CN101231156A - 土石坝位移分段激光准直监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种大坝变形监测的方法及，从起点(0^#点)发射一束激光，在1^#测点安置一个波带板，2^#测点安置一个传感器。0^#点发射来的激光经过1^#测点的波带板衍射后，在2^#测点的传感器上形成光斑，通过2^#测点的检测电路测量出该光斑的位置，此为波带板激光准直的一个分段；再从1^#测点再发射一束激光，通过上述方法形成波带板激光准直的又一个分段；依次类推，传递到终点，测量出终点光斑的位置。用测量出的每个传感器上光斑位置的变化量，就可以计算出各个测点的位移。

Description

土石坝位移分段激光准直监测方法

本发明涉及到一种大坝变形监测方法，特别是涉及到针对土石坝的外部变形或者位移进行自动监测的方法。

土石坝施工期和建成初期的位移较大，根据已经建成土石坝的人工观测资料统计结果，最大的水平位移和垂直位移接近坝高的百分之一，如果大坝的高度为100米，那么最大位移将近1000毫米。目前广泛应用于混凝土坝外部变形监测的垂线法、引张线法、激光准直法都是因为其量程不够而不能应用于土石坝的施工期和建成初期。近几年开始应用的、利用全球卫星定位系统(GPS)监测大坝外部位移的方法在技术上是可行的，但是造价昂贵，并且因为GPS天线必须暴露在外，施工期极易受到施工的破坏，另外此法还受到卫星使用权的限制。所以，目前大坝外部变形自动监测的方法和设备都不适用于施工期和建成初期土石坝的位移监测。因此，目前土石坝的外部变形监测还是用人工观测，效率很低，劳动强度大，施工期观测经常受到施工的干扰，观测人员的人身安全难以保障，观测设施经常受到施工的破坏，资料不连续。

本发明的目的是要提供一种土石坝外部变形自动监测方法，它能有效地对土石坝各个时期的外部变形以及其他类型的大坝、边坡、护坡、边墙、挡墙和隧洞的外部变形进行自动监测。

本发明的原理是：从起点(0^#点)发射一束激光，在1^#测点安置一个波带片，2^#测点安置一个传感器。0^#点发射来的激光经过1^#测点的波带片衍射后，在2^#测点的传感器上形成光斑，通过2^#测点的检测电路测量出该光斑的位置，此为波带板激光准直的一个分段；

从1^#测点再发射一束激光，在2^#测点上安置一个波带片，3^#测点安置一个传感器，1^#测点发射来的激光经过2^#测点的波带片衍射后在3^#测点的传感器上形成光斑，通过3^#测点的检测电路测量出该光斑的位置，这又是波带板激光准直一个分段；

依次类推，最后传递到终点，测量出1^#测点后的每个测点(包括终点)的光斑位置。用测量出的每个传感器上光斑位置的变化量，就可以计算出各个测点的位移。

下面结合附图对本发明进行详细说明。

附图1是本发明的原理图。

附图2是本发明的位移推导原理图。

附图3是本发明的传感器量程计算原理图。

位移公式的推导和精度分析。以5个测点为例，如附图1所示。位移符号和传感器的正方向均按《混凝土大坝安全监测技术规范》规定，即水平方向向下游为正，垂直方向向下方为正；假定起点在右岸，终点在左岸，测点间距为S，各个传感器上的光斑位置变化量为g_i，各个测点的绝对位移为X_i，

从附图1中取出相邻的3个测点，见附图2。测点产生位移后，3个点的位置由原来的在一条直线上分别移到1、2和3的位置。此时i-2号测点发出来的激光经过i-1号测点的波带板衍射后，在i测点的位敏传感器上形成的光斑位置为P。根据几何关系可得：

g_i＝-(a-b)，a＝2c，b＝-(X_i-X_i-2)，c＝-(X_i-1-X_i-2)。将后三个式子代入第一个式子，整理后得：

X_i＝-g_i+2X_i-1-X_i-2………………………………………(1)

将i＝2和i＝3代入(1)式即可得出2^#测点和3^#测点的位移

X₂＝-g₂+2X₁-X₀，

X₃＝-g₃+2X₂-X₁

将X₂＝-g₂+2X₁-X₀代入3^#测点位移公式得

X₃＝-g₃-2g₂+3X₁-2X₀，从而可以得出一般式：

X_i＝-g_i-2g_i-1-3g_i-2-…-(i-1)g₂+iX₁-(i-1)X₀…………(2)

其中X₁为1^#测点的位移，是未知数，X₀为起点的位移。

结合附图1知，X₆为终点的位移。起点和终点都是工作基点，它们的位移是已知的，通常它们都是不动点，所以，为了论述简便，不妨令X₀＝0，X₆＝0。将X₀＝0代入(2)式得出各个测点位移通式为

X_i＝-g_i-2g_i-1-3g_i-2-…-(i-1)g₂+iX₁………………………(3)

将X₆＝0代入上式得

X₁＝(5g₂+4g₃+…+1g₆)/6。

求出X₁后，利用(3)式，就可以依次求出X₂至X₆

实际上，不论有多少个测点，都可以用(3)式求出X₁，之后依次求出其他测点的位移。

以上就是分段激光准直的原理，它就是在两个工作基点间形成两条激光准直光路，每条准直光路由若干个分段组成，每个分段由相邻3个测点组成激光准直光路。两条准直光路是半错开(半搭接)的。

