真空激光准直法 白石水库真空激光波带板实例讲解

真空激光准直系统在白石水库大坝位移观测中的应用1工程概况
白石水库位于辽宁省北票市上园镇附近的大凌河干流上，总库容16.45亿m3，是干流上唯一的大（I）型控制性骨干工程. 大坝为混凝土重力坝，部分采用RCD碾压混凝土技术. 最大坝高49.3 m,坝顶长513 m,分为32个坝段.
坝址处两岸山坡较陡，地层出露侏罗系兰旗组玄武质安山岩和凝灰质砾岩.坝基弱风化岩岩石节理较发育，节理密集，无充填物.坝基下有12条断层通过，断层最大宽度2 m左右，倾角65º～89º,填充物多以角砾岩为主，局部有少量夹泥.
白石水库于1999年9月下闸蓄水，用于监测坝顶变形的真空激光准直系统于2001年1月建成并投入运行.
2真空激光准直系统简介
2. 1工作原理
真空激光准直系统的，也称波带板激光准直法，如图1所示：
从发射端①向接收端发射激光束，激光经过布设在各个坝段上的波带板时，发生衍射现象，在接收端形成一个光斑④，当位于测点位置的波带板②，随着坝顶测点发生水平或垂直位移至③时，通过探测仪观测光斑位置⑤的变化，就可以通过计算，确定测点③的位移值.
计算公式如下：X相＝X测× Ln ÷ L
式中：X相——测点位移值 X测——接收端观测值Ln——发射端至波带板距离 L ——发射端至接收端距离
2. 2系统组成
真空激光准直系统由激光发射设备、真空管道、测点设备、激光光斑探测设备、端点位移监测设备、抽真空设备以及微机控制等几部分组成，其主要功能如下：
激光发射设备：为系统提供一个可以锁定的激光点光源；
真空管道：为激光束的传输提供一个压强小于40Pa的真空环境；
测点设备：用于安放测点波带板以及波带板起落装置的测点箱；
激光光斑探测设备：安装在接收端，是系统的主要测控设备，能够提供对各个测点波带板的起落控制，以及光斑坐标的探测，具备自动遥测和手动人工观测双重功能；
端点位移监测设备：监测激光发射设备和光斑探测设备的变位，以确定准直线的平面坐标.
2. 3系统布置
激光发射端布置于左坝头0#坝段观测室，内设220V AC 永久电源、激光光斑监视器、激光发生器以及三维倒垂线.
接收端设在右坝头31#坝段观测室，内有220V AC 及80V AC永久电源、抽真空设备两套、CCD 自动及人工两用坐标仪、测点控制箱、微机控制系统、三维倒垂线等设备。

此外，为保障真空泵在冬季能够正常工作，室内安装了2000W电热器两台.
真空管道长500 m ，采用Ф219×6.5 mm 无缝钢管焊接而成，布置于坝顶上游侧. 管道与测点箱以及管道与发射、接收端联接段采用波纹管软连接技术，使测点箱可以随坝体位移而自由变位，不受真空管的约束.
在1#～30#坝段坝顶中部，各设置1各测点，整个大坝共计30个测点（编号为DJ01～30）. 系统布置如图2所示.
图2白石水库坝顶激光观测系统示意图
2. 4主要性能及技术指标
真空激光准直系统量程为 0~173 mm ，人工观测分辨率：0.02 mm，自动观测分辨率：0.01 mm .两台真空泵同时工作情况下，管道内压强从大气压抽至小于40 Pa，用时约15～20分钟，人工观测一次用时约40～50分钟，自动观测一次用时约10分钟.
2. 4系统管理软件
系统管理软件基于中文Win98
人工输入的观测数据，生成报表和过程曲线.
3观测资料分析
本文选用2001年2月到2002年12月坝顶位移实测数据，绘制的位移过程曲线如图3 . 白石水库坝前水位及库区平均气温情况，如图4.
图
3 白石水库坝顶激光观测过程曲线
图4 白石水库坝前水位及库区日平均气温
3. 1 水平位移分析 ① 坝顶水平位移呈年周期性，位移量随温度变化而变化；由于近年来库水位较低，坝顶水平位移与库水位的相关性不明显.
② 左右坝头位移变化量很小，中部坝段变化量相对较大，最大变幅14.13 mm ，发生在19#坝段.
③ 最大相对位移：上游方向7.34mm ，发生在13#坝段；下游方向8.06mm ，发生在14#坝段.
3. 2 垂直位移分析
① 坝顶垂直位移有年周期性，与平均气温呈明显相关性. ② 坝顶垂直位移最大变幅在9.17mm 左右，发生在21#坝段.
③ 最大相对位移，坝顶上升9.89mm ，发生在21#坝段，下沉2.15mm ，发生在24#坝段 4 结束语
真空激光准直法监测大坝变形，能够实现水平和垂直位移同步自动监测，其精度高，故障率低，便于维护，但系统造价较高，安装工艺比较复杂.经验表明，它是诸多大坝变形监测方法中，较理想的一种监测手段之一. 代表第三代产品的白石水库真空激光准直系统，采用CCD 采集方式，使系统的采集速度和精度都有大幅度提高. 系统能够进行自动观测、选点观测、人工手动观测或者遥控观测，为更好的实现监测自动化提供了方便
. 系统运行两年多来，出现过波带板控制片雷击损坏、激光发生器老化损坏等故障，经处理后能够很快恢复正常运行，系统维护方便，维护量很少.。