[发明专利]拱坝三维变形全自动追迹监测方法

说明书

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：