陳義濤，黃耀英，馬金寶

(1.山東省臨沂市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山東臨沂276002；2.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北宜昌443002)

施工期混凝土壩光纖測(cè)溫疑點(diǎn)識(shí)別準(zhǔn)則設(shè)計(jì)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(cè)設(shè)計(jì)院，山東臨沂276002；2.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北宜昌443002)

由于施工期混凝土溫度測(cè)值的影響因素眾多，分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的工作環(huán)境復(fù)雜多變，分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)在獲取海量大壩混凝土溫度實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的同時(shí)，難免摻雜一定數(shù)量的疑點(diǎn)測(cè)值。借鑒大壩安全監(jiān)控相關(guān)理論方法與研究成果，針對(duì)疑點(diǎn)測(cè)值識(shí)別問(wèn)題，設(shè)計(jì)了5種常用的適合施工期大壩混凝土光纖測(cè)溫測(cè)值疑點(diǎn)識(shí)別的準(zhǔn)則。實(shí)踐表明，這些識(shí)別準(zhǔn)則有效。

混凝土溫度控制；光纖測(cè)溫；疑點(diǎn)識(shí)別準(zhǔn)則；數(shù)理統(tǒng)計(jì)；平滑估計(jì)

0 引 言

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)能夠及時(shí)獲取海量大壩混凝土溫度實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)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(cè)值的因素眾多，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中難免會(huì)出現(xiàn)一些疑點(diǎn)測(cè)值。如何有效識(shí)地別出監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中的疑點(diǎn)測(cè)值，分析疑點(diǎn)測(cè)值產(chǎn)生的原因，用準(zhǔn)確可靠的溫度監(jiān)測(cè)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(xué)術(shù)界和工程界關(guān)注的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

自吳中如[1，2]提出大壩安全監(jiān)控測(cè)值疑點(diǎn)判別六大準(zhǔn)則(時(shí)空分析評(píng)判準(zhǔn)則、力學(xué)規(guī)律識(shí)別準(zhǔn)則、監(jiān)控模型評(píng)判準(zhǔn)則、監(jiān)控指標(biāo)評(píng)判準(zhǔn)則、日常巡查評(píng)判準(zhǔn)則、關(guān)鍵問(wèn)題評(píng)判準(zhǔn)則)以來(lái)，許多學(xué)者[3-15]對(duì)測(cè)值疑點(diǎn)判別的方法和判別效果進(jìn)行研究了研究和驗(yàn)證，但其研究范圍主要集中在大壩位移變形監(jiān)測(cè)、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)、滲流滲漏監(jiān)測(cè)中。目前對(duì)于大壩混凝土溫度測(cè)值疑點(diǎn)識(shí)別的報(bào)道較少，因此本文結(jié)合大壩安全監(jiān)控測(cè)值疑點(diǎn)識(shí)別現(xiàn)有的理論方法和研究成果，針對(duì)施工期大壩混凝土溫度測(cè)值的疑點(diǎn)識(shí)別問(wèn)題進(jìn)行了探討。

1 識(shí)別準(zhǔn)則

大壩混凝土的溫控防裂是從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)疑點(diǎn)識(shí)別、疑點(diǎn)成因分析到溫控決策的循環(huán)過(guò)程，溫控防裂的決策需要響應(yīng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的異常，溫控防裂的決策也會(huì)影響著監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)。由于溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是一個(gè)動(dòng)態(tài)增加的過(guò)程，需要對(duì)同一時(shí)間序列的測(cè)值重復(fù)進(jìn)行疑點(diǎn)識(shí)別，數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法在疑點(diǎn)識(shí)別時(shí)檢驗(yàn)值的統(tǒng)計(jì)特征值也會(huì)不斷變化，很容易出現(xiàn)疑點(diǎn)測(cè)值誤判現(xiàn)象。溫控防裂的工程實(shí)踐表明，由于施工期混凝土溫度監(jiān)測(cè)的特殊性，其他監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的異常診斷方法很難直接應(yīng)用于溫度測(cè)值的疑點(diǎn)識(shí)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(cè)中位移變形、應(yīng)力應(yīng)變和滲流滲漏監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常診斷的方法：統(tǒng)計(jì)模型診斷、監(jiān)控指標(biāo)診斷、設(shè)計(jì)允許值診斷、速度加速度診斷、力學(xué)原理診斷、時(shí)空異常值診斷[16]，溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的疑點(diǎn)識(shí)別也可以形成設(shè)計(jì)允許值識(shí)別準(zhǔn)則、監(jiān)控指標(biāo)識(shí)別準(zhǔn)則、統(tǒng)計(jì)模型識(shí)別準(zhǔn)則、速度加速度識(shí)別準(zhǔn)則、時(shí)空異常值識(shí)別準(zhǔn)則，疑點(diǎn)識(shí)別分析決策的網(wǎng)絡(luò)流程見(jiàn)圖1。

