陳義濤，黃耀英，馬金寶

(1.山東省臨沂市水利勘測設(shè)計院，山東臨沂276002；2.三峽大學水利與環(huán)境學院，湖北宜昌443002)

施工期混凝土壩光纖測溫疑點識別準則設(shè)計及應(yīng)用

陳義濤1，黃耀英2，馬金寶1

(1.山東省臨沂市水利勘測設(shè)計院，山東臨沂276002；2.三峽大學水利與環(huán)境學院，湖北宜昌443002)

由于施工期混凝土溫度測值的影響因素眾多，分布式光纖測溫系統(tǒng)的工作環(huán)境復(fù)雜多變，分布式光纖測溫系統(tǒng)在獲取海量大壩混凝土溫度實時在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的同時，難免摻雜一定數(shù)量的疑點測值。借鑒大壩安全監(jiān)控相關(guān)理論方法與研究成果，針對疑點測值識別問題，設(shè)計了5種常用的適合施工期大壩混凝土光纖測溫測值疑點識別的準則。實踐表明，這些識別準則有效。

混凝土溫度控制；光纖測溫；疑點識別準則；數(shù)理統(tǒng)計；平滑估計

0 引 言

分布式光纖測溫系統(tǒng)能夠及時獲取海量大壩混凝土溫度實時在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，但由于施工期工作環(huán)境復(fù)雜多變，影響大壩混凝土溫度測值的因素眾多，監(jiān)測數(shù)據(jù)中難免會出現(xiàn)一些疑點測值。如何有效識地別出監(jiān)測數(shù)據(jù)中的疑點測值，分析疑點測值產(chǎn)生的原因，用準確可靠的溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)指導(dǎo)大壩混凝土的溫控防裂和質(zhì)量控制，一直是學術(shù)界和工程界關(guān)注的熱點和難點。

自吳中如[1，2]提出大壩安全監(jiān)控測值疑點判別六大準則(時空分析評判準則、力學規(guī)律識別準則、監(jiān)控模型評判準則、監(jiān)控指標評判準則、日常巡查評判準則、關(guān)鍵問題評判準則)以來，許多學者[3-15]對測值疑點判別的方法和判別效果進行研究了研究和驗證，但其研究范圍主要集中在大壩位移變形監(jiān)測、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測、滲流滲漏監(jiān)測中。目前對于大壩混凝土溫度測值疑點識別的報道較少，因此本文結(jié)合大壩安全監(jiān)控測值疑點識別現(xiàn)有的理論方法和研究成果，針對施工期大壩混凝土溫度測值的疑點識別問題進行了探討。

1 識別準則

大壩混凝土的溫控防裂是從監(jiān)測數(shù)據(jù)疑點識別、疑點成因分析到溫控決策的循環(huán)過程，溫控防裂的決策需要響應(yīng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的異常，溫控防裂的決策也會影響著監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化趨勢。由于溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)是一個動態(tài)增加的過程，需要對同一時間序列的測值重復(fù)進行疑點識別，數(shù)理統(tǒng)計方法在疑點識別時檢驗值的統(tǒng)計特征值也會不斷變化，很容易出現(xiàn)疑點測值誤判現(xiàn)象。溫控防裂的工程實踐表明，由于施工期混凝土溫度監(jiān)測的特殊性，其他監(jiān)測項目的異常診斷方法很難直接應(yīng)用于溫度測值的疑點識別，借鑒大壩安全監(jiān)控已有的理論方法和研究成果，類比大壩安全監(jiān)測中位移變形、應(yīng)力應(yīng)變和滲流滲漏監(jiān)測項目中監(jiān)測數(shù)據(jù)異常診斷的方法：統(tǒng)計模型診斷、監(jiān)控指標診斷、設(shè)計允許值診斷、速度加速度診斷、力學原理診斷、時空異常值診斷[16]，溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)的疑點識別也可以形成設(shè)計允許值識別準則、監(jiān)控指標識別準則、統(tǒng)計模型識別準則、速度加速度識別準則、時空異常值識別準則，疑點識別分析決策的網(wǎng)絡(luò)流程見圖1。

圖1 疑點識別分析決策網(wǎng)絡(luò)流程

1.1 設(shè)計允許值識別準則

根據(jù)設(shè)計院對大壩混凝土溫度控制施工技術(shù)要求的具體規(guī)定和說明，把光纖測溫實測值是否在設(shè)計規(guī)定的監(jiān)測指標控制范圍之內(nèi)作為測值數(shù)據(jù)疑點識別的依據(jù)，具體識別流程見圖2。

圖2 設(shè)計允許值識別準則網(wǎng)絡(luò)流程

1.2 監(jiān)控指標識別準則

以目標控制溫度(最高溫度、一期冷卻目標溫度、中期冷卻目標溫度、設(shè)計封拱溫度等)和允許溫度變化速率為依據(jù)，采用置信區(qū)間法、最小概率法或最大熵法來擬定齡期控制點之間典型齡期的溫度監(jiān)控指標(允許溫度和允許溫度變化速率)，把光纖測溫實測值是否在擬定的溫度監(jiān)控指標的控制范圍之內(nèi)作為測值數(shù)據(jù)疑點識別的依據(jù)[2，17-19]，具體識別流程見圖3。

