龙滩大坝真空激光准直系统工作基点改造方案设计

农普裕

(龙滩水电开发有限公司龙滩水力发电厂,广西天峨547300)

龙滩大坝真空激光准直系统工作基点改造方案设计

农普裕

(龙滩水电开发有限公司龙滩水力发电厂,广西天峨547300)

龙滩水电站大坝坝轴线采用折线形,共布设两套激光准直系统。因建设期种种原因,系统未能按相关规范要求设置工作基点,监测成果并不理想,未能充分发挥激光准直系统高精度的优越性。为此,提出在廊道内19号和20号、20号和21号坝段之间的横缝处各安装一支双向测缝计,将19号坝段的垂线坐标数据引至21号坝段；静力水准从32号坝段引向21号坝段、11号坝段引向5号坝段的改造、校核方案。建议与两套真空激光准直系统主体更换改造项目一起实施,从而提高费用效益比。

激光准直系统；工作基点；方案设计；龙滩水电站

1 系统简介

龙滩水电站大坝坝轴线为折线型,以拐弯坝段即21号坝段为转折点,左侧为地下引水发电系统进水口坝段,右侧为河床坝段(包括挡水、泄洪和通航坝段)；大坝最大坝高192 m,坝顶高程382.00 m,正常蓄水位高程375.00 m；在379.20 m高程观测廊道内布置2套真空激光准直系统(见图1),两套系统端点位于32号、21号和5号坝段,测线长度分别为265 m和342 m,每个坝段设置一个测点,监测坝顶水平位移和垂直位移(沉降)。

龙滩大坝垂直位移的监测手段主要是静力水准系统,于高程342、270 m和230 m的3个廊道布置静力水准设备共计43套。因此,激光准直系统在设计之初主要是考虑用于监测坝顶的水平位移,坝顶垂直位移的监测仅是次要功能。

目前,静力水准系统已完成自动化更新改造。真空激光准直系统从龙滩工程建设期间建成投入使用至今已近10年,两套系统主要设备已经老化,无法正常工作,近期在进行自动化更新改造,但更新改造主体方案未包括对系统工作基点的改造。本方案设计拟对激光准直系统原有的水平、垂直位移工作基点进行补充和完善,以提高系统测值的准确度。

图1 真空激光准直系统俯视示意

2 系统工作原理

波带板激光准直系统是用激光干涉原理建立基准线,在基准线两端点上分别安置激光器点光源和光电探测器,在观测点上安置波带板,根据激光的特点和光波干涉原理,通过波带板的激光束在光电探测器上成像为亮点或十字线,可测出该亮点相对于基准线的偏离值,从而计算出测点对于基准线的偏离值(见图2)。

图2 系统原理示意

图2中,假设发射端B相对于工作基点位移了ΔB到B′点,接收端A相对于工作基点位移了ΔA到A′点,如测点C位移到C′点,则从B′发出的激光经过波带板C′后,在光电探测器上得到A″光斑,可测得偏离值d,则测点C的绝对位移值

Xc=ΔB+[(ΔA-ΔB)+d]×Lc/L

(1)

相对位移值

d′=d×Lc/L

(2)

设置工作基点即是为了测得ΔA、ΔB值。

3 系统改造方案的依据和选择

3.1 系统改造的必要性

在水平位移监测方面,因大坝施工时取消了21号坝段上部的垂线,致使两套激光准直系统在该坝段的端点无工作基点可资校核；在垂直位移监测方面,左岸激光准直系统仅一个端点(32号坝段)有双金属标作为工作基点,另一端(21号坝段)无工作基点,右岸激光准直系统只有一个工作基点(也是双金属标)且设在系统中部(11号坝段,共5条双金属标,沉降修正数值从坝基传递到379.20 m高程),无法满足相关规范要求。

