坝体振动时的水平位移测量方法简介
时间：2015-12-20 22:16:08 所属分类：智能科学技术 浏览量:
坝体振动时的水平位移测量方法简介 陈绪高1，张培仁2 (1.国家电力公司成都勘测设计研究院，四川 成都6 10072； 2.中国科学技术大学，安徽 合肥230027) 摘 要： 根据二滩水电站右岸泄洪洞单独或联合泄洪，或表孔或中孔单独泄洪，特别是组合泄洪时， 拱坝
坝体振动时的水平位移测量方法简介 陈绪高1，张培仁2 (1.国家电力公司成都勘测设计研究院，四川 成都6 10072；
2.中国科学技术大学，安徽 合肥230027)
摘 要： 根据二滩水电站右岸泄洪洞单独或联合泄洪，或表孔或中孔单独泄洪，特别是组合泄洪时， 拱坝坝顶段的垂线振动更为严重，引发垂线坐标仪无法精确读数。本文针对垂线振动，提出 双激光“垂线”测量仪，从双激光“垂线”测量仪需解决的问题出发，简要介绍了系统的设 计 、随机干扰信号的处理、测量系统的标定、有序的振动信号消除等技术措施和方法，解决由 此引发的垂线坐标仪无法精确读数的技术问题。
关键词：坝振动；水平位移；监测系统；双激光垂线测试仪；二 滩大坝
1前言
二滩水电站是坝高为240m的混凝土双曲拱坝，设有7个泄洪表孔、6个泄洪中孔及4个放水底 孔，左岸安装6台机组、总装机容量为3 300MW的地下厂房，右岸设置2条泄洪洞。
随着西部大开发的进展，在西北、西南地区正在施工的或即将施工的小湾水电站（最大 坝高292m）、溪洛渡水电站（最大坝高278m）、拉西瓦水电站（最大坝高250m）、锦屏水 电站（最大坝高305m）的坝高多大于二滩拱坝，这些电站的枢纽布置和泄洪方式又与二滩水 电站类同。
二滩水电站枢纽建筑物运行6年以来在安全监测系统设计、施工、运行的经验，值得上述这 些大型水电站借鉴，而在运行中暴露出来的问题值得引起重视，如二滩水电站右岸泄洪洞 单独或联合泄洪，或表孔或中孔单独泄洪时（当表、中孔与泄洪洞组合泄洪情况更为严重） ，出现37、33、21、11号坝段1205～1169m高程段的垂线（拱坝坝顶段）振动（振动频率约6 ～12次/s），引发垂线坐标仪无法精确读数。上述水电站的大坝均比二滩水电站的坝高，此 类现象将更为突出。为解决坝体水平变位读数精度及数据的可靠性，本文对垂线抗震稳定的 监测仪器的初步研究与探索作一简介。
针对垂线振动，提出了双激光垂线测试仪，以解决由于垂线振动时引发的垂线坐标仪 无法精确读数的技术问题。 2双激光垂线测试仪需解决的问题
(1)取消长几十米的垂线，须有一个与坝体相对不变的基准，即代替垂线的激光应永远 指向地心。
(2)坝体与“垂线”相对位移如何映射到CCD摄像头上。
(3)测量距离不同时，如25m、40m、60m、100m等，如何使激光点最清楚，对不同的聚焦，如 何标定坝体与“垂线”的位移量。
(4)在各种噪声条件下，对随机噪声的分析及如何提取有用信息的计算处理。
(5)在测量距离不同时，如何保证激光亮点永远在CCD灰度值的线性范围内。 3双激光垂线测试仪系统设计
3.1测量系统设计
考虑到现有国内外这类监测仪器测量方法的不足，在本系统中，从测量的精度、系统的 成本和可靠性等多方面进行研究。
激光是一个直线传递的光源，一般半导体激光具有体积小、直线性好、容易控制的特性。当 红外激光管发射出一束激光经过空间达到平行直角反射棱镜，经过红外滤波片被CCD摄像头 接收，在所接收图像上形成一个发光亮点，分析图像中亮点位置的变化，即确定了亮点的位 置（X,Y）。垂线有正垂线和倒垂线之分(见图1、2)，现仅对正“垂线”的测量仪器的 工作原理作一介绍，对倒“垂线”也可进行类似的分析。设“垂线”的顶端和坝顶连在一 起，另一端可以自由摆动，圆柱状的直角反射棱镜固定在步进电机上，可以在“垂线”坝 段中的不同的位置放置4～5个步进电机，步进电机和坝体固定在一起，这样即可以通过控制 步进电机实现多段测量。CCD、激光管、红外滤波片和坝体刚性地连成一体，保证了激光的 方向始终是指向地心的，这就保证了监测的绝对参考点。当大坝的底 部与上部有相对位移时，两点的位置就会有相应的变化，从而可计算出大坝底部和上部的相 对位移，包括X向（切向）和Y向（径向）的绝对位移(见图3、4)。
