一种拱坝变形三维位移自动化监测方法
【专利摘要】本发明属于位移测量【技术领域】，涉及的是一种拱坝变形三维位移自动化监测方法，其是将拱坝分成n段，测得第1段端点处的三维位移值，且监测每段端点相对于上一端点的三维变化量，根据传递原理即可求所有分段端点处的三维位移值。本发明简单、可行、便于工程实施且符合实际工程监测需要，为拱坝的三维位移自动化监测提供了一种有效的手段，解决了原有测量方法只能监测一维或二维的缺陷。另外，该方法结合实际坝体的变形情况，在保证测量有效性和测量精度的前提下，取消了测点平台部位的转角参数监测，优化了测量程序，简化了测量装置，提高了测量可靠性且降低了测量成本。
【专利说明】一种拱坝变形三维位移自动化监测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种拱坝变形三维位移自动化监测方法，属于位移测量【技术领域】。
【背景技术】
[0002]目前，拱坝位移监测方法主要有垂线法、双金属管标法、静力水准法等。其中垂线用于监测坝体特定部位的挠度(水平位移)，双金属管标和静力水准用于监测特定部位的沉陷。因拱坝的结构所限，每个拱坝所能设置的垂线和双金属管标数量极其有限，以至于拱坝中能监测的部位相对较少。静力水准作为监测沉陷的仪器可以设置多处，但该仪器只能测量沉陷方向，水平方向的位移变化无法测量。
[0003]前期有一种对称闭合激光拱坝变形监测方法，其中国专利号为ZL200410073525.4，其公开采用了双向检测对称闭环系统，即采用双向监测，两测点间相对位移由对称的激光发射器和激光接收器完成测量，可以同时测量多处的位移变化，但由于该方法采用激光来回照射的设计，同时在每个测量平台处增加了平台本身转角参数的传递监测，即测量的参数包括x，y，z (三坐标位移)和Lax，Laz (平台本身转角参数)，再进行数学计算。导致监测参数相对于实际需要冗余过度，结构特别复杂，可靠性低，成本很高。
[0004]此外，中国专利号为ZL97214241.X，其公开了一种拱坝三维变形全自动追迹监测方法，该方法在两测点间设置了氦管，氦管的材料没有特别交代，氦管内充满氦气，系统将激光在氦管内进行传输，管道不抽真空，该方法不能从本质上解决激光传输时产生的光路折射误差。而且氦管还作为两端点的相对位移变化监测装置，该方法受温度影响较大。
【发明内容】
[0005]为克服现有技术上的不足，本发明目的是提供一种相对简单实用，对拱坝变形可以进行三维监测的方法，优化了测量程序，简化了测量装置，提高了测量可靠性且降低了测量成本。
[0006]为实现上述目的，本发明的技术方案如下:
[0007]—种拱坝变形三维位移自动化监测方法，其特征在于，其是将拱坝分成若干直线分段，通过对每个直线分段的监测物理量来近似模拟拱坝的位移变形；其方法步骤包括如下:
[0008]I)将拱坝分成若干个直线分段；将拱坝从拱坝前端点向后端点依次分为若干个直线分段；
[0009]2)在直线分段上安装激光发射装置和激光接收装置；将每一直线分段的端点上安装激光发射器，且在每两直线分段交接处的端点上均设置有一平台，在所述平台上安装所述的激光发射器和用于接收前一直线分段的端点发射过来的激光光束的激光接收装置，位于前一直线分段的端点的激光发射器照射方向指向后一直线分段的端点，并使发射出的激光通过真空管道传输至激光接收装置，所述激光接收装置的接收平面与激光发射器的激光光束垂直；[0010]3)监测每一分段处的位移变化；在每一直线分段处安装一传递位移变化的殷钢尺，所述殷钢尺的布设方向与激光照射方向一致，长度与每一分段的长度相等；
[0011]4)监测每一直线分段的端点相对于殷钢尺固定端的位移；将上述步骤3)中的每一殷钢尺的一端头固定在直线分段的端点处，所述殷钢尺的另一端自由伸缩，在每一殷钢尺的另一端上设置一监测装置，该监测装置固定于平台上，用来监测该点相对于殷钢固定端的位移；
[0012]5)计算每个直线分段端点的三维位移变化值；采用测点依次传递的原理，第I直线分段的端点采用垂线或双金属管标的方法得到原始测值，从第2直线分段的端点开始，通过监测装置依次测量每一端点相对于上一端点的三维位移变化，依次传递下去，即可算得每个端点的三维位移变化值。
[0013]所述激光发射器的激光光束在近似真空中进行传输至激光接收装置。
