大中型水閘沉降變形分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

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(gè)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(huì)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(duì)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(shí)間的增加，水閘混凝土構(gòu)件外表會(huì)出現(xiàn)剝落碳化、開裂等現(xiàn)象，鋼筋會(huì)出現(xiàn)銹蝕等老化現(xiàn)象；水閘起閉設(shè)備會(huì)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(huì)引起水閘周邊建筑物或者其構(gòu)件產(chǎn)生變形、錯(cuò)動(dòng)、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(cè)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(jí)與應(yīng)用，水閘觀測(cè)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(duì)現(xiàn)有資料進(jìn)行及時(shí)處理，獲取水閘沉降變形信息，造成水閘危險(xiǎn)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(xiǎn)[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(cè)系統(tǒng)研究。

1 大中型水閘沉降變形分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件單元設(shè)計(jì)

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：

1.1 位移傳感器單元

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(cè)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]。縮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(shí)，其位移變化存在于兩個(gè)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(cè)點(diǎn)，選取72個(gè)縮微光柵位移傳感器，在閘墩上下游兩側(cè)均勻布置48個(gè)傳感器，用來監(jiān)測(cè)水閘垂直位移信息；在閘墩上游側(cè)布置24個(gè)傳感器，用來監(jiān)測(cè)水閘水平位移信息。

1.2 分布式光纖應(yīng)變傳感器單元

分布式光纖應(yīng)變傳感器能夠監(jiān)測(cè)光纖傳輸路徑上的隨時(shí)間變化信息，其監(jiān)測(cè)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(duì)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(duì)水閘沉降變形監(jiān)測(cè)至關(guān)重要[6]。此研究采用7個(gè)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(hào)為1#、2#的傳感器布置在水閘側(cè)墻頂端，用于監(jiān)測(cè)側(cè)墻頂端應(yīng)變情況；編號(hào)為3#、4#的傳感器布置在水閘側(cè)墻底端，用于監(jiān)測(cè)側(cè)墻底端應(yīng)變情況；編號(hào)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(cè)閘門應(yīng)變情況；編號(hào)為7#的傳感器布置在閘室通道中部垂直方向，用于監(jiān)測(cè)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(cè)，故設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件模塊[7]。

2 大中型水閘沉降變形分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件模塊設(shè)計(jì)

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(cè)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：

2.1 分布式光纖應(yīng)變傳感器應(yīng)變系數(shù)標(biāo)定模塊

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。

2.2 垂直/水平位移監(jiān)測(cè)模塊

位移監(jiān)測(cè)模塊主要分為兩個(gè)方面，分別為垂直位移監(jiān)測(cè)與水平位移監(jiān)測(cè)[8]。垂直位移監(jiān)測(cè)會(huì)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(cè)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(cè)引起誤差。

水平位移監(jiān)測(cè)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(cè)原理如圖4所示。

圖4 水平位移監(jiān)測(cè)原理示意圖

2.3 水閘沉降變形模型構(gòu)建模塊

以上述模塊獲得的位移監(jiān)測(cè)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(huì)隨著時(shí)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(shí)效三個(gè)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(cè)值在時(shí)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(shí)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(cè)日氣溫；T(t0)表示的是起始觀測(cè)日氣溫。

時(shí)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(cè)時(shí)刻距初始時(shí)刻的時(shí)間(天數(shù))。

2.4 數(shù)據(jù)庫模塊

數(shù)據(jù)庫是整個(gè)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(shí)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(cè)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]。

3 系統(tǒng)應(yīng)用測(cè)試

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(tái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)過程如下所示：

3.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象選取

實(shí)驗(yàn)選取山東德州某大中型水閘工程為對(duì)象。實(shí)驗(yàn)對(duì)象相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)對(duì)象相關(guān)參數(shù)表

3.2 水閘安全評(píng)價(jià)體系構(gòu)建

為了客觀評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的性能，構(gòu)建大中型水閘安全評(píng)價(jià)體系，具體如圖6所示。

圖6 大中型水閘安全評(píng)價(jià)體系圖

通過多個(gè)專家打分確定大中型水閘安全評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)值與隸屬度，為應(yīng)用系統(tǒng)后水閘安全評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)值與隸屬度表

3.3 測(cè)試結(jié)果分析

以選取的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，構(gòu)建的大中型水閘安全評(píng)價(jià)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(cè)系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)應(yīng)用后的水閘安全進(jìn)行客觀的評(píng)價(jià)。

通過實(shí)驗(yàn)得到水閘安全評(píng)價(jià)數(shù)值如表4所示。

表4 水閘安全評(píng)價(jià)數(shù)值表

常規(guī)情況下，當(dāng)大中型水閘安全評(píng)價(jià)綜合值大于0.899時(shí)，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(píng)價(jià)數(shù)值范圍為0.523～0.899，設(shè)計(jì)系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)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(cè)性能更好。

4 結(jié)語

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(cè)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(cè)研究提供一定的幫助與參考。