坝体振动时的水平位移测量方法简介 :
A：I/O板控制CCD摄像头的聚焦；B、C：双激光管； D：高密度CCD黑白摄像头（2048×1024）； E：小型低功耗400M的PC104主板； F：图像采集板； G：控制B、C激光开关，可调电压的大小； H：通讯板；I：CAN或422、485总线； L：步进电机控制板，包括功放和与总线的接口及MCU；K：具有X、Y方向的反射镜
3.2随机干扰信号的处理
激光虽然是一点光源，但是经过长距离的传送，因有散射达到CCD摄像头时已不是点光源， 而成为按高斯分布的圆形小亮斑，亮斑中心的亮度值最强，向外围逐级递减。研制的关键是 找出亮斑的最大值及其坐标，即代表激光点的中心位置。
激光在传送过程中不可避免地受到环境噪声的干扰，发射和接收所经历的距离越大，接受的 灵敏度就越低，光信号衰减之后有可能淹没在随机噪声中。噪声主要有以下三种：
(1)环境噪声：指空气、灰尘、水蒸气等所产生的光衰减，包括背景光对光源的影响。
(2)热噪声：由激光管本身发热时引起的白噪声和CCD芯片工作时的热噪声，是不可避免的。
(3)杂波噪声：主要来源于传输通道及各器件，多为无规则的随机信号，频谱较宽，幅度不 等。在各种噪声不变的情况下，接受的灵敏度与接受的距离有密切的联系，灵敏度与距离的 平方成反比，提高信噪比也是本研究的关键技术。为此，在本系统中，采用了某种滤波的方 法解决此类问题。未处理的和经处理的采集的图像信号见图5、6。
论文坝体振动时的水平位移测量方法简介
4测量系统的标定
当被测物体有位移时，如何确定该仪器位移的精确值是至关重要的。如图7 所示，阴影区C是整个亮斑，A为亮斑中最亮的点（X0，Y0），当物体有位移时，亮点由A点移到B（X ，Y）点，A点和B点在图像上的位置坐标很容易计算出来，但是这AB两点间距离对应的实际 位移必须有一个标准尺来衡量。这个标尺的准确性很重要，它决定了整个测量的精度和 可靠性。另外，AB在CCD形成图形的距离与光学聚焦和与镜头的调整密切相关，如何找 到一个不随焦距长度而只与实际位置变化有关的标准的尺子非常重要。本文采用相对位置固 定、 两个激光管平面发射，形成两幅图，图中两个亮点的相对距离就是两个激光管的绝对距离的 映射距离。计算像素个数的多少，就可以得到实际的真正的位移。
标准尺的确定：先用激光管1发射激光，当得到图7中A的位置时关断激光管1，打开激光 管2假设得到图7中B的位置，AB间距离就相当于两个平行激光的相对实际距离。设1、2两 个极管固定5mm时，AB之间的距离为S，S在图像上假设有100个像素点，则从A 到B的实际位移为5mm。CCD摄像头图像的最小分辨率：一个像点对应的实际位移5mm/100（ 像素）＝0.05mm/点。仪器的最小分辨率0.05mm，测量的范围可以通过选用不同的CCD摄像 头来满足。 5有序的振动信号的消除
坝体表、中孔泄洪，或左、右岸泄洪洞泄洪时，大坝都会产生振动，特别是坝体上部，振 动的频率与坝体的体型、岩体以及下泄的流速等因素有关。对于坝体，高频信号很快被衰减 ，低频信号（如几赫兹）则会长久地保留下来。
首先要分析这种振荡频谱的强度、相位以及有几个振荡源组合而成的振荡波 形，并对这些信号进行频域和时域的分析。
另外，振荡时大坝的实际位移由静态位移（大坝真正的位移）和动态位移（振动引起的位 移）组成。水库蓄水到一定高度后，泄洪放水引起的位移曲线示意如图8所示。
实际做法是把大坝静态位移与放水时引起大坝振动的动态位移区分开来，处理方法如下：
(1)分析放水时振荡的波形，在时域和频域上寻找他们的中值；
(2)用没有放水时的曲线值推测放水后的可能值，按照某种方法，可以消除由于放水引 起振荡的动态位移；
(3)用数字滤波方法，滤除动态位移保留静态位移。
6小结
用双激光图像处理的方法监测微小位移的方案是可行的，但还需进一步的研究和测试。
该方案优点：
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