[0014]本发明的有益效果如下:
[0015]本发明可根据实际需要在期望监测的部位布设监测平台，消除了坝体结构因素导致某些部位无法监测的问题。同时该方法采用单向监测系统，能够同时监测三维位移，解决了原有测量方法只能监测一维或二维的缺陷。另外，该方法结合实际坝体的变形情况，在保证测量有效性和测量精度的前提下，取消了测点平台部位的转角参数监测，只测量X，y, Z(三坐标位移)，既满足实际工程需求，优化了测量程序，简化了结构和测量装置，提高了测量可靠性且降低了测量成本，极大地减少了系统的复杂程度；并且采用激光在近似真空中进行传输，从根本上解决了激光传输时产生的光路折射误差。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为拱坝分段示意 图；
[0017]图2为相邻两分段X向计算视图；
[0018]图3为相邻两分段Y向计算视图；
[0019]图4为相邻两分段Z向计算视图。
【具体实施方式】
[0020]下面参照附图并结合实施例对本发明作进一步的详细描述。
[0021]参见图1-图4，本发明是一种拱坝位移监测方法，其是将拱坝分成η段，通过其他手段测得第I段端点处的三维位移值，且监测每段端点相对于上一端点的三维变化量，根据传递原理即可求所有分段端点处的三维位移值，该方法具体步骤如下:
[0022]I)将拱坝分成η段，η=1，2，…i_l，i，i+1，…η，其中i为自然数，依次将每一段的端点从拱坝的一端点向另一端进行编号，编号为1，2，…i,i+l,…η。
[0023]2)在编号为I的端点位置安装一激光发射器，其照射方向指向第二端点。在第2端点处设置一平台，平台上安装一激光接收装置和激光发射器，激光接收装置接收第I端点发射过来的激光光束，且激光接收装置的接收平面与激光光束垂直，激光发射器则射向第3端点，同样，在第3端点设置一平台，平台上安装一激光接收装置和激光发射器，激光接收装置接收第2端点发射过来的激光光束，且激光接收装置的接收平面与激光光束垂直，激光发射器则射向第4端点，以此类推，直至第η端点。第η端点处只设置激光接收器，用来接收第n-1端点激光发射器发射过来的激光，且激光接收装置的接收平面与激光光束垂直。即位于第m+1段的端点上设置有一平台，所述平台上安装所述的激光发射器和用于接收第m段端点发射过来的激光光束的接收激光接收装置，所述激光接收装置的接收平面与激光光束垂直，其中，m≥1，且m+1≤η。
[0024]3)在每一直线分段处安装一传递位移变化的殷钢尺，殷钢尺的布设方向与激光照射方向一致，长度与每一分段的长度相当。第I端点处的殷钢尺端头固定，另一端自由伸缩。第2段殷钢尺位于第2端点处的端头固定，另一端自由伸缩，以此类推，直至第η段。在所有殷钢尺自由端设置一监测装置，该装置固定于平台上，用来监测该点相对于殷钢固定端的位移。本发明通过在测量两端点的相对位移变化时采用的是特定的线胀系数很小的殷钢材料，有效地减小了温度的影响。
[0025]4)该方法采用测点依次传递的原理，第I端点采用垂线，双金属管标等方法得到原始测值，从第2端点开始，依次测量每一端点相对于上一端点的三维位移变化，依次传递下去，即可算得每个端点的三维位移变化值。
[0026]数学关系推导:
[0027]不失一般性，取第i_l和第i两段进行理论计算。首先确立坐标系:坐标系采用右手法则，水平平面为XOY平面，竖直方向为Z向。第i_l处的坐标系为X (1-oOc1-oYc1-1),第i处的坐标系为X⑴O⑴Y⑴，两坐标系间的夹角为Θ。设第1-Ι处从0(i_l5点移到O'
，该位移变化的三维坐标已知，分别为=AXiiO ΛΥ (⑷和ΛΖ (i_n。第i处从O⑴点移到O'⑴，该处相对于的第i_l处变化后的三维坐标已知，分别为:ΛΧ(Η,υ，Λ Y 和ΔΖα_1；0,上述三个三维相对位移值均为X (i_o0 (i_0Y (i_D坐标系下的数值。在X⑴O⑴Y⑴坐标系下求第i处的三维位移ΛΧ⑴，ΛΥ⑴和ΛΖ⑴。
[0028]由图2可知:
[0029]ΔΧ ⑴=0 ⑴A/(cos Θ );
[0030]O ⑴ A=AB+BC+C O ⑴；
[0031]AB=O ⑴D=AY ⑴.(sin Θ )
[0032]其中:
[0033]BC=AX(Hi);
