大坝真空激光准直监测系统在万家寨水电站的应用

摘要：文章介绍了万家寨水电站大坝坝顶真空激光变形监测系统的原理，系统组成、设施布置以及数据采集的方法，并通过对一段时间引张线自动化观测数据和激光监测数据的对比分析，验证了其自动化监测数据的可靠性，总结出真空激光准直系统的日常巡视监测的重点部位和常见故障的产生原因及处理方法。

关键词：大坝监测；真空激光准直系统；万家寨水电站

中图分类号：TV698　文献标识码：A　文章编号：1009-2374-(2011)12-0093-02

万家寨水利枢纽工程位于黄河北干流托克托至龙口峡谷河段内。工程的主要任务是供水结合发电调峰，同时兼有防洪、防凌作用。枢纽属一等大(I)型工程，总装机容量为1080MW。万家寨水电站由拦河坝、坝后式厂房、泄水建筑物、引黄取水口及GIS开关站等建筑物组成。大坝坝顶高程982.00m，坝顶长度443m，最大坝高105m，拦河坝由22个坝段组成，其中：1#坝段为左岸挡水坝段；2#、3#坝段为引黄取水口坝段；4#坝段为表孔坝段；5#～8#坝段为底孔坝段；9#、10#坝段为中孔坝段；11#坝段为隔墩坝段；12#～17#坝段为电站坝段；18#～22#坝段为右岸挡水坝段。

一、真空激光准直变形监测系统组成

(一)工作原理

CZJ真空激光准直系统激光管内的He-Ne气体在高压电的激发下不断产生频率、相位及方向相同的光子，经谐震腔两端的全反射和部分反射镜来回反射，使激光越来越强，然后从部分反射镜输出波长为6328A(1A=10-8cm)的激光束，它具有方向性强、单色性好、亮度高、相干性好等普通光无法比拟的特点，激光束穿过待测部位的波带板(菲涅尔透镜)在接收端的成像屏上形成一个衍射光斑，利用CCD坐标仪测出光斑在成像屏上的变化，经过计算机处理，即可求得待测部位的位移变化。万家寨电站真空激光准直变形监测的原理图如图1所示。

在激光测坝变形中分为相对测量和绝对测量，相对测量是以两端点为参考点，测量各测点相对参考点的x向和z向位移，绝对测量是相对测量后加上端点改正的测量。

从图1中可看到，接收端测得的读数Hi，是测点位移放大若干倍后的值，测点折算系数永远是大于0，小于1的。

Ki=Lx/Lo

其中：

Ki――测点折算系数；

Lx――发射端到测点的距离；

Lo――发射端到接收端的距离，即激光轴线总长。

当测点(波带板中心)位移了一段距离，在探测仪处的像点也位移了一段距离，用下列公式即可计算出测点的位移。

Zn=Hn×(Ln/Lo)

Zn=Hn×(Ln/Lo)+fi+(ji-fi)×(LN/Lo)

(二)系统组成

万家寨水电站的真空激光准直变形监测系统主要由硬件部分和软件部分组成。硬件部分包括抽真空系统、激光发射端、真空管道和激光接收端。软件部分主要包括自动监测采集软件和人工数据采集软件，由“系统配置”、“用户管理”、“自动化安全监控程序”及“观测数据人工输入程序”等几大模块组成。

二、观测资料对比分析

(一)分析方法及内容

真空激光变形监测分析资料分析方法通常有比较法、作图法、特征值统计法、数学模型法等。通过以上方法，分析观测物理量随时间、空间变化规律性，特征值变化规律性，并通过巡视检查成果、观测物理量的分析成果、设计计算复核成果进行比较，获得观测物理量变化稳定性、趋向性及其工程安全的关系等结论。

两条真空激光准直系统从投入运行以来，运行稳定，管线漏气率满足要求，系统定时抽真空后，管道真空度均能保证小于20MPa。两条真空激光准直系统共40个测点全面巡测一次(包括抽真空、测量、数据处理、数据保存等)，耗时仅需21min左右。

(二)监测资料对比分析

经对坝顶真空激光准直系统2010年9月～2011年5月之间的观测资料与同期引张线自动化观测资料和坝顶水准测量资料作对比分析可以看出，坝顶水平、垂直位移自动化测值与引张线自动化测值和坝顶水准测量测值的变化规律一致，表明万家寨水电站真空激光变形监测系统监测设施运行可靠、数据准确，能正确反映坝的运行工况。三、系统的日常维护及故障处理

(一)日常维护检查

真空激光准直变形监测系统，其数据采集的可靠性较高，能有效地避免环境对其造成的影响。但在整个系统运行的过程中的确也存在着许多问题，需要平时进行维护和检修。

1、定期对真空管道刷漆保养，防止管道锈蚀漏气，延长系统使用寿命。

2、注重真空泵的日常保养，保养项目包括定期更换真空泵油，检查系统真空度，检查真空泵皮带运行状况(发现老化，及时更换)。

3、通常每月应对真空泵进行一次人工操作，查看真空泵及冷却系统的运行情况，通过麦式真空表读数检验系统真空度。

4、汛期每三天(非汛期一周)查看测控系统一次，掌握系统软件和硬件的运行状况，初步对近期观测数据的变化趋势进行分析，发现问题，及时处理。

5、每月对系统观测数据与引张线同期自动化测值进行对比，分析变化趋势的吻合程度。

6、注重激光系统保养维护的同时，与之相配套的静力水准系统、垂线系统和双金标的维护检查工作也要跟上。只有四套系统均运行正常，才能真正保证真空系统最终测值准确可靠。

(二)常见故障处理

1、激光测点控制故障处理。

(1)控制波带板起落控制盒故障。先拔下测点控制盒的电源，然后是信号线，反向回装。利用测点控制盒的人工控制按钮检查波带板是否正常起落，然后在中心机房里利用程序控制起落是否正常。更换完后盖上测点箱盖板。

(2)电机故障。更换不能正常工作的电机，要检查接线方式，特别要注意不要损坏波带板。利用测点控制盒的人工控制按钮检查波带板是否正常起落，然后再中心机房里利用程序控制起落是否正常。更换完后盖上测点箱盖板。

2、激光管安装和更换。

(1)在接收端的操作。打开综合控制箱的电源，使其始终处于工作状态，以给CCD供电，开关切换“监视器”，将离接收端最近的测点波带板落下。

(2)在发射端的操作。将激光电源断开，打开监视器上电源，换上新激光管，调整保护套上的螺丝，使之处于保护套的中心，打开激光器电源，激光管将会发光。调整激光管支架上的调整螺丝，使激光通过小孔光栅的亮度最大。然后观察监视器的光斑图像，调整到光斑最亮、最清晰，能看见波带板明暗相间的条纹为最佳。

3、真空泵故障。

(1)真空度不够。如果是进气管及连接处漏气，则用真空封泥封堵；如果是泵油、排气阀损坏或排气阀橡胶垫圈损坏，则检查并更换；如果是机件损坏，则需进行修理或更新。

(2)油温过高。将泵拆开检查修理，降低冷却水温度或是增加冷却水流。

四、结语

真空激光准直系统用于大坝安全监测是近年来才发展起来的，其性能稳定，观测精度高，用户界面友好，操作灵活便捷，观测成果输出简单，安装调试完成后，维护工作量小，自动化程度高，是实现电站“无人值班、少人值守”运行管理模式的首选观测系统。在万家寨水电站大坝观测中，初步取得了良好效果。