李利劍

(山東水總有限公司，濟南 250000)

0 引 言

水利工程大壩分為攔河壩與防洪壩等不同用途，實現(xiàn)模式也有諸多不同形式，但其變形破壞一般分為3種，其一是水壓方向上的大壩壩體整體位移，其二是滲流暗涌等地下水活動造成的大壩沉降，其三是大壩基礎(chǔ)形變造成的底鼓型位移[1]。3種位移與大壩的滲流等地下水結(jié)構(gòu)問題、裂隙等壩體結(jié)構(gòu)問題等無固定邏輯關(guān)系，但大壩位移與大壩穩(wěn)定性、可靠性等安全指標有直接關(guān)系[2]。

早期水利大壩變形監(jiān)測技術(shù)依賴壩頂布局的測量控制點，使用全站儀或RTK(Real - time kinematic，實時差分定位測量系統(tǒng))等進行持續(xù)觀測，但該過程需要大量人工操作且無法實現(xiàn)實時測量，且相關(guān)測量數(shù)據(jù)也需要人工內(nèi)業(yè)導(dǎo)入，無法實現(xiàn)實時動態(tài)分析。而固定點位的傾斜攝影技術(shù)被應(yīng)用到大壩變形測量中后，可以通過計算機系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)測大壩形變，且結(jié)合BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型系統(tǒng))中有限元分析、流體力學(xué)分析等水利大壩監(jiān)控工具軟件，可以實現(xiàn)實時高精度監(jiān)測[3]。

該研究基于BIM軟件工具，對壩體附近布置的固定點位可見光攝像頭系統(tǒng)提供的傾斜攝影數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對水利工程大壩變形的實時監(jiān)測，且對監(jiān)測數(shù)據(jù)實時模擬分析并給出風險預(yù)警[4]。

1 BIM系統(tǒng)支持下的水利大壩變形監(jiān)測系統(tǒng)

21世紀初，絕大多數(shù)水利工程大壩均部署了高清可見光攝像頭系統(tǒng)，早期部署目的為加強無人巡視，服務(wù)于大壩安保系統(tǒng)。隨著傾斜攝影技術(shù)日趨完善，只要在大壩范圍內(nèi)部署密度足夠高的可見光攝像頭，保證每個測點均有3個以上攝像頭畫面多角度重合，且有衛(wèi)星授時系統(tǒng)確保所有攝像頭的快門一致性，就可以實現(xiàn)對大壩壩體的實時三維建模，將不同時間的三維模型導(dǎo)入到BIM數(shù)據(jù)庫中，可以實現(xiàn)對大壩變形的實時監(jiān)控。該系統(tǒng)與BIM系統(tǒng)的邏輯關(guān)系見圖1。

圖1 BIM系統(tǒng)支持下的水利大壩變形監(jiān)測系統(tǒng)邏輯架構(gòu)圖

圖1中，BIM系統(tǒng)之外主要包含2個子系統(tǒng)，其一是攝像頭的快門授時系統(tǒng)，確保所有攝像頭的快門動作同時性；其二是攝像頭圖像信息的采集系統(tǒng)，大部分攝像頭默認為每秒25～30幀圖像的采集速率，但該系統(tǒng)監(jiān)測的大壩變形過程較為緩慢，早期監(jiān)測系統(tǒng)盡可保證每天1次數(shù)據(jù)采集，該系統(tǒng)每小時采集1次數(shù)據(jù)即可完成監(jiān)測任務(wù)[5-7]。使用Smart3D軟件生成圖三維模型后，將模型數(shù)據(jù)提交到BIM內(nèi)置數(shù)據(jù)庫的模型數(shù)據(jù)庫部分，每次提交數(shù)據(jù)隨即觸發(fā)一次BIM系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析過程，該分析過程包含了CAD(Computer Aided Design，計算機輔助三維模型設(shè)計)引擎下的當前模型與之前模型的點陣位移模型比較，進而將比較結(jié)果交給CAE(Computer Aided Engineering，計算機輔助力學(xué)分析設(shè)計軟件)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力有限元分析和水體流體力學(xué)分析功能，最終分析結(jié)果由數(shù)據(jù)分析引擎生成數(shù)據(jù)預(yù)警信息，并在水利大壩BIM值班系統(tǒng)中給出預(yù)警顯示[8-9]。