圖3 監(jiān)控指標識別準則網(wǎng)絡(luò)流程

1.3 統(tǒng)計模型識別準則

針對施工期混凝土溫度變化規(guī)律，采用周期項作為環(huán)境氣溫因子，累加兩個指數(shù)函數(shù)來考慮水化熱溫升和通水冷卻的影響，初始溫度由常數(shù)項來表示，建立施工期大壩混凝土溫度統(tǒng)計模型[20]。由光纖測溫實測值確定統(tǒng)計模型參數(shù)，根據(jù)光纖測溫實測值是否在統(tǒng)計模型計算值的控制范圍之內(nèi)進行監(jiān)測數(shù)據(jù)性質(zhì)的判別，具體識別流程見圖4。

圖4 統(tǒng)計模型識別準則網(wǎng)絡(luò)流程

1.4 速度加速度識別準則

假設(shè)大壩混凝土溫度和齡期滿足函數(shù)關(guān)系y=f(x)，且f(x)連續(xù)可導(dǎo)，f(x)存在一階導(dǎo)數(shù)f′(x)和二階導(dǎo)數(shù)f″(x)，那么f′(x)代表著溫度變化的速度，f″(x)代表溫度變化的加速度。分布式光纖測溫系統(tǒng)具有實時在線監(jiān)測、測次密集的特點，其測值序列構(gòu)成的歷時曲線可認為連續(xù)可導(dǎo)。若大壩混凝土溫度測值發(fā)生異常，必然會在溫度變化的速度和加速度上有異常，因此可以根據(jù)加速度的異常狀態(tài)來識別測值中的疑點測值，具體識別流程見圖5。

圖5 速度加速度識別準則網(wǎng)絡(luò)流程

1.5 時空異常值識別準則

時空異常值識別準則的基本思想是假設(shè)正常測值構(gòu)成的歷時曲線是平滑的，包含疑點測值的歷時曲線是非平滑的，可以通過歷時曲線平滑程度來區(qū)分疑點測值。根據(jù)施工期混凝土溫度變化規(guī)律，對光纖測溫測值序列進行中位數(shù)平滑估計[21]，把光纖測溫實測值是否在平滑估計值的控制范圍之內(nèi)作為測值數(shù)據(jù)疑點識別的依據(jù)，具體識別流程見圖6。

圖6 時空異常值識別準則網(wǎng)絡(luò)流程

2 工程實例

西南某建設(shè)中的特高拱壩位于四川省雷波縣和云南省永善縣境內(nèi)的金沙江干流上，攔河大壩為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程610 m，最大壩高285.5 m，大壩共分為31個壩段。為控制大壩混凝土產(chǎn)生裂縫的風險，及時了解和掌握大壩混凝土的溫度狀況，在澆筑倉埋設(shè)常規(guī)溫度計，并在河床部位15號和16號壩段以及岸坡部位5號和23號壩段分別埋設(shè)分布式光纖進行混凝土溫度監(jiān)測。

為將施工期混凝土溫度降至封拱灌漿溫度，該拱壩嚴格按照朱伯芳提出的“小溫差、早冷卻、緩冷卻”通水理念進行通水冷卻。選擇典型壩段澆筑倉光纖測溫測值，將溫度歷時過程轉(zhuǎn)化為溫度齡期過程，繪制光纖測溫實測值過程線見圖7，采用設(shè)計允許值識別準則共識別出10個疑點測值。

圖7 實測溫度過程線

采用小概率法或最大熵法對每個典型齡期的溫度測值擬定對應(yīng)的溫度監(jiān)控指標，此過程比較復(fù)雜，本文基于統(tǒng)計模型計算值采用置信區(qū)間法來取得溫度監(jiān)控指標，通過實測溫度求得統(tǒng)計模型相關(guān)參數(shù)并確定溫度監(jiān)控指標，實測溫度及監(jiān)控指標過程線見圖8，用監(jiān)控指標識別準則共識別出16個疑點測值，包含10個疑點測值和6個誤判的正常測值，6個誤判的正常測值齡期均小于2 d，主要是由于該時段統(tǒng)計模型計算值的偏差造成置信區(qū)間偏移產(chǎn)生誤判，對起始時段的監(jiān)控指標進行整后即可消除誤判的現(xiàn)象。

圖8 實測溫度及監(jiān)控指標過程線

統(tǒng)計模型計算值和實測溫度過程線如圖9所示，疑點識別閥值初始值可基于殘差的數(shù)理統(tǒng)計特征值取值，采用統(tǒng)計模型識別準則共識別出12個疑點測值，包含10個疑點測值和2個誤判的正常測值。疑點測值的數(shù)量會影響殘差的數(shù)理統(tǒng)計特征值，將識別出的疑點測值用統(tǒng)計模型計算值替代，重新確定統(tǒng)計模型并統(tǒng)計殘差的數(shù)理統(tǒng)計特征值，對疑點識別閥值進行修正，即可避免誤判出現(xiàn)。

