王夢(mèng)如

(塔里木河流域干流管理局，新疆 庫(kù)爾勒 841000)

0 引 言

結(jié)合國(guó)內(nèi)外水庫(kù)工程運(yùn)行實(shí)際不難發(fā)現(xiàn)，水庫(kù)工程大壩壩體壩基等基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)及配套性水工建筑物均具有較強(qiáng)的隱蔽性，故展開運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)安全監(jiān)測(cè)必需作為水庫(kù)綜合運(yùn)行管理的重要方面，從而為確保水庫(kù)安全、正常運(yùn)行以及蓄水調(diào)洪功能的順利發(fā)揮提供保障。當(dāng)前國(guó)內(nèi)有關(guān)水庫(kù)工程自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)的研究成果較少，平原水庫(kù)壩體較長(zhǎng)，管理人員較難集中精力對(duì)壩體運(yùn)行安全方面展開全面、細(xì)致、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)，導(dǎo)致此類水庫(kù)在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中安全隱患突出。

1 系統(tǒng)開發(fā)背景

某水庫(kù)屬于中型平原水庫(kù)，于1980年興建，當(dāng)年年底竣工后便開始蓄水運(yùn)行，該水庫(kù)設(shè)計(jì)集水面積12.41km2，總庫(kù)容和興利庫(kù)容分別為4685×104m3和4086×104m3，死庫(kù)容1039×104m3。原正常蓄水位設(shè)計(jì)水平為5.4m，死水位設(shè)計(jì)水平為2.3m，庫(kù)底高程平均達(dá)到1.4m，庫(kù)圍堤長(zhǎng)15.79km，堤頂高程原來按照7.02m進(jìn)行設(shè)計(jì)，堤頂寬7.0m，同時(shí)在此基礎(chǔ)上還增設(shè)了頂部高程為8.25m的防浪墻建筑物。水庫(kù)大壩堤身則完全根據(jù)碾壓式均質(zhì)土堤的相關(guān)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，并將上下游堤坡比均按照1∶3的要求進(jìn)行控制。

該水庫(kù)主要發(fā)揮調(diào)蓄作用，即通過水量調(diào)節(jié)以提升相應(yīng)城市供水保證率，同時(shí)，該水庫(kù)還在引灤明渠護(hù)砌、上游停水、泵站及水閘維修、渠道淤積等期間發(fā)揮著向下游供水的作用。該水庫(kù)長(zhǎng)期運(yùn)行于高水位狀態(tài)，如若失事，既會(huì)影響到正常供水，又會(huì)造成嚴(yán)重的安全事故及重大經(jīng)濟(jì)損失。

由于水庫(kù)圍堤長(zhǎng)度大，通過常規(guī)的人工觀測(cè)很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)水庫(kù)運(yùn)行過程中存在的安全隱患，無法達(dá)到對(duì)壩體安全監(jiān)測(cè)的要求。結(jié)合水庫(kù)工程運(yùn)行實(shí)際，必須對(duì)水庫(kù)滲流過程以及滲流情況有關(guān)系的地下水位、孔隙水壓力、浸潤(rùn)線、滲流量、有效庫(kù)容等參數(shù)取值及可能變動(dòng)的趨勢(shì)范圍等進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，將監(jiān)測(cè)結(jié)果和現(xiàn)有觀測(cè)技術(shù)水平下水庫(kù)圍堤沉降結(jié)果以及進(jìn)出水閘周圍量水堰觀測(cè)結(jié)果等進(jìn)行對(duì)比與整合應(yīng)用，構(gòu)建起針對(duì)水庫(kù)堤壩運(yùn)行狀態(tài)的自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以便為水庫(kù)防滲漏工作提供指導(dǎo)，起到輔助水庫(kù)綜合管理的作用。為保證所建設(shè)的該小型平原水庫(kù)自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的高效運(yùn)行，必需保證系統(tǒng)所使用的儀器設(shè)備先進(jìn)可靠、所對(duì)應(yīng)采用的觀測(cè)技術(shù)匹配高效，方可取得實(shí)時(shí)的、有效的水庫(kù)結(jié)構(gòu)運(yùn)行情況監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)經(jīng)由系統(tǒng)自動(dòng)分析處理后，向水庫(kù)管理人員提出水庫(kù)大壩圍堤安全運(yùn)行方面的的管理對(duì)策以及應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)管理和維護(hù)的要點(diǎn)，確保水庫(kù)大壩圍堤結(jié)構(gòu)能夠安全可控、高質(zhì)量、高效率運(yùn)行。