圖1 疑點(diǎn)識(shí)別分析決策網(wǎng)絡(luò)流程

1.1 設(shè)計(jì)允許值識(shí)別準(zhǔn)則

根據(jù)設(shè)計(jì)院對(duì)大壩混凝土溫度控制施工技術(shù)要求的具體規(guī)定和說(shuō)明，把光纖測(cè)溫實(shí)測(cè)值是否在設(shè)計(jì)規(guī)定的監(jiān)測(cè)指標(biāo)控制范圍之內(nèi)作為測(cè)值數(shù)據(jù)疑點(diǎn)識(shí)別的依據(jù)，具體識(shí)別流程見(jiàn)圖2。

圖2 設(shè)計(jì)允許值識(shí)別準(zhǔn)則網(wǎng)絡(luò)流程

1.2 監(jiān)控指標(biāo)識(shí)別準(zhǔn)則

以目標(biāo)控制溫度(最高溫度、一期冷卻目標(biāo)溫度、中期冷卻目標(biāo)溫度、設(shè)計(jì)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(lái)擬定齡期控制點(diǎn)之間典型齡期的溫度監(jiān)控指標(biāo)(允許溫度和允許溫度變化速率)，把光纖測(cè)溫實(shí)測(cè)值是否在擬定的溫度監(jiān)控指標(biāo)的控制范圍之內(nèi)作為測(cè)值數(shù)據(jù)疑點(diǎn)識(shí)別的依據(jù)[2，17-19]，具體識(shí)別流程見(jiàn)圖3。

圖3 監(jiān)控指標(biāo)識(shí)別準(zhǔn)則網(wǎng)絡(luò)流程

1.3 統(tǒng)計(jì)模型識(shí)別準(zhǔn)則

針對(duì)施工期混凝土溫度變化規(guī)律，采用周期項(xiàng)作為環(huán)境氣溫因子，累加兩個(gè)指數(shù)函數(shù)來(lái)考慮水化熱溫升和通水冷卻的影響，初始溫度由常數(shù)項(xiàng)來(lái)表示，建立施工期大壩混凝土溫度統(tǒng)計(jì)模型[20]。由光纖測(cè)溫實(shí)測(cè)值確定統(tǒng)計(jì)模型參數(shù)，根據(jù)光纖測(cè)溫實(shí)測(cè)值是否在統(tǒng)計(jì)模型計(jì)算值的控制范圍之內(nèi)進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)性質(zhì)的判別，具體識(shí)別流程見(jiàn)圖4。

圖4 統(tǒng)計(jì)模型識(shí)別準(zhǔn)則網(wǎng)絡(luò)流程

1.4 速度加速度識(shí)別準(zhǔn)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(cè)溫系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)、測(cè)次密集的特點(diǎn)，其測(cè)值序列構(gòu)成的歷時(shí)曲線可認(rèn)為連續(xù)可導(dǎo)。若大壩混凝土溫度測(cè)值發(fā)生異常，必然會(huì)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(lái)識(shí)別測(cè)值中的疑點(diǎn)測(cè)值，具體識(shí)別流程見(jiàn)圖5。

圖5 速度加速度識(shí)別準(zhǔn)則網(wǎng)絡(luò)流程

1.5 時(shí)空異常值識(shí)別準(zhǔn)則

時(shí)空異常值識(shí)別準(zhǔn)則的基本思想是假設(shè)正常測(cè)值構(gòu)成的歷時(shí)曲線是平滑的，包含疑點(diǎn)測(cè)值的歷時(shí)曲線是非平滑的，可以通過(guò)歷時(shí)曲線平滑程度來(lái)區(qū)分疑點(diǎn)測(cè)值。根據(jù)施工期混凝土溫度變化規(guī)律，對(duì)光纖測(cè)溫測(cè)值序列進(jìn)行中位數(shù)平滑估計(jì)[21]，把光纖測(cè)溫實(shí)測(cè)值是否在平滑估計(jì)值的控制范圍之內(nèi)作為測(cè)值數(shù)據(jù)疑點(diǎn)識(shí)別的依據(jù)，具體識(shí)別流程見(jiàn)圖6。