圖9 實測溫度及統(tǒng)計模型計算值過程線

以圖7中溫度過程線上相鄰兩點的斜率代表中點溫度變化的速度，以速度過程線上相鄰兩點的斜率代表中點溫度變化的加速度，求得實測溫度變化的加速度過程線見圖10，疑點識別閥值初始值基于檢驗值的數(shù)理統(tǒng)計特征值取值，采用速度加速度識別準則共識別出31個疑點測值，包含10個疑點測值和21個誤判的正常測值，其中21個誤判的正常測值中有18個均為疑點測值緊鄰的測值，去掉識別出的10個疑點測值，重新計算溫度變化的速度加速度，根據(jù)檢驗值的數(shù)理統(tǒng)計特征值修正疑點識別閥值，即可避免正常測值誤判的現(xiàn)象。

圖10 實測溫度變化加速度過程線

從實測溫度序列中依次取出5個相鄰測值采用中位數(shù)法構(gòu)造序列1，從序列1中依次取出3個相鄰數(shù)值采用中位數(shù)法構(gòu)造序列2，從序列2中依次取出3個相鄰數(shù)值分別按照0.25、0.5、0.25的權(quán)重求和構(gòu)成平滑估計值序列，實測溫度與其平滑估計值過程線見圖11，求實測溫度與其對應(yīng)的平滑估計值殘差，平滑估計閥值初始值基于殘差的數(shù)理統(tǒng)計特征值取值，采用時空異常值識別準則共識別出10個疑點測值。以平滑估計值替代識別出的10個疑點測值，重新進行平滑估計，根據(jù)殘差的數(shù)理統(tǒng)計特征值對平滑估計閥值進行修正，避免出現(xiàn)誤判現(xiàn)象。

圖11 實測溫度及其平滑估計過程線

3 結(jié) 論

為有效解決施工期混凝土壩溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)疑點識別問題，本文設(shè)計了5種常用的溫度測值疑點識別準則。設(shè)計允許值識別準則是測值疑點識別的根本依據(jù)，較為精煉直觀，但不便于編程實現(xiàn)溫度測值的快速疑點識別；監(jiān)控指標識別準則疑點識別的可靠性主要依賴于監(jiān)控指標擬定的精確性，如何才能快速擬定出準確可靠的監(jiān)控指標仍有待進一步研究；統(tǒng)計模型識別準則是監(jiān)測規(guī)范推薦的方法，比較簡單，但是隨著監(jiān)測數(shù)據(jù)的劇增和溫控措施的改變，統(tǒng)計模型的預(yù)測精度就會受到影響，尤其是一些突發(fā)事件很容易導(dǎo)致識別準則誤判的現(xiàn)象；速度加速度識別準則對疑點測值中的粗差和突變較為敏感，很容易將疑點測值的緊鄰正常測值誤判為疑點測值；時空異常值識別準則主要根據(jù)監(jiān)測物理量的時空分布平滑程度來進行疑點識別，對疑點測值中的粗差和異常測值識別效果較好，而對趨勢性變化異常疑點測值的識別效果較差。

工程實踐表明：5個識別準則均能有效識別出所有疑點測值。多種識別準則聯(lián)合識別，或者重復(fù)疑點識別，基于檢驗值的數(shù)理統(tǒng)計特征值對疑點識別閥值進行適當?shù)男拚苡行П苊庹y值被誤判的現(xiàn)象。識別出的疑點測值是粗差還是能夠反映大壩混凝土溫度異常的真實測值，仍有待監(jiān)測環(huán)境資料、監(jiān)測數(shù)據(jù)、巡查記錄等監(jiān)測資料綜合分析確定。

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(責任編輯 王 琪)

Design and Application of Recognition Criterion for Doubtful Concrete Dam Temperature Measurement Data of Distributed Optical Fiber during Construction Period

CHEN Yitao1, HUANG Yaoying2, MA Jinbao1

(1. Linyi Survey and Design Institute of Water Conservancy of Shandong Province, Linyi 276002, Shandong, China; 2. College of Hydraulic & Environmental Engineering, China Three Gorges University, Yichang 443002, Hubei, China)

The distributed optical fiber temperature measurement system can acquire huge amounts of real-time and online concrete dam temperature monitoring data, but it inevitably mix with a certain amount of doubtful measured values because the concrete temperature measurement during construction period is influenced by numerous factors and the operation environment of distributed optical fiber temperature measurement system is complicated. Aiming at the recognition problem of doubtful points, five recognition criterions for concrete dam temperature measuring value during construction period are designed based on dam safety monitoring theory, methods and research results. The practice shows that the recognition criterions are effective.

concrete temperature control; optical fiber temperature measurement; recognition criterion of doubtful point; statistics; smoothing estimation

2016-03-17

國家自然科學基金項目(51209124)

陳義濤(1988—)，男，湖北鄖西人，工程師，碩士，主要從事水電工程勘察設(shè)計工作；黃耀英(通訊作者).

TV698.1

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0559-9342(2016)12-0060-05