專利名稱：土石壩位移分段激光準(zhǔn)直監(jiān)測方法
土石壩位移分段徵光準(zhǔn)直監(jiān)獮方法本發(fā)明涉及到--種大壩變形監(jiān)測方法，特別是涉及到針對土石壩的外部變形 或者位移進行自動監(jiān)測的方法。土石壩施工期和建成初期的位移較大，根據(jù)己經(jīng)建成土石壩的人工觀測資料 統(tǒng)計結(jié)果，最大的水平位移和垂直位移接近壩高的百分之一，如果大壩的高度為 l()()米，那么最大位移將近1000毫米。目前廣泛應(yīng)用干混凝土壩外部變形監(jiān)測的垂線法、引張線法、激光準(zhǔn)直法都是因為其量程不夠而不能應(yīng)用于土石壩的施工期和建成初期。近幾年開始應(yīng)用的、利用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)((;ps)監(jiān)測大壩 外部位移的方法在技術(shù)土是可行的，但是造價昂貴，并ii因為gps天線必須暴露 A;外，施工期極易受到施工的破壞，另外此法還受到衛(wèi)星使用權(quán)的限制。所以， 目前大壩外部變形自動監(jiān)測的方法和設(shè)備都不適用于施工期和建成初期土石壩 的位移監(jiān)測。因此，目前土石壩的外部變形監(jiān)測還是用人工觀測，效率很低，勞 動強度大，施工期觀測經(jīng)常受到施工的千擾，觀測人員的人身安全難以保障，觀 測設(shè)施經(jīng)常受到施工的破壞，資料不連續(xù)。本發(fā)明的目的是要提供一種土石壩外部變形自動監(jiān)測方法，它能有效地對土 石壩各個時期的外部變形以及其他類型的大壩、邊坡、護坡、邊墻、擋墻和隧洞 的外部變形進行自動監(jiān)測。本發(fā)明的原理是"從起點④a點)發(fā)射-一束激光，在l"測點安置-一個波帶 片，2l則點安置一個傳感器。(T點發(fā)射來的激光經(jīng)過l，則點的波帶片衍射后，在2"測點的傳感器上形成光斑，通過28測點的檢測電路測量出該光斑的位置，此為 波帶板激光準(zhǔn)直的--個分段；從n則點再發(fā)射一束激光，在2，』點上安置一個波帶片，H則點安置一個 傳感器，r測點發(fā)射來的激光經(jīng)過2#測點的波帶片衍射后在3"測點的傳感器上形成光斑，通過3，則點的檢測電路測量出該光斑的位置，這又是波帶板激光準(zhǔn)直一 個分段；依次類推，最后傳遞到終點，測量出1#測點后的每個測點(包括終點)的光斑位置。用測量出的每個傳感器上光斑位置的變化量，就可以計算出各個測點 的位移。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細(xì)說明。 附

圖1是本發(fā)明的原理圖。 附圖2是本發(fā)明的位移推導(dǎo)原理圖。 附圖3是本發(fā)明的傳感器量程計算原理圖。
位移公式的推導(dǎo)和精度分析。以5個測點為例，如附圖1所示。位移符號和 傳感器的正方向均按《混凝土大壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，即水平方向向下游
為止:，垂直方向向下方為正；假定起點在右岸，終點在左岸，測點間距為s，各
個傳感器上的光斑位置變化量為gi，各個測點的絕對位移為Xi，
從附圖1中取出相鄰的3個測點，見附圖2。測點產(chǎn)生位移后，3個點的位
究由原來的在一條直線上分別移到l、 2和3的位置。此時i-2號測點發(fā)出來的
激光經(jīng)過i-1號測點的波帶板衍射后，在i測點的位敏傳感器上形成的光斑位置
為P。根據(jù)幾何關(guān)系可得
gi = -(a-b)， a=2c， b=-(Xi -2), dt - X;》,,將后三個式子代入第 -個式子，整理后得.. ，
X產(chǎn)-gi+ 2Xi—, - Xi2 .............................................(1)