2 系統(tǒng)組成與布置

2.1 硬件系統(tǒng)組成

硬件方面，為保證該小型平原水庫(kù)工程自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)及功能作用的順利發(fā)揮，必需建設(shè)和設(shè)置監(jiān)測(cè)分站、電纜走線、傳感器、光纖、監(jiān)測(cè)總站等。其中，為與自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)屬性及軟件相配套，傳感器應(yīng)選用VWP-1D型高精度壓阻式揚(yáng)壓力計(jì)，該型號(hào)傳感器必需借助信號(hào)電纜與監(jiān)測(cè)分站相接，從而使監(jiān)測(cè)分站真正發(fā)揮揚(yáng)壓力數(shù)據(jù)采集單元的功能作用；監(jiān)測(cè)分站將從VWP-1D型高精度壓阻式揚(yáng)壓力計(jì)所收集到的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)一步實(shí)時(shí)傳輸至監(jiān)測(cè)總站對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)單元，并由總站進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。

在所構(gòu)建起的該小型平原式水庫(kù)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，分站設(shè)置著的數(shù)據(jù)采集單元的布置模式完全根據(jù)監(jiān)測(cè)滲流測(cè)點(diǎn)數(shù)量以及監(jiān)測(cè)距離，為滿足相關(guān)規(guī)范中所規(guī)定的測(cè)壓管布設(shè)要求以及系統(tǒng)建設(shè)成本控制、經(jīng)濟(jì)實(shí)用性等方面的要求，該小型平原水庫(kù)圍堤處總共設(shè)置有22個(gè)監(jiān)測(cè)斷面、93個(gè)具體的數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)點(diǎn)，為與監(jiān)測(cè)目的和監(jiān)測(cè)總站設(shè)置要求相配合，同時(shí)還設(shè)置有12個(gè)監(jiān)測(cè)分站。在系統(tǒng)建設(shè)完畢、投入監(jiān)測(cè)的過程中，各數(shù)據(jù)采集單元便會(huì)結(jié)合工控機(jī)所下達(dá)的監(jiān)測(cè)命令，根據(jù)所要求的具體監(jiān)測(cè)時(shí)間(段和點(diǎn))對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)單元所對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)儀器展開操作以便實(shí)施自動(dòng)監(jiān)測(cè)，采集到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)全部由系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量的存儲(chǔ)格式，嚴(yán)格按要求存儲(chǔ)在不同數(shù)據(jù)庫(kù)中所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)采集單元；數(shù)據(jù)量最終由光端機(jī)根據(jù)工控機(jī)命令通過光纖傳送至主機(jī)。

2.2 軟件系統(tǒng)組成與功能

軟件方面，該小型平原水庫(kù)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊、圖形分析處理、各種形式報(bào)表的制作、沉降位移觀測(cè)及數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)管理等模塊組成，具體見圖1。

圖1 軟件系統(tǒng)組成

通過以上軟件模塊處理后的信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)中，并分析處理，并最終以數(shù)據(jù)和報(bào)表形式呈現(xiàn)對(duì)圍堤實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)價(jià)結(jié)果。

2.2.1 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)進(jìn)行該小型平原水庫(kù)大壩壩體壩基圍堤等結(jié)構(gòu)運(yùn)行實(shí)際狀況的監(jiān)測(cè)，如遇測(cè)量結(jié)果異常，系統(tǒng)便會(huì)自動(dòng)展開異常原因判別。

2.2.2 離線分析子系統(tǒng)

