最大坝高113.75米（#49坝段），坝顶长度828米，自朝鲜侧起从#2坝段至#56坝段，共分55个坝段，其中#2、#3、#56坝段长18m，#7、#54坝段为12米，其它坝段为15米。1959年开始兴建云峰大坝工程，历经8年后完工，1971年该工程交由我国来管理。由于该大坝在坝体方面的原因，2008年对大坝工程中原有真空激光监测系统实施了改造升级，并在一年后开始运行。云峰大坝坝顶真空激光准直系统是由中水东北勘测设计研究有限责任公司设计并进行施工的，云峰大坝坝顶真空激光准直系统布置在大坝坝顶人行道上，其共有54个监测点。

2真空激光准直系统概述

2.1系统工作原理

图1三点法激光准直测坝变形原理图

真空激光准直系统，是把大坝变形特点与三点法激光准直系统相结合起来的一种新的系统。其工作原理见图1，若在大坝两个稳定点对应固定点光源A以及成像光斑装置C，同时在各坝段测点上设置波带板B，当测点（波带板中心）位移了一段距离δ（BB`，它的水平分量δx就是该点的水平位移，垂直分量δz就是该点的垂直位移），光斑像点也相应的位移了一段距离Δ（CC`）。通过图像捕获装置测出Δ在两坐标轴上的分量Δx、Δz，依据公式（1）和（2）可计算出测点B的在水平、垂直两方向的位移值。

    影响激光准直三点测量法精度的因素为传输介质的折射率梯度大小以及其变化。其影响可分为两个方面：一方面是折光差，即因为折射率梯度存在导致光束发生了偏折，导致像点发生了位移；另一是由于折射率梯度的瞬间变化，即气体湍流引起光束漂移，表现为像点抖动（位置变化）和闪烁（能量变化）。

实验验证：位移测量中折光差与两端点距离测点远近的乘积成正比例关系，存在有极值，其中，中间测点对应的折光差最大，向而两端则逐步降低。折光差还和温度梯度成正比，和气压成反比。同时根据真空技术理论和试验可知：当管道内压强小于某一值时，气体流动状态不再是湍流而变为层流，流动的气体层平行，可以完全消除像点的拉动和闪烁现象，像点清晰稳定，形状也不在发生变化。

2.2系统特点

真空激光准直系统应用于大坝的变形监测，从以往工程实际的应用效果上分析，其优势较为明显，主要表现为：

（1）可对水平方向和垂直方向存在的位移实施自动监测。其它检测大坝位移的手段中，大部分只能实现对某单个位移进行自动监测，同时，在监测的过程中，还需要多台不同的设备联用。相比而言，真空激光准直系统既能实施水平方向位移检测，同时还能对垂直方向的位移进行监测，而且监测所需设备少，费用相对较低。

（2）受外界环境影响较小。由于真空激光准直系统使用了真空管道，这样有效的避免了外界大气环境的影响与干扰。其长期工作的稳定性能良好，其相应的测量精度可达0.5×10^-6L（L为激光准直对应的长度）以上。

（3）数据采集速度快。真空激光准直系统采集数据的速度快，可将其应用于对物体连续长期的稳定性进行检测，并且其监测的资料完整，监测的数据具有较高的可靠性。

（4）可适应恶劣的监测环境。通常大坝所在的环境温差较大，湿度较大，环境较为恶劣，这就对应用于大坝位移检测的设备提出了更高的要求。而相对于其他设备而言，真空激光准直系统具有较好的环境适应性能。

2.3系统布置

2.3.1轴线布置

发射端布置在左岸平洞内，接收端布置在右岸交通洞内。抽真空设备布置在接收端。激光轴线平面位置为坝轴线下游6.50m，高程为321.864m。两端点布置在坝体两侧的山洞内。轴线全长892.756m。

激光轴线是依据现场条件来进行确定的，其中平面位置布置在人行步道的中间，即0+6.50m。高程是依据39#～48#溢流坝段“T”型梁顶高程，其中#47坝段实测为321.71m，加0.017m安装空间，作为φ273管道底高程，轴线高程为321.864m。

2.3.2测点布置

测点布置有测点箱，波纹管。布置在测点坑内，测点箱通过底板、插筋等与坝体牢固结合，保持同步移动。测点箱通过波纹管与真空管道实现软连接，使测点位移不受真空管道约束。测点布置从#3坝段开始至#56坝段，每坝段设1个测点，共布置测点54个。系统中159型测点箱6个，即#3测点至#8测点，测点底高程为321.735m（无地球曲率改正）；#9测点箱采用Φ159到Φ219变径，测点底高程为321.666m（无地球曲率改正）；219型测点箱29个，从#10测点至#38测点，测点底高程为321.666m（无地球曲率改正）；#39测点箱采用Φ219到Φ273变径，测点底高程为321.642m（无地球曲率改正）。273型测点箱17个，从#40测点至#56测点，测点底高程为321.642m（无地球曲率改正）。

