高 帅,缪志选 ,刘伟栋

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

谷幅变形是指拱坝下游库岸发生的平面变形，弦线变形是指拱坝坝体弦长的平面变形。拱坝是超静定结构[1-2]，通过拱作用将水荷载传递到两岸山体，坝体结构受力对坝基变形极为敏感。相比于重力坝，谷幅变形对拱坝结构安全性的影响较大，因此对拱坝的谷幅(弦线)变形监测就显得极为重要[3-4]。通过全生命期谷幅(弦线)变形监测，能为拱坝的正常运行提供保障[5-6]。传统谷幅(弦线)变形观测主要是依靠全站仪进行人工测量，受天气、地形等的影响，测次较少、测量频率低、成果报送不及时。本文采用迪马斯激光测距仪实现谷幅(弦线)的全时段自动化监测，使用最小二乘法对自动化采集的日均谷幅(弦线)变形值进行分析，最终验证该谷幅(弦线)自动化采集系统的精度。

1 谷幅(弦线)监测布置

李家峡水电站位于青海省尖扎县和化隆县交界处的黄河干流李家峡河谷中段，上距黄河源头1 796 km，下距黄河入海口3 668 km，是黄河上游水电梯级开发中的第三级大型水电站。大坝为三心圆双曲拱坝，坝长414.39 m，坝高155 m，坝顶宽8 m，坝底宽45 m。

李家峡坝下游河谷共设有5条谷幅测线，分别布置在高程2 185.00、2 160.00、2 155.00、2 130.00 m上，点位名称为：TP17～LJ03、LJ05～LJ07、TP15～LJ07、TP13～TP02、TP16～TP06，谷幅测线主要是利用坝址区左右岸的岩表位移测点量测期相对距离变化量，以监测河谷两岸岩体的横河向变位情况。李家峡拱坝共布置了2条弦线，分别位于高程2 150.00、2 185.00 m，点位名称为TP1-1～TP20-1、TP4-2～TP19-2，谷幅(弦线)见图1。弦线测线用于监测拱坝两端弦受力时弦线变化；7条谷幅(弦线)均自1996年开始使用瑞士Leica全站仪进行监测，每月2次。具体如表1。

表1 谷幅弦线测点表

2 谷幅(弦线)自动化监测

谷幅(弦线)自动监测系统采用激光测距传感器、气象传感器通过采集模块进行各物理量采集并通过光纤将数据传输到后台，系统软件进行数据处理并发布谷幅(弦线)监测成果，最终实现全流程无人工干预、全过程自动化、实时监测实时发布。谷幅(弦线)自动化监测系统见图2。

2.1 自动化采集改造

2021年4月至5月进行谷幅(弦线)自动化采集的改造。距离测量采用迪马斯激光传感器，同步自动采集干、湿温度及气压元素，距离改算为气象改正。

谷幅(弦线)自动化监测系统由包括测距传感器(迪马斯激光传感器)、反射设备、气象传感器及供电、通讯、数据终端、数据处理系统等软硬件构成，传感器采集物理量信号，数据终端转换为测量成果。激光测距数值受气压温度影响较大，GB/T 16818-2008《中、短程光电测距规范》中规定的气象修正模型校正如下：

ΔDm=D′(n0-ni)×10-6

(1)

(2)

(3)

公式(1)～(3)中：ΔDm为距离气象改正值，mm；D′为距离观测值，mm；n0为真空中的标准折射率；λ为测距光源真空中波长，μm；ng为标准大气压条件下光的群折射率；t为气温，℃；P为气压，hPa;e为水蒸气压，hPa。

在峡谷复杂微气象条件下，很难达到满足上述计算公式的平稳气象条件，因此，测距数值适时需要测量时刻的气象参数进行改正，削弱外界环境对测距数值的影响，保证监测精度。自动化监测系统加装气象传感器，同步采集，适时改正，测距仪器与气象仪器出线端均穿管保护与预设管线相连，迪马斯FLS-C10系列产品在0.05～500 m全量程范围内性能稳定、数据质量高、使用灵活方便。见图3～4。

2.2 自动化实施前后数据分析

谷幅(弦线)变形监测数据统计基于谷幅(弦线)自动化在2021年5月至8月期间采集的数据，采集的数据包含距离、干湿温度和气压。数据采集频次为次/h，实际采集过程中由于外界干扰存在断测现象。采集完成后选择两条测线自动化实施前后数据(各9组数据)对比如表2所示，2条谷幅(弦线)自动化采集实施前后的过程线如图5～6。

表2 自动化实施前后数据统计

分析图表可以看出，自动化实施前后测值变化比较小,仅为0.0154%～0.2056%，自动化实施后谷幅(弦线)测值整体产生了台阶，主要原因如下：

(1) 测距设备的变化导致测端和棱镜端产生外部距离变化，从而使数据产生“台阶”。

(2) 此外早期监测数据为平距，自动化改造后的数据为斜距，因此新旧数据间存在固定差值。

综上可知，自动化实施前后的数据变化幅度较为稳定，选取的两条测线的变化幅度分别稳定在0.015%和0.205%附近，新旧测量数据的台阶为自动化系统实施后的固定误差，对监测数据的对比分析无影响。后期可用此差值作为新旧系统间数据衔接的转换常数，实现监测数据的连续性。

2.3 自动化采集数据精度分析

选取两条测线TP20-1～TP1-1弦线及LJ05～LJ07谷幅自动化实施后，5—8月之间的数据进行变形监测数据(相对于前一天)分析，将一天内的观测值利用最小二乘方法计算日均谷幅(弦线)变形值，整合后的过程线如图7～8所示。

从结果中可以看出，该结果在时间序列上虽然也呈现震荡现象，但频次较低。此外，在2021年5月至8月期间，测线整体变形较小，数据变化量在±1 mm之间。对测量数据的均方差进行计算，统计结果如表3。

表3 李家峡水电站谷幅(弦线)日均变形值均方差

由表3中可以看出，数据均方差均值为0.5 mm。自动化采集数据频率为每小时一次，数据量较大，然而数据均方差小于1.0 mm的占比在93%以上，证明了数据的可靠性。

3 结 论

本文对李家峡水电站的7条谷幅(弦线)进行自动化采集改造，通过对改造前后数据的分析，形成结论如下：

(1) 自动化实施前后监测数据产生了“台阶”，然数据变化幅度较为稳定，后期可利用台阶差值作为新旧系统间数据衔接的转换常数，实现监测数据的连续性。

(2) 基于迪马斯激光传感器的谷幅(弦线)自动化测量设备在精度上满足1 mm+1 ppm的监测需求。且该方法观测频次高、数据报送及时，能为拱坝谷幅(弦线)监测提供高精度的连续数据。

该谷幅(弦线)自动化采集系统的成功实施对其它拱坝谷幅(弦线)监测提供了参考依据，如何在更为复杂的气象条件下实现谷幅(弦线)自动化采集，是下一步需要研究的方向。