3.2 参考依据

以电力行业推荐性标准DL/T 5178—2016《混凝土坝安全监测技术规范》中“变形纵向监测断面平行于坝轴线方向布置,纵断面上的测线沿高程方向宜设在坝顶和基础廊道,高坝宜结合坝内廊道及坝后交通设施,在坝体中间高程布置纵向测线,……激光准直装置的工作基点,应在准直线的两端同高程相对稳定点各布设1个工作基点”为参考依据。

3.3 方案选择

对于水平位移工作基点,可在廊道内19号和20号、20号和21号坝段之间的横缝处各安装一支双向测缝计,将19号坝段的垂线坐标数据引至21号坝段(此方案的缺点是假设各个坝段为刚性体,忽略其变形因素,因此系统误差是显而易见的)。如现场条件不允许安装测缝计,因右岸激光准直系统在19号坝段有垂线作为基准,即该坝段测点的校核值为已知数,则可根据激光准直系统的工作原理推算出21号坝段端点的校核值。图2中,假设A点在21号坝段,C点在19号坝段,B点在5号坝段,则可得

ΔA=ΔB+(ΔC-ΔB)×L/Lc

(3)

即,对于右岸激光准直系统无需设置任何仪器,仅通过推算即可求得其在21号坝段端点处校核值ΔA；但对于左岸激光准直系统,虽然右侧端点与右岸系统的左侧端点同在21号坝段,但两套系统的轴线与折线形的坝轴线一样存在一个交角。因此,ΔA并不等于其真实校核值,但考虑到两套系统轴线交角较小,ΔA也可作为左岸系统左侧端点的校核值。

对于垂直位移工作基点,拟采用CCD静力水准将双金属标坐标数据传递到激光准直系统的端点作为工作基点。由于11号坝段和21号坝段之间有7个溢流坝段,监测廊道在溢流坝段处为桥梁。如果静力水准从11号坝段引向5号和21号坝段,虽仅需3台静力水准仪即可,但静力水准的连通管在溢流坝段将暴露在无任何防护的空气中,而坝址处偶有冰冻情况,则需对该段连通管做防冻处理,这不利于系统的稳定及后期维护。故应从32号坝段引向21号坝段、11号坝段引向5号坝段,连通管均可在长年温度适宜的大坝廊道内,仅多投资1台静力水准仪,则可对系统的运行维护较为有利。

4 方案实施的有利条件

水平位移和垂直位移工作基点改造如与两套真空激光准直系统主体更换改造项目一起实施,只需增加4台CCD静力水准仪和两支双向测缝计,项目估算投资仅增加约5%,即可让高精度的真空激光准直监测系统充分发挥其效用,费效比较为显著。

[1]DL/T 5178—2016 混凝土坝安全监测技术规范[S]．

[2]DL/T 328—2010 真空激光准直位移测量装置[S]．

(责任编辑 陈 萍)

Design of Measuring Base Point Transformation Scheme for the Vacuum Laser Collimation System in Longtan Dam

NONG Puyu

(Longtan Hydropower Plant, Longtan Hydropower Development Co., Ltd., Tian’e 547300, Guangxi, China)

Two sets of laser collimation system are arranged in Longtan Hydropower Station to monitor the broken-line axis of dam, but the system fails to set measuring base points according to relevant specifications during construction period. The monitoring results are not satisfied and the advantages of high precision laser alignment system are failed to be fully play. The proposed transformation scheme includes that, (a) two two-way seam measuring devices will be installed in the horizontal joints of corridor between 19thand 20thmonolith and 20thand 21stmonolith respectively, and the vertical coordinate data in 19thmonolith will be transferred to 21stmonolith; (b) two static level systems will be transferred from 32ndmonolith to 21stmonolith and 11thmonolith to 5thmonolith respectively. In order to save cost, the transformation of measuring base points is proposed to be carrying out with the replacements of two vacuum laser collimation systems．

laser collimation system; measuring base point; scheme design; Longtan Hydropower Station

2017- 02- 16

农普裕(1976—),男,广西靖西人,工程师,主要从事水电站安全监测工作．

TV694.1(267)

B

0559- 9342(2017)04- 0082- 03