圖6 時(shí)空異常值識(shí)別準(zhǔn)則網(wǎng)絡(luò)流程

2 工程實(shí)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(gè)壩段。為控制大壩混凝土產(chǎn)生裂縫的風(fēng)險(xiǎn)，及時(shí)了解和掌握大壩混凝土的溫度狀況，在澆筑倉(cāng)埋設(shè)常規(guī)溫度計(jì)，并在河床部位15號(hào)和16號(hào)壩段以及岸坡部位5號(hào)和23號(hào)壩段分別埋設(shè)分布式光纖進(jìn)行混凝土溫度監(jiān)測(cè)。

為將施工期混凝土溫度降至封拱灌漿溫度，該拱壩嚴(yán)格按照朱伯芳提出的“小溫差、早冷卻、緩冷卻”通水理念進(jìn)行通水冷卻。選擇典型壩段澆筑倉(cāng)光纖測(cè)溫測(cè)值，將溫度歷時(shí)過(guò)程轉(zhuǎn)化為溫度齡期過(guò)程，繪制光纖測(cè)溫實(shí)測(cè)值過(guò)程線見(jiàn)圖7，采用設(shè)計(jì)允許值識(shí)別準(zhǔn)則共識(shí)別出10個(gè)疑點(diǎn)測(cè)值。

圖7 實(shí)測(cè)溫度過(guò)程線

采用小概率法或最大熵法對(duì)每個(gè)典型齡期的溫度測(cè)值擬定對(duì)應(yīng)的溫度監(jiān)控指標(biāo)，此過(guò)程比較復(fù)雜，本文基于統(tǒng)計(jì)模型計(jì)算值采用置信區(qū)間法來(lái)取得溫度監(jiān)控指標(biāo)，通過(guò)實(shí)測(cè)溫度求得統(tǒng)計(jì)模型相關(guān)參數(shù)并確定溫度監(jiān)控指標(biāo)，實(shí)測(cè)溫度及監(jiān)控指標(biāo)過(guò)程線見(jiàn)圖8，用監(jiān)控指標(biāo)識(shí)別準(zhǔn)則共識(shí)別出16個(gè)疑點(diǎn)測(cè)值，包含10個(gè)疑點(diǎn)測(cè)值和6個(gè)誤判的正常測(cè)值，6個(gè)誤判的正常測(cè)值齡期均小于2 d，主要是由于該時(shí)段統(tǒng)計(jì)模型計(jì)算值的偏差造成置信區(qū)間偏移產(chǎn)生誤判，對(duì)起始時(shí)段的監(jiān)控指標(biāo)進(jìn)行整后即可消除誤判的現(xiàn)象。

圖8 實(shí)測(cè)溫度及監(jiān)控指標(biāo)過(guò)程線

統(tǒng)計(jì)模型計(jì)算值和實(shí)測(cè)溫度過(guò)程線如圖9所示，疑點(diǎn)識(shí)別閥值初始值可基于殘差的數(shù)理統(tǒng)計(jì)特征值取值，采用統(tǒng)計(jì)模型識(shí)別準(zhǔn)則共識(shí)別出12個(gè)疑點(diǎn)測(cè)值，包含10個(gè)疑點(diǎn)測(cè)值和2個(gè)誤判的正常測(cè)值。疑點(diǎn)測(cè)值的數(shù)量會(huì)影響殘差的數(shù)理統(tǒng)計(jì)特征值，將識(shí)別出的疑點(diǎn)測(cè)值用統(tǒng)計(jì)模型計(jì)算值替代，重新確定統(tǒng)計(jì)模型并統(tǒng)計(jì)殘差的數(shù)理統(tǒng)計(jì)特征值，對(duì)疑點(diǎn)識(shí)別閥值進(jìn)行修正，即可避免誤判出現(xiàn)。

圖9 實(shí)測(cè)溫度及統(tǒng)計(jì)模型計(jì)算值過(guò)程線

以圖7中溫度過(guò)程線上相鄰兩點(diǎn)的斜率代表中點(diǎn)溫度變化的速度，以速度過(guò)程線上相鄰兩點(diǎn)的斜率代表中點(diǎn)溫度變化的加速度，求得實(shí)測(cè)溫度變化的加速度過(guò)程線見(jiàn)圖10，疑點(diǎn)識(shí)別閥值初始值基于檢驗(yàn)值的數(shù)理統(tǒng)計(jì)特征值取值，采用速度加速度識(shí)別準(zhǔn)則共識(shí)別出31個(gè)疑點(diǎn)測(cè)值，包含10個(gè)疑點(diǎn)測(cè)值和21個(gè)誤判的正常測(cè)值，其中21個(gè)誤判的正常測(cè)值中有18個(gè)均為疑點(diǎn)測(cè)值緊鄰的測(cè)值，去掉識(shí)別出的10個(gè)疑點(diǎn)測(cè)值，重新計(jì)算溫度變化的速度加速度，根據(jù)檢驗(yàn)值的數(shù)理統(tǒng)計(jì)特征值修正疑點(diǎn)識(shí)別閥值，即可避免正常測(cè)值誤判的現(xiàn)象。