2 水利大壩變形監(jiān)測模型的關(guān)鍵算法

2.1 三維模型比較分析算法

傳統(tǒng)測量模式下，在壩頂布置一列測線，用于控制壩體整體的位移情況。所以該研究在此基礎(chǔ)上進行升級，在三維模型中重點描述壩頂2條邊線，每隔1 m布置迎水面和背水面各1個測點。每次模型比較分析中，分析每個測點的橫向位移距離和縱向位移距離，最終得到1組位移陣列。上述分析邏輯見圖2。

圖2 三維模型測點比較方法示意圖

圖2中，測點橫向位移距離向遠離迎水面方向時為正，反之為負；測點縱向位移向下(指向地心)時為正，反之為負。最終按照壩體測點順序，標記測點序號，以1 600 m攔水壩為例，迎水面測線共1 600個測點，背水面測線共1 600個測點，每組記錄1個迎水面測點和1個背水面測點，每個測點共記錄4個數(shù)據(jù)，合計4×1 600個(6 400個)測點數(shù)據(jù)。因為該設(shè)計中每小時記錄1組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)包含6 400個測點數(shù)據(jù)，每天記錄24組數(shù)據(jù)共153 600個數(shù)據(jù)。實際比較中，按照連續(xù)數(shù)據(jù)計算差值，或按照每天、每周、每月、每年等時間周期計算差值，均可實現(xiàn)相關(guān)分析[10]。

如前文所述，上述位移數(shù)據(jù)，包括其原始三維矢量位移數(shù)據(jù)，導(dǎo)入到BIM系統(tǒng)中的CAE子系統(tǒng)中，進行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析、流體力學(xué)分析，分析過程均使用經(jīng)過完整封裝的內(nèi)置控件相關(guān)功能，因篇幅所限不展開論述。經(jīng)過分析的數(shù)據(jù)投影到上述2條測線上，形成間隔1 m的水利大壩壩體應(yīng)力分布情況和間隔1 m的壩體滲流流量情況。即經(jīng)過前置分析，1 600個測點中包含迎水面水平位移、迎水面縱向位移、背水面水平位移、背水面縱向位移、壩體結(jié)構(gòu)應(yīng)力、壩體滲流流量等6個數(shù)據(jù)，該6個數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)預(yù)警背景數(shù)據(jù)供數(shù)據(jù)預(yù)警環(huán)節(jié)調(diào)用[11]。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)警生成算法

采用線性投影結(jié)合加權(quán)整合算法，生成數(shù)據(jù)預(yù)警信息。其中：①線性投影算法指選擇整列數(shù)據(jù)的最大值和最小值，使用當前值與最小值的差值與最大值和最小值的差值求取比值，得到一個位于[0,1]區(qū)間上的雙精度浮點型變量。此處，一列數(shù)據(jù)指上述迎水面水平位移、迎水面縱向位移、背水面水平位移、背水面縱向位移、壩體結(jié)構(gòu)應(yīng)力、壩體滲流流量等6個數(shù)據(jù)中任何一列，在每天、每周、每月、每年等計量周期下的全部數(shù)據(jù)[12]。②計算每個統(tǒng)計步長下的當前數(shù)據(jù)與上一計量周期數(shù)據(jù)的差值，數(shù)據(jù)上一計量數(shù)據(jù)計算比值，再次得到一個位于[0,1]區(qū)間上的雙精度浮點型變量，作為計量差值。③將線性投影數(shù)據(jù)與差值數(shù)據(jù)相乘，對乘積結(jié)果再進行一次線性投影計算，將結(jié)果數(shù)據(jù)重新整理到[0,1]區(qū)間上。每列數(shù)據(jù)的分析經(jīng)過作為預(yù)警依據(jù)背景數(shù)據(jù)。④將上述迎水面水平位移、迎水面縱向位移、背水面水平位移、背水面縱向位移、壩體結(jié)構(gòu)應(yīng)力、壩體滲流流量等6個數(shù)據(jù)賦予權(quán)重值，將上述3步計算結(jié)果按照權(quán)重累加，最終得到的序列數(shù)據(jù)再次進行一次線性投影計算，得到整體預(yù)警結(jié)果。上述4步處理的算法邏輯見圖3。