测点箱内设波带板起落机构和测点控制模块，波带板起落机构在测点控制模块的控制下控制波带板的位移，它通过RS-485通讯总线和220V电源总线与设在接收端的现场测控主机相连，接受上位机控制。

2.3.3真空管道布置

本设计采用三种规格的无缝钢管。即从发射端～#9坝段长约136m，采用φ159×7mm无缝钢管；#9～#39坝段长约459m，采用φ219×7mm无缝钢管；#39～接收端长约299m，采用φ273×7mm无缝钢管。管道直埋于混凝土中，没有阳光直射的问题，所以不必加管道保温层，为了保持管道自由伸缩，在管道外部加一层隔离层，可用油毡纸进行包裹。

表1 管道布置统计表

2.3.4发射端布置

发射端布置有发射端密封段、密封点光源、监视器、吸湿机、强制排水设备等。发射端被布置于同一个钢面板基座上，利用混凝土，使其与下面基体牢固结合。其对应的高程为321.654米。

2.3.5接收端布置

接收端距右坝肩约44m，此处岩体较为稳定，因此激光准直系统不需要接收端端点改正设备。接收端是由收端控制器、激光接收幕等组成的。其中接收端密封段、激光坐标仪、激光接收幕与观测平台牢固结合，确保同步变形，观测平台钢板表面高程为321.621米。

2.3.6真空设备的布置

抽真空设备布置在右岸交通洞内的接收端观测室内，布置有一台真空控制配电箱，两套真空泵机组。为了满足管道内的真空度及抽气时间等技术指标的要求，拟采用一组罗茨、旋片真空泵机组。机组的前级泵采用莱宝公司生产的油封式单级旋片泵作为预抽泵，型号为SV300。

3真空激光准直系统观测云峰大坝变形资料分析

3.1水平移动分析

    为了检验云峰大坝在不同水位中，其大坝是否发生了变形，特实用真空激光准直系统对其在水平方向的位移进行测试。

图2 坝顶激光水平位移统计分析

    由图2可以看出，通过坝顶激光水平位移的预报值与实际测值进行对比分析，水平位移测点差值处于-1.5mm-0.5mm之间，虽有个别测点差值超过±1.0mm，但最大值也仅为1.23mm，虽然依据相关规范，坝顶在水平方向的观测位移误差不超过±1.0mm。但可以看出，云峰大坝水平位移受水位影响不大，同时，该统计结果，还显示采用统计分析预报能够替代实际测值，其方程可信。

3.2垂直移动分析

为了检验真空激光准直系统在云峰大坝变形监测中应用性能，同时，还对其坝顶激光在垂直方向的位移进行测试，其结果见图3所示。

图3 坝顶激光垂直位移统计分析

由图3可以看出，通过坝顶激光水平位移的预报值与实际测值进行对比分析，垂直位移预报值与实际值之差均小于±0.82mm，规范要求坝顶垂直位移观测误差±1.0mm。可以看出，云峰大坝水平位移受水位影响不大，同时，该统计结果，还显示采用统计分析预报能够替代实际测值，其方程可信。

3.3系统可靠性分析

系统可靠性通常是指在某种工况下，在规定的一定的时间内，某些功能完成的概率。本次系统的可靠性主要是采用平均物故障的时间以及故障的次数来进行评价。

无故障平均的时间是指相邻两次故障之间平均工作时间长短，即：

而数据缺失率则可以使用有效数据个数与相应测得数据的数量的百分比来表示，即：

式中，n和ρ分别代表应该测量的数据数量和为采集到的数据数量，W则代表数据缺失率。

    将n=37×366=13542，ρ=430，并将其代入公式（4-1）进行计算，可以得到MTBF=13120h＞6300，W=2.63%，由此可知本系统的数据缺失率仅为2.63%，该值小于3%，同时，其无故障的平均时间为13120h，其高于6300，这表明该系统拥有良好的稳定性能。

5.总结

截止到目前为止，云峰大坝真空激光准直系统运行一致较为平稳，可靠性较高，安全性能较好。同时，真空激光准直系统在不同观测点的位移分布十分合理，其与环境变化适应度较高，这表明该系统在观测精度方面较高。

参考文献

[1]王晓旭. 全自动真空激光大坝变形测量系统的研制[D].大连理工大学,2006.

[2]韩卫,王燕,许小华.真空激光准直系统在白石水库大坝变形监测中的应用[J].东北水利水电,2003(09):45-46.