参窝水库大坝位移监测设计

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　　3、真空激光系统原理

　　真空激光系统是将波带板激光准直和一套适应大坝变形特点的软连接与真空管道结合起来，使激光束在真空中传输，利用激光束作为基准线，通过量测激光束经测点波带板在接收屏上所成的像的位置变化而得到两个方向的变形。

db37t 5226-2022 岩土工程勘察文件编制标准　　3.1 波带板激光准直原理

　　波带板是一种光栅，也称为聂菲耳透镜，当它被激光点光源发出的一束可见的单色相干光照射时，相当于一块聚焦透镜，在光源和波带板中心延长线上的一定距离处，形成一个中心特别明亮的衍射图像——圆形光点。

　　在实际应用中，可以在大坝两端稳定处固定点光源A、激光像点探测仪C，在要观测位移的各坝段测点上，设置相应的波带板B，如图。

　　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。

　　δ=（U/L）·Δ（1）

　　用（1）式计算的位移，是测点相对于两端点的位移。真空激光系统的两端点布置在两岸山体的洞内，端点位移可以忽略不计。

　　3.2 大气扰动原理

　　波带板激光准直的精度，主要受大气扰动的影响。这种影响可分为两部分：一是气体中存在折身率梯度，引起光束偏折，使像点位移，即折光差，属于系统误差；二是折身率梯度的瞬间变化——大气湍流引起的光束漂移，即像点的跳动和闪烁，属于随机误差。

　　各种光学准直法的折光差近似公式如下

　　式中：ε——测点偏离值中含有的折光差

　　P——气体压强（Pa）

　　T——绝对温度（273.2）

　　Δt——温度梯度（℃/cm）

　　测值中含有的折光差和测点到两端点的距离乘积成正比，准直线中间测点折光差最大；折光差还和温度梯度成正比，和气体压强成正比。通过设置真空管道，使激光束在真空中传输，由于气体压强大大减小，折光差也大大减小。

　　真空激光系统用于监测大坝水平位移和垂直位移，由发射端、接收端、真空管道、测点箱、抽真空系统、人工观测装置、上位机管理系统组成，见图2。

　　图2真空激光准直系统主要设备连接示意图

　　4.1 发射端和接收端

　　参窝水库在80年代初期也曾进行大气激光准直观测改造，后虽然没有改造完成，但大坝两头的激光洞已经开挖完成，因此，此次设计就利用原有的激光洞。激光洞位于大坝两头的山体内，各深入近20m，可视为不动点，以这样的点作为激光系统的工作基点，可以不用设置端点改正设备。考虑方便平时测量，将右岸激光洞作为发射端，将左岸激光洞作为接收端。发射端布置激光点光源；接收端布置测控系统、抽真空装置和人工观测装置。发射端和接收端的端点设备充分考虑防水、防潮和防雷击，采用全密封设计。

　　上位机与现场测控微机之间采用光纤和微波连接草坪施工方案，系统的全部自动观测操作可在上位机和35km外的水库辽阳基地授权微机上操作执行。

　　在测控方式上，系统要求有灵活多样的选择。测量前管道中要达到一定的真空度，系统可以启用真空度保持。系统可以进行全部测点的巡测，也可以进行单点测量，还可以进行定时测量；可以自动巡测，也可以进行人工测量；可以进行单点长时段测量数据查询或绘制过程线，也可以进行多点测量数据查询或绘制过程线。

　　4.4 真空管道管径的选择

　　根据规范，真空管道的内径应大于波带板最大通光孔径的1.5倍，或大于测点最大位移量引起象点位移量的1.5倍，但不宜小于150mm。综合参窝水库多年人工观测成果，保证有足够的冗余度和可靠性，选择真空管道管径为219mm。

　　4.5 真空管道安装位置的确定

　　真空管道放置于交通桥和门机梁翼缘的下方，轴线高程为103.27，水平桩号为0+4.94，在过溢流坝段时采用吊环固定，这样即监测了大坝坝顶的位移，满足了激光系统的安装需要，又使大坝坝面整洁美观，对原结构的破坏最小，不影响坝上其它设备的运行维护。

　　在4#~31#坝段jjf(冀) 3006-2019标准下载，每个坝段布置一个测点，共28个测点，测点布置于测点箱内，测点箱与坝体紧密结合，能够实时反映大坝位移。测点箱内布置波带板及其控制马达。

　　参窝水库大坝真空激光观测系统于2002年8月开工建设，2003年8月安装完成。经过2年的运行，该系统测量方便、快捷，不受天气影响，提供了定时测量、巡测和单点测量等多种测量方式，能够同时对水平位移和垂直位移进行自动监测，精度较高，取得了良好的监测效果。