CN1048334C - 拱坝三维变形全自动追迹监测方法 - Google Patents

Abstract

拱坝三维变形全自动追迹监测方法：1.在各坝段上设被监测点测量各坝段上所设监测点相对该点位移；2.测量本平台相对上一个平台垂直激光束轴方向位移，同时向下一个平台发射激光测量光束；3.用自动安平技术保证相邻平台间在沿测量激光轴的铅垂面内无相对转动，用自动光电定向技术保证相邻平台间在水平面内无相对转动；4.设基准平台为0号，由矢量迭加法求出n相对0的位移，导出各坝段的位移。

Description

拱坝三维变形全自动追迹监测方法

本发明涉及一种拱坝三维变形全自动追迹监测方法，属于巨型建筑及大地形变的监测技术领域。具体地说是通过计算机控制的以激光为光源的光电全自动测量技术来实现拱坝三维形变的监测。

拱坝是曲线型坝，与重力坝等直线型坝相比，它的三维位移观测要复杂得多，直到目前为止，国内外仍没有令人满意的观测手段。

国内外拱坝的三维位移观测主要采用以下几种方法：

1、大地测量中的边角导线法：

这种方法是最早应用在拱坝变形观测上的。它与大地测量中的导线测量原理是一样的。理论上比较成熟，但在窄小、潮湿光线差的大坝廊道内用经纬仪和基线尺测量角度和边长是十分困难的，效率很低。这种方法正在逐渐被淘汰。

2、弦矢导线法：

弦矢导线原理与边角导线相同，只是改测角为测高，效率吸劳动强度比边角导线有所改善，这种方法在理论上是可行的。但结构复杂，系统整体可靠性差，设计上还有缺陷，有的单位用这种方法观测了5年，没得出真实的位移资料。现已停止使用。

3、廊道内直伸三维网：

由于全站仪的开发和应用导致了这种方法的产生。这种方法理论成熟，现场无设备，只是观测墩和底盘，结构十分简单。但最致命的问题是：潮湿的汛期(也是观测的最关键时期)廊道内的折光影响很大，又无法消除或改善，故此法应用受到极大的限制。另外所需人员多，工时长，操作繁琐。很难达到实用化。

4、正倒垂线法：

该方法主要是测坝体的挠度，由于造价，工艺和结构上的原因，正倒垂线法只能用于极个别的坝段上，故此法不能反映大坝整体的位移场。

5、直接GPS法：

直接用卫星定位系统的测坝变形方法已在国内应用，但这种方法适用于变形较大，并且在地形平缓的地区的土石坝，该方法不能实现自动化，还需人用GPS的接收仪一站一站地去测量，应用上受到一定的限制。

混凝土坝变形小，拱坝又处于山区，GPS系统在同时同4-6颗卫星通讯时，水平位移才能达到2毫米，只能满足部颁标准中有关拱坝坝顶的精度要求，与垂直位移精度和混凝土坝的要求相差甚远。

6.间接GPS法：

该方法的研究刚刚开始。为了解决GPS系统的通讯和精度问题，将类似一个星站的一套仪器建在坝区山坡上或山顶上，达到几个测站都能测到一个测点，这样水平、垂直位移精度都能提高。这种方法的造价很高，技术难度大，施工维护困难，在大坝泄洪时(监测的最关键时期)不能观测。

7.转角真空激光系统

这种方法的研究已进行5年了，但并未进入实用阶段，主要是转角棱镜的加工精度要求相当高，坝体六个方向的自由度带动棱镜位移所产生的位移很难改正。且该系统造价高，可靠性低。

8、真空激光准直系统

该系统是以激光束轴为测量基准，以垂直于激光束中的波带板为变形传感元件，以四象限硅光电池为变形信号接收元件的系统。

为维持光路介质的稳定，现有系统以置于光路中的真空钢管作为辅助系统；真空是靠观测前抽气机维持的。该系统是以HiNi激光器为激光源，当激光源发射激光时，真空管内的波带板根据测量的顺序临时置入激光束中，观测结束后波带板转出。该系统存在以下不足：

1)只能测量二维变形参数，即只能测量坝体沿水流方向的位移和坝体的垂直位移。

2)由于该系统是以一条激光束轴为基准、所以，只能测直坝，不能测拱坝。

3)由于受原理误差的限制只能测量较小变形(如10mm左右)，不能测量较大变形(如100mm左右)。原理误差有二个，一是波带板中心偏离激光轴后引起激光束不对称衍射，破坏了对称性而引起误差；二是未考虑激光器随坝体微小转动造成的基准失调误差。