[0034]C O ⑴=AX (H);
[0035]联立上式可得:
[0036]ΔΧ ⑴= (ΔΧ (η,^ + ΔΧ (η)+ΔΥ ⑴.(sin Θ ))/(cos Θ ) (I)
[0037]由图3可知:
[0038]O ⑴ C=O ⑴ B+BC=0 ⑴ A+AC ；
[0039]AC=DE ；
[0040]其中:
[0041 ] O (J)B= Δ Y (η)；
[0042]BC=AY(Hi);
[0043]DE=AX ⑴.(sin Θ )；
[0044]O ⑴Α=ΔΥ ⑴.(sin Θ )；
[0045]联立上式可得:[0046]ΛΥ ⑴.(sin θ ) + ΛΧ ⑴.(sin θ ) = ΔY (i_0 +ΔY (i_1；υ ； (2)
[0047]联立(I) (2)两式即可求得ΛΧ⑴和ΛΥ⑴。
[0048]由图4可知:
[0049]O ⑴ B=O ⑴ Α+ΑΒ ；
[0050]其中:
[0051]O ⑴ A= Λ Z (H);
[0052]AB=AZ (η，0 ;
[0053]O ⑴Β=ΛΖ ⑴；
[0054]联立上式可得:
[0055]ΛΖ ⑴=ΛΖ (η) + ΛΖ (Η，υ (3)
[0056]至此，第i处的三维位移ΛΧ⑴，ΛΥ⑴和ΛΖ⑴全部计算得到。综上，只要通过其他手段测得第I处的三维位移值，且监测到每处相对于上一处的三维变化量，根据传递原理即可求所有分段端点处的三维位移值。
[0057]通过实践可知，本发明的方法简单、可行、便于工程实施且符合实际工程监测需要，为拱坝的三维位移自动化监测提供了一种有效的手段。
[0058]而且本法可根据实际需要在期望监测的部位布设监测平台，消除了坝体结构因素导致某些部位无法监测的问题。同时该方法能够同时监测三维位移，解决了原有测量方法只能监测一维或二维的缺陷。另外，该方法结合实际坝体的变形情况，在保证测量有效性和测量精度的前提下，取消了测点平台部位的转角参数监测，优化了测量程序，简化了测量装置，提高了测量可靠性且降低了测量成本。
[0059]以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
【权利要求】
1.一种拱坝变形三维位移自动化监测方法，其特征在于，其是将拱坝分成若干直线分段，通过对每个直线分段的监测物理量来近似模拟拱坝的位移变形；其方法步骤包括如下: 1)将拱坝分成若干个直线分段；将拱坝从拱坝前端点向后端点依次分为若干个直线分段； 2)在直线分段上安装激光发射装置和激光接收装置:在每一直线分段的端点上安装激光发射器，且在每两直线分段交接处的端点上均设置有一平台，在所述平台上安装所述的激光发射器和用于接收前一直线分段的端点发射过来的激光光束的激光接收装置，位于前一直线分段的端点的激光发射器照射方向指向后一直线分段的端点，并使发射出的激光通过真空管道传输至激光接收装置，所述激光接收装置的接收平面与激光发射器的激光光束垂直； 3)监测每一分段处的位移变化；在每一直线分段处安装一传递位移变化的殷钢尺，所述殷钢尺的布设方向与激光照射方向一致，长度与每一分段的长度相等； 4)监测每一直线分段的端点相对于殷钢尺固定端的位移；将上述步骤3)中的每一殷钢尺的一端头固定在直线分段的端点处，所述殷钢尺的另一端自由伸缩，在每一殷钢尺的另一端上设置一监测装置，该监测装置固定于平台上，用来监测该点相对于殷钢固定端的位移； 5)计算每个直线分段端点的三维位移变化值；采用测点依次传递的原理，第I直线分段的端点采用垂线或双金属管标的方法得到原始测值，从第2直线分段的端点开始，通过监测装置依次测量每一端点相对于上一端点的三维位移变化，依次传递下去，即可算得每个端点的三维位移变化值。
2.根据权利要求1所述的拱坝变形三维位移自动化监测方法，其特征在于，所述激光发射器的激光光束在近似真空中进行传输至激光接收装置。
【文档编号】G01B11/16GK103499336SQ201310443377
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年9月23日 优先权日:2013年9月23日
【发明者】卢欣春, 胡波, 刘冠军, 李学胜, 王军涛 申请人:国家电网公司, 国网电力科学研究院, 南京南瑞集团公司