孫寶倫
(山東省德州市水利局,山東 德州 253014)
水閘是非常重要的水利基礎(chǔ)設(shè)施,在灌溉、環(huán)保、防洪、水力發(fā)電、航運(yùn)、擋潮等多個方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,我國現(xiàn)今具備中大型水閘約5 000座。中大型水閘在運(yùn)行過程中,會受到多種因素的影響,例如水流、空氣、風(fēng)浪、凍融、污染、雨雪、施工質(zhì)量等,均對造成水閘的老化或者變形,導(dǎo)致中大型水閘出現(xiàn)安全問題。隨著多種因素的影響以及水閘運(yùn)行時間的增加,水閘混凝土構(gòu)件外表會出現(xiàn)剝落碳化、開裂等現(xiàn)象,鋼筋會出現(xiàn)銹蝕等老化現(xiàn)象;水閘起閉設(shè)備會出現(xiàn)磨損,存在開啟不靈活,絕緣性能降低現(xiàn)象;水閘地基不均勻沉降也會引起水閘周邊建筑物或者其構(gòu)件產(chǎn)生變形、錯動、開裂等情況。上述水閘安全現(xiàn)象不但影響水閘工程效益發(fā)揮,也威脅著下游居民的生命、財(cái)產(chǎn)安全[2]。由此可見,水閘安全監(jiān)測研究是其穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)與前提。
隨著水閘的發(fā)展、升級與應(yīng)用,水閘觀測資料與數(shù)據(jù)也逐漸增加,其處理與分析工作量也呈指數(shù)倍增加。由數(shù)據(jù)顯示,水閘沉降變形是影響水閘安全、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵原因。由于現(xiàn)有各種條件的限制,水閘相關(guān)單位很難對現(xiàn)有資料進(jìn)行及時處理,獲取水閘沉降變形信息,造成水閘危險感知延誤現(xiàn)象,從而致使水閘以及下游居民承擔(dān)著較大的風(fēng)險[3]。近幾年,大中型水閘危害頻率逐漸增加,使得如何精確獲得大中型水閘沉降變形信息成為水閘應(yīng)用領(lǐng)域重點(diǎn)研究課題之一,故提出大中型水閘沉降變形分布式監(jiān)測系統(tǒng)研究。
硬件單元是設(shè)計(jì)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)與前提,承擔(dān)著獲取大中型水閘沉降變形相關(guān)信息的任務(wù)[4]。依據(jù)大中型水閘安全、穩(wěn)定運(yùn)行需求,此研究以位移傳感器以及分布式光纖應(yīng)變傳感器作為系統(tǒng)的硬件單元,具體硬件單元設(shè)計(jì)過程如下:
位移傳感器也被稱為線性傳感器,實(shí)質(zhì)上是一種金屬感應(yīng)線性器件,將被測物理量轉(zhuǎn)換為電量。依據(jù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)需求,選取縮微光柵位移傳感器獲取大中型水閘位移變化信息[5]??s微光柵位移傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 縮微光柵位移傳感器結(jié)構(gòu)示意圖
大中型水閘沉降變形時,其位移變化存在于兩個方向,即垂直方向與水平方向。故設(shè)計(jì)系統(tǒng)需要合理布置位移傳感器監(jiān)測點(diǎn),選取72個縮微光柵位移傳感器,在閘墩上下游兩側(cè)均勻布置48個傳感器,用來監(jiān)測水閘垂直位移信息;在閘墩上游側(cè)布置24個傳感器,用來監(jiān)測水閘水平位移信息。
分布式光纖應(yīng)變傳感器能夠監(jiān)測光纖傳輸路徑上的隨時間變化信息,其監(jiān)測范圍更為廣泛,能夠彌補(bǔ)位移傳感器的不足,幫助系統(tǒng)獲取更加豐富的大中型水閘沉降變形信息。分布式光纖應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 分布式光纖應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)示意圖