4)系统结构庞大，观测前还需抽气机维持系统真空。

5)测量周期长，不能进行实时测量。

6)运行费用高；包括激光管寿命低，更换费用高，维持真空费用和运行的人工费用等。

7)该系统可维护性差。

本发明的目的在于针对上述存在的问题而提供一种拱坝三维变形全自动追迹监测方法，该方法能监测坝体的三维空间曲线上所设定的全部被测点的三维位移，它包括绝对位移和相对位移。

本发明的目的是这样实现的：

被监测量：

坝体上被监测点的三维位移为：ΔX、ΔY、ΔZ。

计量坐标系：被监测点与坐标原点重合，X轴与拱坝的径向方向重合，Y轴与重力方向重合，Z轴与拱坝的切向重合。

监测方法：

1.绝对参考坐标系：设基岩某点不动，绝对参考坐标系设于其上。从设于绝对参考系上的被监测点(即0点)作为起点，用逐段传递的方式测量各坝段上所设监测点相对参考坐标系的位移。

绝对参考坐标系可以从倒锤用光电方法导出。

2.在每个被监测点上有一个同样的激光测量平台，在刚性的测量平台上装有测量激光的发射端和接收端，接收端装有光电位移传感器，接收上一个测量平台激光发射器发出的测量激光，完成本平台相对上一个平台垂直激光束轴方向位移的测量。发射端装有半导体激光发射器，向下一个平台发射激光测量光束。相邻两平台间沿激光束轴的距离变化是用机电位移传感器测出的。

3.用自动安平技术保证相邻平台间在沿测量激光轴的铅垂面内无相对转动，用自动光电定向技术保证相邻平台间在水平面内无相对转动(或者说绕铅垂轴无相对转动)，这就保证了测量激光轴的空间方向相对于绝对参考系不变，从而使测量激光轴相对位移传感器无转动，以排除拱坝扭曲对平动测量的影响。

4.设0号平台相对绝对参考系不动，各坝段被监测点平台依次为1，2，3…故从1号平台可测出其相对0号平台的位移，从2号平台可测出其相对1号平台的位移，则2号平台相对0号的位移可用矢量迭加方法求出。其它各点依此类推，即可导出各坝段的位移。

5.为保证光路大气的稳定，避免水湿气、温度梯度对光路的影响，激光被设计在氦管中传播。

本发明的优点如下：

1、操作简单易行，即提高了工作效率，又改善了工作环境；

2、无测量原理误差，精度高；

3、可同时测量三维参数；

4、系统径向结构小；

5、无需观测前抽真空，氦气无渗漏，可根据情况5年检修一次；

6、全自动运行，实时监测；

7、激光使用寿命长＞5万小时；

8、维修方便。

图1为本发明系统框图。

图2为本发明单元框图。

下面结合附图详细描述本发明：

如图1、2所示，它是由若干相互之间有一定间隔的、有光电联系的测量平台组成的。测量平台为精密的三轴结构，由步进电机驱动绕铅垂轴和垂直于激光束轴的水平转动。摆式光学机械补偿器与测量平台相连。测量平台之间设有氦管，氦管的一端通过可转动的铰链与平台固定连接，氦管的另一端通过可自由滑动的铰链与机电位移传感器相连。每个测量平台上分别设有发射端及接收端，发射端装有半导体激光发射器，激光截面为圆形。接收端分别装有用于测量径向和垂向的光电位移传感器、用于测量切向的机电位移传感器及用于克服大坝变形(扭曲)时产生垂向转角的光电位移差动传感器，上述传感器通过接口电路与计算机相连，由计算机进行数据处理。

被监测量：坝体上被监测点的三维位移为：ΔX、ΔY、ΔZ。

计量坐标系：被监测点与坐标原点重合，X轴与拱坝的径向方向重合，Y轴与重力方向重合，Z轴与拱坝的切向重合。

监测方法：

1.绝对参考坐标系：设基岩某点不动，绝对参考坐标系设于其上。本方法是从设于绝对参考系上的被监测点即单元0^#作为起点，用逐段传递的方式测量各坝段上所设监测点即单元1^#、单元2^#、……单元n^#相对参考坐标系的位移。