將i=2和i=3代入(l)式即可得出28測點和3，ij點的位移 X2 = -g2+ - X0，
將& = -g2+ 2X, - X。代入3，!)點位移公式得
X3 = -g3- 2g2+ :仏-2Xo，從而可以得出一般式
Xi = -gi- 2gi—t - 3g"2——(i-l)g2+iX,-(i-l)Xo ............(2)
K中x,為r測點的位移，是未知數(shù)，x。為起點的位移。
結(jié)合附圖i知，厶，終點的位移。起點和終點都是工作基點，它們的位移是
"知的，通常它們都是不動點，所以，為了論述簡便，不妨令x。d， x6=o。將
X。 = 0代入(2)式得出各個測點位移通式為
X;二-gi- 2g,—' - 3gi—廣…-(i-1)fe+iX,...........................(3)
將^ =()代入上式得X,= (5g2+4g3+."+lg6) /6。 . 求出Xi后，利用(3)式，就可以依次求出X2至X6
實際上，不論有多少個測點，都可以用(3)式求出Xi，之后依次求出其他測 點的位移.，
以上就是分段激光準(zhǔn)直的原理，它就是在兩個工作基點間形成兩條激光準(zhǔn)丄'i. 光路，每條準(zhǔn)直光路由若干個分段組成，每個分段由相鄰3個測點組成激光準(zhǔn)i'i: 光路。兩條準(zhǔn)直光路是半錯開(半搭接)的。
該方法的精度分析。如果起點和終點之間的測點數(shù)為奇數(shù)，則正中間的測點 粘度是最差的，如果它的精度滿足要求，那么其他測點地精度也滿足要求。所以， u分析正中問的測點精庫就可以了 。 ，
對f有奇數(shù)個測點的系統(tǒng)，正中間測點的位移通式為 《^i)x;2.,^t/x^ ' n為兩端點間的測點數(shù)
如果測點間距S為30米，測點數(shù)為19，那么可以測量的上石壩長度為30 X 20米-600 。中間點的位移公式為
X'()二 (1g加+2g,9+…+9g!2+10gu) /2+ (9gl。+8g9+ +2g3+lg2) /2
每個傳感器測值gi的精度是相同的，對于目前的CC()或者PSD而言，gi的屮 W差m可以達(dá)到正負(fù)O.(M毫米，那么，根據(jù)誤差傳播定律，經(jīng)計算，X^的屮議 久'::為M,二土O. 52毫米。
以上分析的是偶然誤差。
在gi中還包含系統(tǒng)誤差。在本方法中，系統(tǒng)誤差主要是折光差。因為每個分 段的準(zhǔn)直距離為60米，中間點折光差最大，根據(jù)折光差公式
/) P7，
式中 ￡ ~~—測點偏離值的折光差
1>~一測點至點光源距離
v——測點至探測儀距離
P——大氣壓強，即工作真空度
' T——絕對溫度 'QT/QY-溫度梯度
經(jīng)計算得知每個測點gi包含的最大折光差為0. 03毫米<, X,。計算公式的各項系數(shù)之和為50。最不利的情況是每個測點的折光差力向 相問，那么，X,。的系統(tǒng)誤差為M2二1.5毫米。
X,。的綜合誤差M=/Mi2+M; =1. 59毫米。
從以上的分析可以看出，對于壩頂長度為600米的上石壩，用本方法測壩頂 位移，其中誤差最大只有土0.52毫米，系統(tǒng)誤差最大為1.5毫米，最大綜合誤
)::i.59毫米。對于施工期和建成初期的幾十厘米甚至到米級的位移值而H，其
招對精度至少不會低于().5%，這個精度是完全滿足大壩監(jiān)測的要求的。對照混 凝上拱壩徑向位移綜合中誤差不大于2毫米的要求，本方法的精度也滿足大規(guī)建 成后的正常使用期的監(jiān)測精度要求。
對于長度大F 600米的土石壩，測點數(shù)增加，系統(tǒng)誤差的累積將超過2毫米。 人壩建成幾年后進入正常使用期時，這樣的精度就不滿足要求了，這種情況就必 須增加抽真空系統(tǒng)來減小折光差。
傳感器量程確定 如果用兩維傳感器，結(jié)構(gòu)簡單，但大量程的兩維傳感器 價格很高，可以用兩個一維傳感器代替--個兩維傳感器，其前面安置 一個分光鏡 即可。如果壩長600米，中間點的最大位移為2米，位移分布曲線假定為圓弧形， "半徑為K，見附圖3。
