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.

 

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操作平台开发，可以设置测量状态，并储存计算测量数据或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.

 

【第一作者简介】       韩  卫（1971—），男，汉族，籍贯河北保定，工程师，学士，电话0421-5998045，

从事专业：大坝安全监测，工作单位：辽宁省北票市上园镇辽宁省白石水库管理局（122115）

许小华（1972—），女，工程师，工作单位：辽宁省白石水库管理局

李宝石（1976—），男，助理工程师，工作单位：辽宁省白石水库管理局