圖3 壩體位移數(shù)據(jù)預(yù)警算法邏輯架構(gòu)圖

圖3中，6項單項預(yù)警結(jié)果和最終預(yù)警結(jié)果，均為經(jīng)過線性投影治理后位于[0,1]區(qū)間上的雙精度浮點型變量[13]。且預(yù)警之前經(jīng)過了包含實時值的線性序列數(shù)據(jù)和包含變量值的差值序列數(shù)據(jù)的乘積計算，預(yù)警結(jié)果包含了數(shù)據(jù)實時量和數(shù)據(jù)變化量的整體信息，所以預(yù)警數(shù)據(jù)僅需要經(jīng)過分段處理即可實現(xiàn)相應(yīng)預(yù)警功能。參考其他相關(guān)研究給出的攔河壩位移預(yù)警方案，當預(yù)警值位于[0.00,0.15]區(qū)間時處于無預(yù)警狀態(tài)；當其位于(0.15，0.25]時處于一般預(yù)警狀態(tài)；在(0.25,1.00]區(qū)間時處于緊急預(yù)警狀態(tài)。當發(fā)現(xiàn)預(yù)警信息時，可以查看三維模型比較算法得到的1 600個測點的數(shù)據(jù)分布圖，精確獲得位移相關(guān)定位信息，從而指定搶修維護措施[14]。

3 大壩變形監(jiān)測模型的實際運行效果分析

3.1 壩體滲流沉降問題的數(shù)據(jù)表現(xiàn)

仿真環(huán)境中，根據(jù)研究個案設(shè)定一處重力型攔河土石壩，壩體長度為1 600 m，壩體高度16.5 m，壩頂寬度12.5 m，壩底寬度42.7 m，最大設(shè)計蓄水深度13.5 m，常規(guī)蓄水深度7～9 m。壩體用途為灌溉性小流域山間攔河壩。使用Matlab大數(shù)據(jù)分析工具加載Simulink控件運行BIM系統(tǒng)仿真程序，利用BIM仿真程序中的CAD、CAE控件運行該模型驅(qū)動的仿真程序，使用sBlood控件對壩體物理運行引擎進行仿真，且在sBlood控件中運行攝像頭仿真程序。仿真實驗中在壩體830 m處人為設(shè)置一處小規(guī)模滲流異常，觀察系統(tǒng)給出的預(yù)警信息，最終仿真預(yù)警結(jié)果見圖4。

圖4中，展示該預(yù)警信息中迎水側(cè)縱向位移和壩體滲流量2項發(fā)出預(yù)警的數(shù)據(jù)表現(xiàn)情況，其他4項表現(xiàn)因為沒有發(fā)出數(shù)據(jù)預(yù)警，此處不進行全面展示。分析上述數(shù)據(jù)表現(xiàn)特征，共得到以下規(guī)律：①該算法對壩體縱向位移的數(shù)據(jù)敏感性高于壩體應(yīng)力數(shù)據(jù)敏感性，從邏輯角度分析，當出現(xiàn)較大幅度壩體縱向位移且有顯著的壩體滲流流量時，壩體內(nèi)結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)有顯著表現(xiàn)，但該研究中并未給出顯著的數(shù)據(jù)預(yù)警。②該算法設(shè)計目標是在壩體出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性位移問題時，系統(tǒng)可以給出較為精確的預(yù)警結(jié)果，所以綜合分析下，該運行表現(xiàn)可以基本滿足設(shè)計需求。③數(shù)據(jù)并未表現(xiàn)出完整且合理的工程學(xué)邏輯，根本原因是如前文圖3中對原始數(shù)據(jù)進行了較為深入的數(shù)據(jù)挖掘，導(dǎo)致數(shù)據(jù)間線性邏輯被打破，但該預(yù)警中對實際故障位置的判斷精度較高，可不考慮數(shù)據(jù)的工程學(xué)邏輯，僅在數(shù)據(jù)層面探討數(shù)據(jù)的實際表現(xiàn)。