2.2.2.1 測(cè)壓管水位統(tǒng)計(jì)模型

根據(jù)大壩浸潤(rùn)線測(cè)壓管水位實(shí)測(cè)資料，上下游水位、降雨、壩體填筑材料滲透時(shí)變特性等是影響其測(cè)壓管水位的主要因素，為此可以寫出測(cè)壓管水位統(tǒng)計(jì)模型，表示如下：

h=hu+hd+hp+hθ

(1)

式中：h該小型平原水庫(kù)大壩壩體圍堤浸潤(rùn)線測(cè)壓管實(shí)際水位，m；hu為水庫(kù)上游水位，m；hd為水庫(kù)下游水位，m；hp為降雨影響水位，m；hθ為時(shí)效影響水位，m。

2.2.2.2 測(cè)壓管水位影響因子

1)上游水位。根據(jù)以上對(duì)該小型平原水庫(kù)大壩壩體圍堤滲流情況的分析可以看出，其中明顯存在不滲水地基，且主要呈矩形土體狀態(tài)，其浸潤(rùn)線公式可表示如下：

hi=(hu2-2q/kxi)1/2

(2)

式中：hi為與水庫(kù)上游面直線距離為xi地方所對(duì)應(yīng)的浸潤(rùn)線高程，也就是此處的測(cè)壓管水位，m；q為單寬流量；k為小型平原水庫(kù)大壩壩體圍堤滲流系數(shù)；xi為測(cè)點(diǎn)與上游面的距離，m；其余參數(shù)含義同前。

對(duì)于該平原水庫(kù)大壩壩體圍堤監(jiān)測(cè)所具體設(shè)置的測(cè)壓管而言，xi和k取值既定，也就是說，所設(shè)置的測(cè)壓管對(duì)應(yīng)的水位值與庫(kù)水位值之間存在正比例的數(shù)據(jù)關(guān)系，但上游庫(kù)水位始終處于變動(dòng)狀態(tài)，存在滲流問題，這也是引發(fā)該測(cè)壓管水位變動(dòng)趨勢(shì)明顯滯后于庫(kù)水位變動(dòng)趨勢(shì)的主要原因[1-2]。為此，必需通過前期庫(kù)水位值進(jìn)行水庫(kù)上游水位的表示與確定，公式如下：

(3)

2)下游水位。根據(jù)觀測(cè)資料，該水庫(kù)下游水位變動(dòng)較小，故可以觀測(cè)日當(dāng)天下游水位為影響因子，也即：

(4)

3)降雨。發(fā)生大規(guī)模降雨后水庫(kù)大壩壩體可能入滲的水量規(guī)模主要取決于降雨歷時(shí)及時(shí)強(qiáng)、降雨類型、大壩原使用填筑材料、填筑碾壓施工工藝及填筑質(zhì)量等，考慮到降雨入滲結(jié)構(gòu)內(nèi)部需要時(shí)間，且自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各項(xiàng)設(shè)備采集及處理數(shù)據(jù)也需要一定時(shí)間，所以，降雨發(fā)生后因雨水入滲所引發(fā)的測(cè)壓管實(shí)際水位的變動(dòng)當(dāng)然也表現(xiàn)出時(shí)間上的滯后性。在計(jì)算過程中，必需應(yīng)選擇前期降雨量因子，表示如下：

(5)

4)時(shí)效。結(jié)合類似工程運(yùn)行實(shí)際及相關(guān)工程實(shí)踐，該小型平原水庫(kù)大壩工程在竣工蓄水后，壩體結(jié)構(gòu)土體顆粒在自然條件、水文地質(zhì)條件、運(yùn)行環(huán)境、重力作用等的影響下，必定會(huì)發(fā)生一定程度改變，因自熱原因而形成的壩前淤積自然會(huì)對(duì)大壩壩體起到一定的自然鋪蓋和防護(hù)作用。綜合考慮上述因素對(duì)壩體埋設(shè)測(cè)壓管水位的可能影響，可表示如下：

hθ=ciθ+c2Inθ

(6)

式中：c1、c2為壩體結(jié)構(gòu)土體顆粒受諸多因素影響的時(shí)效分量回歸系數(shù)；θ為壩體結(jié)構(gòu)土體顆粒受諸多因素影響的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)修正系數(shù)，應(yīng)當(dāng)按照蓄水初期開始天數(shù)與100的商進(jìn)行確定。