该方法的精度分析。如果起点和终点之间的测点数为奇数，则正中间的测点精度是最差的，如果它的精度满足要求，那么其他测点地精度也满足要求。所以，只分析正中间的测点精度就可以了。

对于有奇数个测点的系统，正中间测点的位移通式为：

$X_i=\frac{1}{2}\underset{j=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}j\×g_{n+2-j}+\frac{1}{2}\underset{j=i-1}{\overset{1}{\mathrm{\Σ}}}j\×g_{j+1},$ n为两端点间的测点数

如果测点间距S为30米，测点数为19，那么可以测量的土石坝长度为30×20米＝600。中间点的位移公式为：

X₁₀＝(1g₂₀+2g₁₉+…+9g₁₂+10g₁₁)/2+(9g₁₀+8g₉+...+2g₃+1g₂)/2

每个传感器测值g_i的精度是相同的，对于目前的CCD或者PSD而言，g_i的中误差m可以达到正负0.04毫米，那么，根据误差传播定律，经计算，X₁₀的中误差为M₁＝±0.52毫米。

以上分析的是偶然误差。

在g_i中还包含系统误差。在本方法中，系统误差主要是折光差。因为每个分段的准直距离为60米，中间点折光差最大，根据折光差公式

$\mathrm{\ϵ}=3.933U\·V\·\frac{P}{T^2}\·\frac{\∂T}{\∂Y}$

式中：ε——测点偏离值的折光差

U——测点至点光源距离

V——测点至探测仪距离

P——大气压强，即工作真空度

T——绝对温度

经计算得知每个测点g_i包含的最大折光差为0.03毫米。

X₁₀计算公式的各项系数之和为50。最不利的情况是每个测点的折光差方向相同，那么，X₁₀的系统误差为M₂＝1.5毫米。

X₁₀的综合误差 $M=\sqrt{M_1^2+M_2^2}=1.59$ 毫米。

从以上的分析可以看出，对于坝顶长度为600米的土石坝，用本方法测坝顶位移，其中误差最大只有±0.52毫米，系统误差最大为1.5毫米，最大综合误差1.59毫米。对于施工期和建成初期的几十厘米甚至到米级的位移值而言，其相对精度至少不会低于0.5％，这个精度是完全满足大坝监测的要求的。对照混凝土拱坝径向位移综合中误差不大于2毫米的要求，本方法的精度也满足大坝建成后的正常使用期的监测精度要求。

对于长度大于600米的土石坝，测点数增加，系统误差的累积将超过2毫米。大坝建成几年后进入正常使用期时，这样的精度就不满足要求了，这种情况就必须增加抽真空系统来减小折光差。

传感器量程确定。如果用两维传感器，结构简单，但大量程的两维传感器价格很高，可以用两个一维传感器代替一个两维传感器，其前面安置一个分光镜即可。如果坝长600米，中间点的最大位移为2米，位移分布曲线假定为圆弧形，其半径为R，见附图3。

由简单的几何关系求出R＝22501米，位移分布曲线方程为

X²+Y²＝22501²

1^#测点的Y₁ ²＝22501²-X₁ ²＝22501²-(-270)²

解得Y₁＝22499.38，那么1^#测点Y向位移即为Y₁-(R-2)＝0.38米，同理可得Y₂＝22499.72，2^#测点Y向位移为0.72米。从而可知光斑位置P到测点之间的距离P2＝2×0.38米-0.72米＝0.04米＝40(毫米)，这个数值即为传感器的计算量程。实际采用传感器的量程为50×50是足够用的。

如果坝又短又高，位移较大，位移分布曲线曲率半径变小，计算量程就会增大。此时如果选用更大的传感器，就很不经济了。可以将测点上的波带板位置设计成可调节的，如果光斑脱离传感器，调整波带板位置，使光斑回到传感器上。

一共调节两到三次就可以了，调节很方便。通过调节，目前绝大多数的土石坝都能满足这个条件。

其他类型(曲线型除外)的大坝、边坡、护坡、边墙、挡墙和隧洞的外部变形都小于土石坝，所以本发明对上述建筑或物体的变形也能进行自动监测。

通过上面的论述，对于目前国内国际的绝大多数土石坝，该方案在技术上是可行的，经济上是合理的，精度是满足规范要求的。

本发明十分经济有效地解决了土石坝施工期和运行初期位移大，一般传感器量程不够的位移自动监测问题；系统全密封无任何机械运动，长期稳定可靠；长度600米以内的系统不必抽真空，免去了成本很高的自动抽真空系统和真空管道，操作也变得十分简单，测量时间短(一次测量只需5分钟)，可真正实现实时和远程监测，维护的工作量很小；起点和终点都不必建观测房；如果需要管道，其直径小于159毫米，管道成本低，占用空间少，易于布置；可实现一维或二维位移监测；全天候测量，不受大坝泄洪和震动的影响；系统安装在马道地面以下，可以避免坝体填筑施工对系统的破坏；保证了施工期观测人员和设备的安全以及观测资料的连续性。

Claims (2)

1.一种土石坝外部变形自动监测方法，其特征在于，在两个工作基点间形成两条激光准直光路，每条准直光路由若干个分段组成，每个分段由相邻3个测点组成激光准直光路。

2.根据权利要求1所述的土石坝外部变形自动监测方法，其特征在于，该方法还可以对其他类型(曲线型除外)的大坝、边坡、护坡、边墙、挡墙和隧洞的外部变形进行自动监测。

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