由簡單的兒何關(guān)系求出R=22501米，位移分布曲線方程為
X'+f:225()1」
18測點的Y'」-225012- X,2=225012- (-270) 2 . 解得Y,=22499. 38,那么l'測點Y向位移即為Y廣(R-2) =(). 38米，向理可 Y2=22499. 72， 28測點Y向位移為0. 72米。從而可知光斑位置P到測點之間的 距離P2-2X(). 38米-().72米=0. 04米=4()(毫米)，這個數(shù)值即為傳感器的計算W: 程,，實際采用傳感器的量程為50X50是足夠用的。
如果壩乂短乂高，位移較大，位移分布曲線曲率半徑變小，計算量程就會增 人。此時如果選用更大的傳感器，就很不經(jīng)濟了。可以將測點上的波帶板位置設(shè) il成可調(diào)節(jié)的，如果光斑脫離傳感器，調(diào)整波帶板位置，使光斑回到傳感器上。 共調(diào)節(jié)兩到三次就可以了，調(diào)節(jié)很方便。.通過調(diào)節(jié)，目前絕大多數(shù)的土石壩都能滿足這個條件。
其他類型(曲線型除外)的大壩、邊坡、護坡、邊墻、擋墻和隧洞的外部變 形都小f土石壩，所以本發(fā)明對上述建筑或物體的變形也能進行自動監(jiān)測。
通過上面的論述，對于目前國內(nèi)國際的絕大多數(shù)土石壩，該方案在技術(shù)上是 可行的，經(jīng)濟上是合理的，精度是滿足規(guī)范要求的。
本發(fā)明十分經(jīng)濟有效地解決了土石壩施工期和運行初期位移大， 一般傳感器 M程不夠的位移自動監(jiān)P問題；系統(tǒng)全密封無任何機械運動， 一期穩(wěn)定可靠；長 度600米以內(nèi)的系統(tǒng)不必抽真空，免去了成本很高的自動抽真空系統(tǒng)和真空管
逍，操作也變得卜分簡單，測量時間短(一次測量只需5分鐘)，可真正實現(xiàn)實
時和遠(yuǎn)程監(jiān)測，維護的工作量很?。黄瘘c和終點都不必建觀測房；如果需要管道， 其直徑小于159毫米，管道成本低，占用空間少，易于布置；可實現(xiàn)一維或二維 位移監(jiān)測；全天候測量，不受大壩泄洪和震動的影響；系統(tǒng)安裝在馬道地面以卜_， 可以避免壩體填筑施工對系統(tǒng)的破壞；保證了施工期觀測人員和設(shè)備的安全以及 觀測資料的連續(xù)性。
權(quán)利要求
1. 一種土石壩外部變形自動監(jiān)測方法，其特征在于，在兩個工作基點間形成兩條激光準(zhǔn)直光路，每條準(zhǔn)直光路由若干個分段組成，每個分段由相鄰3個測點組成激光準(zhǔn)直光路。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的土石壩外部變形自動監(jiān)測方法，其特征在于，該方法 還可以對其他類型(曲線型除外)的大壩、邊坡、護坡、邊墻、擋墻和隧洞 的外部變形進行自動監(jiān)測。
全文摘要
本發(fā)明是一種大壩變形監(jiān)測的方法及，從起點(0^#點)發(fā)射一束激光，在1^#測點安置一個波帶板，2^#測點安置一個傳感器。0^#點發(fā)射來的激光經(jīng)過1^#測點的波帶板衍射后，在2^#測點的傳感器上形成光斑，通過2^#測點的檢測電路測量出該光斑的位置，此為波帶板激光準(zhǔn)直的一個分段；再從1^#測點再發(fā)射一束激光，通過上述方法形成波帶板激光準(zhǔn)直的又一個分段；依次類推，傳遞到終點，測量出終點光斑的位置。用測量出的每個傳感器上光斑位置的變化量，就可以計算出各個測點的位移。
文檔編號G01B11/16GK101231156SQ20071000263
公開日2008年7月30日 申請日期2007年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月25日
發(fā)明者呂欣懷, 張立英 申請人:張立英;呂欣懷