水庫工程自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用

王夢如

(塔里木河流域干流管理局，新疆 庫爾勒 841000)

0 引 言

結(jié)合國內(nèi)外水庫工程運行實際不難發(fā)現(xiàn)，水庫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的隱蔽性，故展開運行狀態(tài)實時安全監(jiān)測必需作為水庫綜合運行管理的重要方面，從而為確保水庫安全、正常運行以及蓄水調(diào)洪功能的順利發(fā)揮提供保障。當前國內(nèi)有關(guān)水庫工程自動化安全監(jiān)測的研究成果較少，平原水庫壩體較長，管理人員較難集中精力對壩體運行安全方面展開全面、細致、準確的監(jiān)測，導(dǎo)致此類水庫在長期運行過程中安全隱患突出。

1 系統(tǒng)開發(fā)背景

某水庫屬于中型平原水庫，于1980年興建，當年年底竣工后便開始蓄水運行，該水庫設(shè)計集水面積12.41km2，總庫容和興利庫容分別為4685×104m3和4086×104m3，死庫容1039×104m3。原正常蓄水位設(shè)計水平為5.4m，死水位設(shè)計水平為2.3m，庫底高程平均達到1.4m，庫圍堤長15.79km，堤頂高程原來按照7.02m進行設(shè)計，堤頂寬7.0m，同時在此基礎(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)要求進行設(shè)計，并將上下游堤坡比均按照1∶3的要求進行控制。

該水庫主要發(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，該水庫還在引灤明渠護砌、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。該水庫長期運行于高水位狀態(tài)，如若失事，既會影響到正常供水，又會造成嚴重的安全事故及重大經(jīng)濟損失。

由于水庫圍堤長度大，通過常規(guī)的人工觀測很難及時發(fā)現(xiàn)水庫運行過程中存在的安全隱患，無法達到對壩體安全監(jiān)測的要求。結(jié)合水庫工程運行實際，必須對水庫滲流過程以及滲流情況有關(guān)系的地下水位、孔隙水壓力、浸潤線、滲流量、有效庫容等參數(shù)取值及可能變動的趨勢范圍等進行全面監(jiān)測，將監(jiān)測結(jié)果和現(xiàn)有觀測技術(shù)水平下水庫圍堤沉降結(jié)果以及進出水閘周圍量水堰觀測結(jié)果等進行對比與整合應(yīng)用，構(gòu)建起針對水庫堤壩運行狀態(tài)的自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)，以便為水庫防滲漏工作提供指導(dǎo)，起到輔助水庫綜合管理的作用。為保證所建設(shè)的該小型平原水庫自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)的高效運行，必需保證系統(tǒng)所使用的儀器設(shè)備先進可靠、所對應(yīng)采用的觀測技術(shù)匹配高效，方可取得實時的、有效的水庫結(jié)構(gòu)運行情況監(jiān)測數(shù)據(jù)，相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)經(jīng)由系統(tǒng)自動分析處理后，向水庫管理人員提出水庫大壩圍堤安全運行方面的的管理對策以及應(yīng)當重點管理和維護的要點，確保水庫大壩圍堤結(jié)構(gòu)能夠安全可控、高質(zhì)量、高效率運行。

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工程自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)及功能作用的順利發(fā)揮，必需建設(shè)和設(shè)置監(jiān)測分站、電纜走線、傳感器、光纖、監(jiān)測總站等。其中，為與自動化檢測系統(tǒng)屬性及軟件相配套，傳感器應(yīng)選用VWP-1D型高精度壓阻式揚壓力計，該型號傳感器必需借助信號電纜與監(jiān)測分站相接，從而使監(jiān)測分站真正發(fā)揮揚壓力數(shù)據(jù)采集單元的功能作用；監(jiān)測分站將從VWP-1D型高精度壓阻式揚壓力計所收集到的數(shù)據(jù)信號進一步實時傳輸至監(jiān)測總站對應(yīng)的數(shù)據(jù)單元，并由總站進行數(shù)據(jù)分析和處理。

在所構(gòu)建起的該小型平原式水庫自動化監(jiān)測系統(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)測滲流測點數(shù)量以及監(jiān)測距離，為滿足相關(guān)規(guī)范中所規(guī)定的測壓管布設(shè)要求以及系統(tǒng)建設(shè)成本控制、經(jīng)濟實用性等方面的要求，該小型平原水庫圍堤處總共設(shè)置有22個監(jiān)測斷面、93個具體的數(shù)據(jù)采集監(jiān)測點，為與監(jiān)測目的和監(jiān)測總站設(shè)置要求相配合，同時還設(shè)置有12個監(jiān)測分站。在系統(tǒng)建設(shè)完畢、投入監(jiān)測的過程中，各數(shù)據(jù)采集單元便會結(jié)合工控機所下達的監(jiān)測命令，根據(jù)所要求的具體監(jiān)測時間(段和點)對各個監(jiān)測單元所對應(yīng)的監(jiān)測儀器展開操作以便實施自動監(jiān)測，采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)全部由系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)化為數(shù)字量的存儲格式，嚴格按要求存儲在不同數(shù)據(jù)庫中所對應(yīng)的數(shù)據(jù)采集單元；數(shù)據(jù)量最終由光端機根據(jù)工控機命令通過光纖傳送至主機。