通過以上分析，可以將該水庫(kù)大壩浸潤(rùn)線測(cè)壓管水位統(tǒng)計(jì)模型表示如下：

(7)

式中：a0為常數(shù)項(xiàng)。結(jié)合對(duì)該小型平原水庫(kù)水位變動(dòng)過程以及大壩浸潤(rùn)線所埋設(shè)測(cè)壓管水位觀測(cè)結(jié)果的分析表明，庫(kù)水位是影響測(cè)壓管水位的主要因素，一般情況下，隨著庫(kù)水位上升，測(cè)壓管水位隨之升高，反之則反是，但這種影響通常存在7d左右的滯后期。

2.2.2.3 滲流統(tǒng)計(jì)模型回歸分析

結(jié)合以上對(duì)影響因素的分析，以所設(shè)定的觀測(cè)日之前的第i天對(duì)應(yīng)的該小型平原水庫(kù)實(shí)際庫(kù)水位為自變量，同時(shí)以所設(shè)定的觀測(cè)日當(dāng)天水庫(kù)大壩浸潤(rùn)線所埋設(shè)測(cè)壓管實(shí)測(cè)水位值為應(yīng)變量，進(jìn)行水庫(kù)大壩壩體圍堤自動(dòng)監(jiān)測(cè)回歸模型構(gòu)建：

(8)

上式中上游庫(kù)水位分量的回歸系數(shù)aui和常數(shù)項(xiàng)a0均通過統(tǒng)計(jì)學(xué)中的最小二乘法加以確定，為提高分析結(jié)果的精確度，并將誤差控制在最小范圍，還應(yīng)保證觀測(cè)結(jié)果與回歸模型計(jì)算結(jié)果之差的平方和達(dá)到最小水平[3]。對(duì)于以上所得到的回歸系數(shù)，分別采用F檢驗(yàn)法和R檢驗(yàn)法進(jìn)行檢驗(yàn)，若所得到的F值和R值>臨界值，則應(yīng)當(dāng)拒絕原假設(shè)，重新分析計(jì)算。

2.2.3 其他子系統(tǒng)

圖形制作子系統(tǒng)主要根據(jù)時(shí)間上的測(cè)點(diǎn)過程曲線圖以及斷面上的測(cè)點(diǎn)分布過程曲線圖進(jìn)行水庫(kù)圍堤運(yùn)行情況監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)，計(jì)算沉降量最大最小及均值。

3 運(yùn)行效果

用戶登錄主界面后可以選擇實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、圖形及報(bào)表制作、沉降位移、數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)維護(hù)、離線分析等各個(gè)子系統(tǒng)；進(jìn)入實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及圖形制作子系統(tǒng)后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成時(shí)間為橫軸、所對(duì)應(yīng)物理量為縱軸的測(cè)點(diǎn)曲線，并通過時(shí)間過程曲線體現(xiàn)測(cè)點(diǎn)測(cè)值變動(dòng)趨勢(shì)。系統(tǒng)還包括預(yù)警功能，根據(jù)水位進(jìn)行滲流情況預(yù)測(cè)，如遇異常便會(huì)觸發(fā)預(yù)警。該水庫(kù)A01000測(cè)點(diǎn)大壩圍堤滲水位高程曲線具體如圖2所示。

圖2 A01000測(cè)點(diǎn)大壩圍堤滲水位高程曲線

4 結(jié) 論

綜上所屬，該水庫(kù)運(yùn)行自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在保證水庫(kù)安全運(yùn)行方面具有重要作用，并能實(shí)現(xiàn)安監(jiān)設(shè)備自動(dòng)化運(yùn)行，為水庫(kù)圍堤及水工建筑物實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供可能，便于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資料及時(shí)分析，系統(tǒng)運(yùn)行的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，使平原水庫(kù)安全管理水平顯著提升，其所帶來的經(jīng)濟(jì)效益十分顯著，而社會(huì)效益不可估量。