設(shè)計(jì)系統(tǒng)選取的分布式光纖應(yīng)變傳感器需要一定的使用環(huán)境條件,故此研究對分布式光纖應(yīng)變傳感器的性能參數(shù)進(jìn)行分析,具體如表1所示。
表1 分布式光纖應(yīng)變傳感器性能參數(shù)表
分布式光纖應(yīng)變傳感器布置的合理性對水閘沉降變形監(jiān)測至關(guān)重要[6]。此研究采用7個分布式光纖應(yīng)變傳感器,其布置方案如圖3所示。
如圖3所示,編號為1#、2#的傳感器布置在水閘側(cè)墻頂端,用于監(jiān)測側(cè)墻頂端應(yīng)變情況;編號為3#、4#的傳感器布置在水閘側(cè)墻底端,用于監(jiān)測側(cè)墻底端應(yīng)變情況;編號為5#、6#的傳感器布置在閘門與檢修閘門的凹槽處,用于監(jiān)測閘門應(yīng)變情況;編號為7#的傳感器布置在閘室通道中部垂直方向,用于監(jiān)測閘室混凝土應(yīng)變情況。
圖3 分布式光纖應(yīng)變傳感器布置方案
上述過程完成了位移傳感器以及分布式光纖應(yīng)變傳感器的選型與布置,但是依然無法實(shí)現(xiàn)大中型水閘沉降變形的監(jiān)測,故設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件模塊[7]。
以設(shè)計(jì)硬件單元為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件模塊,其由分布式光纖應(yīng)變傳感器應(yīng)變系數(shù)標(biāo)定模塊、垂直/水平位移監(jiān)測模塊、水閘沉降變形模型構(gòu)建模塊與數(shù)據(jù)庫模塊,具體軟件模塊設(shè)計(jì)過程如下:
為了保障設(shè)計(jì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,標(biāo)定分布式光纖應(yīng)變傳感器的應(yīng)變系數(shù),其計(jì)算公式為
δf(z)=Cfε×Δε(z)
(1)
式中:δf(z)表示的是傳感光纖的布里淵頻移量;Cfε表示的是傳感光纖的布里淵頻率應(yīng)變系數(shù);Δε(z)表示的是作用于傳感光纖z處的應(yīng)變變化。
位移監(jiān)測模塊主要分為兩個方面,分別為垂直位移監(jiān)測與水平位移監(jiān)測[8]。垂直位移監(jiān)測會產(chǎn)生一定的誤差,其誤差計(jì)算公式為:
(2)
式中:m表示的是垂直位移監(jiān)測誤差;m1與m2分別表示的是基準(zhǔn)點(diǎn)下沉引起誤差與監(jiān)測引起誤差。
水平位移監(jiān)測采用空間極坐標(biāo)定位原理,水閘水平位移空間直角坐標(biāo)為:
(3)
式中:s表示的是斜距;α與β分別表示的是水平角與垂直角;k表示的是大氣折光系數(shù);R表示的是地球曲率半徑。
水平位移監(jiān)測原理如圖4所示。
圖4 水平位移監(jiān)測原理示意圖
以上述模塊獲得的位移監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),構(gòu)建大中型水閘沉降變形模型,分析水閘沉降變形程度,衡量大中型水閘的安全狀態(tài)[9]。
大中型水閘沉降變形由多種影響因素綜合作用,例如自身重力、水壓、地基變形、溫度等因素[10]。而這些影響因素還會隨著時間、環(huán)境等情況產(chǎn)生一定的變化。為了簡化水閘沉降變形模型的構(gòu)建過程,依據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)研究結(jié)果,選取水壓、溫度與時效三個基礎(chǔ)因素,構(gòu)建水閘沉降變形模型,其表達(dá)式為
Y(t)=F1[H上(t)]+F2[H下(t)]+F3[T(t)]+F4[θ(t)]+C
(4)
式中:Y(t)表示的是沉降變形(垂直/水平位移)監(jiān)測值在時間t的估計(jì)數(shù)值;F1[H上(t)]表示的是沉降變形的上游水壓分量;F2[H下(t)]表示的是沉降變形的下游水壓分量;F3[T(t)]表示的是沉降變形的溫度分量;F4[θ(t)]表示的是沉降變形的時效分量;C表示的是待定常數(shù)項(xiàng)[11]。
構(gòu)建模型中的參數(shù)確定過程如下:
水壓分量計(jì)算公式為
(5)
式中:ai與bi表示的是待定回歸系數(shù);H(t0)表示的是基面高程數(shù)值。
溫度分量計(jì)算公式為
(6)
式中:ci表示的是待定回歸系數(shù);Ti(t)表示的是觀測日氣溫;T(t0)表示的是起始觀測日氣溫。
時效分量計(jì)算公式為
(7)
式中:d1與d2表示的是待定回歸系數(shù);ti表示的是觀測時刻距初始時刻的時間(天數(shù))。
數(shù)據(jù)庫是整個設(shè)計(jì)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ),高效、準(zhǔn)確、實(shí)時的收集并處理復(fù)雜的大中型水閘沉降變形是設(shè)計(jì)系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵,如圖5所示。
圖5 數(shù)據(jù)庫示意圖
通過上述硬件單元與軟件模塊的設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了大中型水閘沉降變形分布式監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行,為大中型水閘穩(wěn)定、安全運(yùn)行提供有效的保證[12]。
為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)系統(tǒng)與現(xiàn)有系統(tǒng)之間的性能差異,采用仿真平臺設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),具體實(shí)驗(yàn)過程如下所示:
實(shí)驗(yàn)選取山東德州某大中型水閘工程為對象。實(shí)驗(yàn)對象相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表2所示。
表2 實(shí)驗(yàn)對象相關(guān)參數(shù)表
為了客觀評價設(shè)計(jì)系統(tǒng)的性能,構(gòu)建大中型水閘安全評價體系,具體如圖6所示。
圖6 大中型水閘安全評價體系圖
通過多個專家打分確定大中型水閘安全評價指標(biāo)權(quán)值與隸屬度,為應(yīng)用系統(tǒng)后水閘安全評價打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),具體數(shù)值如表3所示。
表3 大中型水閘安全評價指標(biāo)權(quán)值與隸屬度表
以選取的實(shí)驗(yàn)對象,構(gòu)建的大中型水閘安全評價體系為基礎(chǔ),應(yīng)用設(shè)計(jì)系統(tǒng)與現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行水閘沉降變形分布式監(jiān)測系統(tǒng),對系統(tǒng)應(yīng)用后的水閘安全進(jìn)行客觀的評價。
通過實(shí)驗(yàn)得到水閘安全評價數(shù)值如表4所示。
表4 水閘安全評價數(shù)值表
常規(guī)情況下,當(dāng)大中型水閘安全評價綜合值大于0.899時,表明水閘達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),無影響正常運(yùn)行的缺陷。依據(jù)表4數(shù)據(jù)顯示,現(xiàn)有系統(tǒng)安全評價數(shù)值范圍為0.523~0.899,設(shè)計(jì)系統(tǒng)安全評價數(shù)值范圍為0.901~0.934。由數(shù)據(jù)可知,設(shè)計(jì)系統(tǒng)水閘安全評價數(shù)值更高,并均大于0.899,充分證明設(shè)計(jì)系統(tǒng)水閘沉降變形分布式監(jiān)測性能更好。
此研究設(shè)計(jì)了一種新的大中型水閘沉降變形分布式監(jiān)測系統(tǒng),極大的提升了水閘的安全性能,改善了現(xiàn)有系統(tǒng)存在的不足,能夠?yàn)榇笾行退l未來發(fā)展與應(yīng)用提供更加有效的支撐,也為大中型水閘沉降變形的監(jiān)測研究提供一定的幫助與參考。