2.2 軟件系統(tǒng)組成與功能

軟件方面，該小型平原水庫自動化監(jiān)測系統(tǒng)由實時監(jiān)測模塊、圖形分析處理、各種形式報表的制作、沉降位移觀測及數(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)存儲在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中，并分析處理，并最終以數(shù)據(jù)和報表形式呈現(xiàn)對圍堤實際運行狀態(tài)的評價結(jié)果。

2.2.1 實時監(jiān)測子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)進行該小型平原水庫大壩壩體壩基圍堤等結(jié)構(gòu)運行實際狀況的監(jiān)測，如遇測量結(jié)果異常，系統(tǒng)便會自動展開異常原因判別。

2.2.2 離線分析子系統(tǒng)

2.2.2.1 測壓管水位統(tǒng)計模型

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

h=hu+hd+hp+hθ

(1)

式中：h該小型平原水庫大壩壩體圍堤浸潤線測壓管實際水位，m；hu為水庫上游水位，m；hd為水庫下游水位，m；hp為降雨影響水位，m；hθ為時效影響水位，m。

2.2.2.2 測壓管水位影響因子

1)上游水位。根據(jù)以上對該小型平原水庫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)，其浸潤線公式可表示如下：

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

(2)

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

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

(3)

2)下游水位。根據(jù)觀測資料，該水庫下游水位變動較小，故可以觀測日當天下游水位為影響因子，也即：

(4)

3)降雨。發(fā)生大規(guī)模降雨后水庫大壩壩體可能入滲的水量規(guī)模主要取決于降雨歷時及時強、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)部需要時間，且自動化監(jiān)測系統(tǒng)各項設(shè)備采集及處理數(shù)據(jù)也需要一定時間，所以，降雨發(fā)生后因雨水入滲所引發(fā)的測壓管實際水位的變動當然也表現(xiàn)出時間上的滯后性。在計算過程中，必需應(yīng)選擇前期降雨量因子，表示如下：

(5)

4)時效。結(jié)合類似工程運行實際及相關(guān)工程實踐，該小型平原水庫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、運行環(huán)境、重力作用等的影響下，必定會發(fā)生一定程度改變，因自熱原因而形成的壩前淤積自然會對大壩壩體起到一定的自然鋪蓋和防護作用。綜合考慮上述因素對壩體埋設(shè)測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)測數(shù)據(jù)修正系數(shù)，應(yīng)當按照蓄水初期開始天數(shù)與100的商進行確定。

通過以上分析，可以將該水庫大壩浸潤線測壓管水位統(tǒng)計模型表示如下：

(7)

式中：a0為常數(shù)項。結(jié)合對該小型平原水庫水位變動過程以及大壩浸潤線所埋設(shè)測壓管水位觀測結(jié)果的分析表明，庫水位是影響測壓管水位的主要因素，一般情況下，隨著庫水位上升，測壓管水位隨之升高，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)計模型回歸分析

結(jié)合以上對影響因素的分析，以所設(shè)定的觀測日之前的第i天對應(yīng)的該小型平原水庫實際庫水位為自變量，同時以所設(shè)定的觀測日當天水庫大壩浸潤線所埋設(shè)測壓管實測水位值為應(yīng)變量，進行水庫大壩壩體圍堤自動監(jiān)測回歸模型構(gòu)建：

(8)

上式中上游庫水位分量的回歸系數(shù)aui和常數(shù)項a0均通過統(tǒng)計學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)保證觀測結(jié)果與回歸模型計算結(jié)果之差的平方和達到最小水平[3]。對于以上所得到的回歸系數(shù)，分別采用F檢驗法和R檢驗法進行檢驗，若所得到的F值和R值>臨界值，則應(yīng)當拒絕原假設(shè)，重新分析計算。

2.2.3 其他子系統(tǒng)

圖形制作子系統(tǒng)主要根據(jù)時間上的測點過程曲線圖以及斷面上的測點分布過程曲線圖進行水庫圍堤運行情況監(jiān)測和評價，計算沉降量最大最小及均值。

3 運行效果

用戶登錄主界面后可以選擇實時監(jiān)測、圖形及報表制作、沉降位移、數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)維護、離線分析等各個子系統(tǒng)；進入實時監(jiān)測及圖形制作子系統(tǒng)后，系統(tǒng)會自動生成時間為橫軸、所對應(yīng)物理量為縱軸的測點曲線，并通過時間過程曲線體現(xiàn)測點測值變動趨勢。系統(tǒng)還包括預(yù)警功能，根據(jù)水位進行滲流情況預(yù)測，如遇異常便會觸發(fā)預(yù)警。該水庫A01000測點大壩圍堤滲水位高程曲線具體如圖2所示。

圖2 A01000測點大壩圍堤滲水位高程曲線

4 結(jié) 論

綜上所屬，該水庫運行自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)在保證水庫安全運行方面具有重要作用，并能實現(xiàn)安監(jiān)設(shè)備自動化運行，為水庫圍堤及水工建筑物實時運行狀態(tài)監(jiān)測提供可能，便于監(jiān)測數(shù)據(jù)資料及時分析，系統(tǒng)運行的自動化監(jiān)測，使平原水庫安全管理水平顯著提升，其所帶來的經(jīng)濟效益十分顯著，而社會效益不可估量。