圖10 實(shí)測(cè)溫度變化加速度過(guò)程線

從實(shí)測(cè)溫度序列中依次取出5個(gè)相鄰測(cè)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(gè)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(gè)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(jì)值序列，實(shí)測(cè)溫度與其平滑估計(jì)值過(guò)程線見(jiàn)圖11，求實(shí)測(cè)溫度與其對(duì)應(yīng)的平滑估計(jì)值殘差，平滑估計(jì)閥值初始值基于殘差的數(shù)理統(tǒng)計(jì)特征值取值，采用時(shí)空異常值識(shí)別準(zhǔn)則共識(shí)別出10個(gè)疑點(diǎn)測(cè)值。以平滑估計(jì)值替代識(shí)別出的10個(gè)疑點(diǎn)測(cè)值，重新進(jìn)行平滑估計(jì)，根據(jù)殘差的數(shù)理統(tǒng)計(jì)特征值對(duì)平滑估計(jì)閥值進(jìn)行修正，避免出現(xiàn)誤判現(xiàn)象。

圖11 實(shí)測(cè)溫度及其平滑估計(jì)過(guò)程線

3 結(jié) 論

為有效解決施工期混凝土壩溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)疑點(diǎn)識(shí)別問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了5種常用的溫度測(cè)值疑點(diǎn)識(shí)別準(zhǔn)則。設(shè)計(jì)允許值識(shí)別準(zhǔn)則是測(cè)值疑點(diǎn)識(shí)別的根本依據(jù)，較為精煉直觀，但不便于編程實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)值的快速疑點(diǎn)識(shí)別；監(jiān)控指標(biāo)識(shí)別準(zhǔn)則疑點(diǎn)識(shí)別的可靠性主要依賴于監(jiān)控指標(biāo)擬定的精確性，如何才能快速擬定出準(zhǔn)確可靠的監(jiān)控指標(biāo)仍有待進(jìn)一步研究；統(tǒng)計(jì)模型識(shí)別準(zhǔn)則是監(jiān)測(cè)規(guī)范推薦的方法，比較簡(jiǎn)單，但是隨著監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的劇增和溫控措施的改變，統(tǒng)計(jì)模型的預(yù)測(cè)精度就會(huì)受到影響，尤其是一些突發(fā)事件很容易導(dǎo)致識(shí)別準(zhǔn)則誤判的現(xiàn)象；速度加速度識(shí)別準(zhǔn)則對(duì)疑點(diǎn)測(cè)值中的粗差和突變較為敏感，很容易將疑點(diǎn)測(cè)值的緊鄰正常測(cè)值誤判為疑點(diǎn)測(cè)值；時(shí)空異常值識(shí)別準(zhǔn)則主要根據(jù)監(jiān)測(cè)物理量的時(shí)空分布平滑程度來(lái)進(jìn)行疑點(diǎn)識(shí)別，對(duì)疑點(diǎn)測(cè)值中的粗差和異常測(cè)值識(shí)別效果較好，而對(duì)趨勢(shì)性變化異常疑點(diǎn)測(cè)值的識(shí)別效果較差。

工程實(shí)踐表明：5個(gè)識(shí)別準(zhǔn)則均能有效識(shí)別出所有疑點(diǎn)測(cè)值。多種識(shí)別準(zhǔn)則聯(lián)合識(shí)別，或者重復(fù)疑點(diǎn)識(shí)別，基于檢驗(yàn)值的數(shù)理統(tǒng)計(jì)特征值對(duì)疑點(diǎn)識(shí)別閥值進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚苡行П苊庹y(cè)值被誤判的現(xiàn)象。識(shí)別出的疑點(diǎn)測(cè)值是粗差還是能夠反映大壩混凝土溫度異常的真實(shí)測(cè)值，仍有待監(jiān)測(cè)環(huán)境資料、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、巡查記錄等監(jiān)測(cè)資料綜合分析確定。

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(責(zé)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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)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(jì)工作；黃耀英(通訊作者).

TV698.1

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0559-9342(2016)12-0060-05