绝对参考坐标系可以从倒锤用光电方法导出：

2.在每个被监测点上有一个同样的微型激光测量平台，在刚性的测量平台上装有测量激光的发射端和接收端，接收端装有光电位移传感器，接收上一个测量平台激光发射器发出的测量激光，完成本平台相对上一个平台垂直激光束轴方向位移的测量。发射端装有半导体激光发射器，向下一个平台发射激光测量光束。相邻两平台间沿激光束轴的距离变化是用机电位移传感器测出的。

3.当大坝变形(扭曲)时要产生沿径向和垂向两个转角，它将对位移监测是否准确产生至关重要的影响。用自动安平技术保证相邻平台间在沿测量激光轴的铅垂面内无相对转动，用自动光电定向技术保证相邻平台间在水平面内无相对转动(或者说绕铅垂轴无相对转动)，这就保证了测量激光轴的空间方向相对于绝对参考系不变，从而使测量激光轴相对位移传感器无转动，以排除拱坝扭曲对平动测量的影响。

4.设0号平台相对绝对参考系不动，各坝段被监测点平台依次为1，2，3…故从1号平台可测出其相对0号平台的位移，从2号平台可测出其相对1号平台的位移，则2号平台相对0号的位移可用矢量迭加方法求出。其它各点依此类推，即可导出各坝段的位移。

5.为保证光路大气的稳定，避免水湿气、温度梯度对光路的影响，激光被设计在氦管中传播。

本发明所述的激光准直技术：在一个被监测点(I)向另一个被监测点(J)的方向投射定向激光束，J点处设置光电位移传感器，用以测量该激光束轴的垂轴位移，以电量输出，与计算机配合实现二维位移的自动测量。激光是半导体激光，激光束截面为圆形。光电位移传感器可以是四象限硅光电池。

本发明所述的机电位移传感技术：一刚体，其一端用可自由转动的铰链固定于I点，另一端过J点处的铰链，且可自由伸缩。该刚体在J处与机电位移传感器相联，把I与J之间沿激光束方向的位移以电量形式传输至计算机，实现第三维方向的位移测量。中介钢体可以用氦管，机电位移传感器可以用线性电位电子尺。

本发明所述的自动安平技术和定向技术：自动安平技术是指激光束轴的自动水平技术，可以用与测量平台相联、电磁阻尼的重锤技术实现。光电定向技术是保证相邻测量平台间无水平相对转动的技术，是使从I平台射出的激光束在J平台的反光镜上返回到I平台的光电位移差动传感器上，当J相对I发生水平转动时，返回I处的光斑偏离传感器上的平衡位置，传感器产生差动信号指令J处的步进电机驱动J平台水平转动，光斑回复到传感器的平衡位置时，J相对I的转动被消除。

实现自动安平和光电定向的机械结构是三轴测量平台。

本发明所述的氦管技术：是两端光学密封的金属长管，抽真空处理后灌氦气，置于光路中。以保证光路折射介质的光学性质稳定。

本发明采用计算机采集、处理存储及传输数据，实现了对大坝位移参数的全自动实时监测。

Claims (1)

1、一种拱坝三维变形全自动追迹监测方法，其特征在于包括步骤：

(1)设置绝对参考坐标系：设基岩某点不动，绝对参考坐标系设于其上；

绝对参考坐标系可以从倒锤用光电方法导出；

(2)在每个被监测点上有一个同样的激光测量平台，在刚性的测量平台上装有测量激光的发射端和接收端，接收端装有光电位移传感器，接收上一个测量平台激光发射器发出的测量激光，完成本平台相对上一个平台垂直激光束轴方向位移的测量，发射端装有半导体激光发射器，向下一个平台发射激光测量光束，相邻两平台间沿激光束轴的距离变化是用机电位移传感器测出的；

(3)在各被监测点之间设置氦管，以保证激光在均匀介质中传播；

(4)用自动安平技术保证相邻平台间在含测量激光轴的铅垂面内无相对转动，用自动光电定向技术保证相邻平台间在水平面内无相对转动；

(5)从设于绝对参考坐标系上的被监测点作为起点，用逐段传递的方式测量各坝段上所设监测点相对参考坐标系的位移，设0号平台相对绝对参考系不动，各坝段被监测点平台依次为1，2，3…故从1号平台可测出其相对0号平台的位移，从2号平台可测出其相对1号平台的位移，则2号平台相对0号的位移可用矢量迭加方法求出，其它各点依此类推，即可导出各坝段的位移；

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