圖4 壩體滲流沉降問題的數(shù)據(jù)表現(xiàn)圖

使用上述分析方法，對該壩體人為設(shè)置300次滲流、沉降、裂隙、盜挖等需進行及時工程干預(yù)的壩體結(jié)構(gòu)損傷事件，統(tǒng)計該模型驅(qū)動的預(yù)警軟件給出預(yù)警的位置精度、預(yù)警時間周期等具體表現(xiàn)，參照數(shù)據(jù)來自本公司當前使用的專用壩體結(jié)構(gòu)安全實時預(yù)警軟件，預(yù)警原理為埋置在壩體中的巖層離層儀、應(yīng)力計探頭綜合數(shù)據(jù)分析，其測試方法同樣為在仿真環(huán)境下運行。比較結(jié)果見表1。

表1 該模型驅(qū)動軟件的預(yù)警實際效果統(tǒng)計表

表1中，當前系統(tǒng)相比較之前系統(tǒng)，預(yù)警范圍縮小38.19%，中心點偏移量縮小31.19%，預(yù)警周期基本保證在1個測量周期內(nèi)。其中，預(yù)警范圍指發(fā)出數(shù)據(jù)預(yù)警時預(yù)警數(shù)據(jù)中異常數(shù)據(jù)的影響范圍，按照數(shù)據(jù)涉及的壩體長度計算；中心點偏移量指預(yù)警影響范圍中數(shù)據(jù)峰值點與預(yù)設(shè)壩體結(jié)構(gòu)問題發(fā)生點之間的水平投影距離；預(yù)警周期指預(yù)設(shè)問題發(fā)生到系統(tǒng)給出數(shù)據(jù)預(yù)警的時間間隔。

3.2 壩體微小變形的監(jiān)測效率

除對上述壩體滲流引起壩體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的預(yù)警外，對壩體常規(guī)受力狀態(tài)下發(fā)生的微小位移也應(yīng)有檢測結(jié)果。根據(jù)以往監(jiān)測記錄，該位移量每年在數(shù)毫米到十余毫米之間，根據(jù)上述預(yù)警機制，該過程不會觸發(fā)預(yù)警機制，但系統(tǒng)應(yīng)在監(jiān)測記錄過程中給出監(jiān)測記錄。在上述仿真環(huán)境中，不設(shè)置失穩(wěn)性滲流沉降問題，將監(jiān)測時間窗口擴展到1～5年，觀察系統(tǒng)的觀測精度，見表2。

表2 該模型驅(qū)動軟件對壩體微小變形的監(jiān)測效果統(tǒng)計表

表2中，監(jiān)測精度指系統(tǒng)監(jiān)測記錄中的壩體測線點位與仿真原始模型中實際測量出的測線點位之間的差距，時序數(shù)據(jù)標準差指將測量時序數(shù)據(jù)計算標準差，觀察數(shù)據(jù)的連續(xù)性。實際數(shù)據(jù)中，當前系統(tǒng)較之前系統(tǒng)，其監(jiān)測精度提升42.75%，時序數(shù)據(jù)標差提升53.44%。上述數(shù)據(jù)表明，該模型驅(qū)動的監(jiān)測軟件相比較使用巖土離層儀和應(yīng)力計監(jiān)測系統(tǒng)給出的壩體微小位移數(shù)據(jù)，精度更高，數(shù)據(jù)連續(xù)性更為顯著。

4 總 結(jié)

基于BIM系統(tǒng)，使用壩體附近固定點位高清攝像頭給出的傾斜攝影數(shù)據(jù)構(gòu)建水利工程壩體變形監(jiān)測系統(tǒng)，相比較早期通過在壩體中埋設(shè)離層儀和應(yīng)力計的監(jiān)測方式，監(jiān)測精度更高、數(shù)據(jù)連續(xù)性更顯著、對滲流沉降等較嚴重壩體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題的預(yù)警更為準確。該研究采用了間隔1h的數(shù)據(jù)采樣周期，未來研究中可以進一步縮短采樣周期，從而獲得更精細的數(shù)據(jù)分析結(jié)果。該研究主要在仿真環(huán)境中對該模型驅(qū)動的BIM應(yīng)用軟件進行測試，后續(xù)研究中也會進行實地測試，以獲得更為直觀的研究數(shù)據(jù)。