熊小虎,馮 俊,彭 濤,江德軍
(國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司,四川成都610000)
滲流滲壓監(jiān)測是大壩安全監(jiān)測的重要組成部分[1],大壩滲流監(jiān)測系統(tǒng)是水利樞紐安全運(yùn)行的重要保證。大壩建成蓄水后,在水頭作用下壩體、壩基和壩肩會(huì)出現(xiàn)滲流現(xiàn)象,這對(duì)大壩運(yùn)行是不利的,但又是不可避免的。滲流過大有可能引起大壩的失事和破壞,滲流問題是大壩設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行管理的關(guān)鍵問題[2]。
實(shí)踐證明,原型觀測是監(jiān)控大壩運(yùn)行狀態(tài)最真實(shí)的行之有效的方法,因而被大多數(shù)工程所采用。國際大壩委員會(huì)第23號(hào)會(huì)刊的報(bào)告中指出:“壩基揚(yáng)壓力和滲流量的觀測是最直接的也是最有意義的安全措施。如果是重力壩,這些觀測是頭等重要的”。傳統(tǒng)的原型觀測、數(shù)據(jù)資料處理和分析工作主要依賴于人工,作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)大,觀測人員多,勞動(dòng)強(qiáng)度大,采集效率低,尤其是遇有感地震、暴雨、特大洪水等緊急災(zāi)害時(shí),人工測量無法及時(shí)開展,不能準(zhǔn)確掌控工程安全性態(tài),容易延誤時(shí)機(jī),造成不必要的損失。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,大壩安全監(jiān)測和管理逐漸向自動(dòng)化、信息化、智能化的方向發(fā)展,大壩安全監(jiān)測技術(shù)趨于成熟化和實(shí)用化[3],自動(dòng)化監(jiān)測代替人工將會(huì)是時(shí)代發(fā)展的必然趨勢。
大壩安全監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)相較于人工觀測在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)處理分析、測值預(yù)報(bào)和安全性評(píng)估等方面的確有諸多優(yōu)勢,但到目前為止,自動(dòng)化監(jiān)測仍做不到完全替代人工觀測,究其原因主要是自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性還不能滿足長期運(yùn)行的需要,自動(dòng)化監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實(shí)性還主要依賴于人工手段進(jìn)行判斷和甄別。本文以瀑布溝水電站滲流自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)和人工觀測的實(shí)際運(yùn)行情況為依托,深入診斷與分析滲流滲壓人工與自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)差異性的原因,進(jìn)一步提升大壩滲流自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性,為水電工程大壩滲流自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)故障診斷和消缺維護(hù)提供一定的參考和借鑒。
瀑布溝水電站是一座以發(fā)電為主,兼有防洪、攔沙等綜合利用效益的大型水電工程。大壩為礫石土心墻堆石壩,最大壩高186 m,水電站正常蓄水位850.00 m,汛期運(yùn)行限制水位841.00 m,死水位790.00 m,總庫容53.37億m3,為不完全年調(diào)節(jié)水庫。瀑布溝水電站安全監(jiān)測系統(tǒng)涉及擋水建筑物、引水發(fā)電建筑物、泄水放空建筑物、尼日河引水工程、近壩庫岸邊坡、運(yùn)行期泄洪霧化影響邊坡以及導(dǎo)流洞堵頭,主要監(jiān)測項(xiàng)目包括變形監(jiān)測、滲流監(jiān)測、應(yīng)力應(yīng)變及溫度監(jiān)測、地震監(jiān)測、環(huán)境量監(jiān)測等。
瀑布溝水電站滲流監(jiān)測包括壩體與壩基滲透壓力、繞壩滲流(含近壩區(qū)地下水位)及滲流量。因量水堰運(yùn)行效果較好且人工與自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)差異性處理方法較為簡單,本文重點(diǎn)對(duì)大壩揚(yáng)壓力和繞壩滲流進(jìn)行分析。揚(yáng)壓力監(jiān)測設(shè)施布置在大壩基礎(chǔ)廊道和左右岸灌漿平洞內(nèi),共布置36個(gè)測點(diǎn),用以監(jiān)視左右岸灌漿平洞和大壩基礎(chǔ)廊道揚(yáng)壓力變化情況。繞壩滲流監(jiān)測設(shè)施分別布置在大壩左右兩岸,共22個(gè)測孔,用以監(jiān)視繞壩滲流對(duì)壩體兩端浸潤線及壩基滲壓的影響,了解伸入兩岸山體的帷幕灌漿防滲效果以及兩岸山體本身的滲透穩(wěn)定性和壩體與岸坡混凝土板接觸面的滲透穩(wěn)定性。其中,揚(yáng)壓孔人工監(jiān)測采用壓力表、電測水位計(jì)或鋼卷尺按規(guī)定頻次定期進(jìn)行數(shù)據(jù)采集;繞滲孔人工監(jiān)測采用電測水位計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集;揚(yáng)壓孔和繞滲孔自動(dòng)監(jiān)測通過測控裝置對(duì)埋設(shè)于孔內(nèi)的滲壓計(jì)按設(shè)定頻次定時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。大壩揚(yáng)壓力測點(diǎn)布置見表1。
表1 瀑布溝水電站大壩揚(yáng)壓力測點(diǎn)布置
大壩滲流滲壓監(jiān)測人工、自動(dòng)比對(duì)一般采用過程線比較或者方差分析進(jìn)行對(duì)比[4]。過程線比較是取某測點(diǎn)同一時(shí)間序列的自動(dòng)化測值和人工測值,分別繪出自動(dòng)化測值過程線和人工測值過程線,進(jìn)行規(guī)律性和測值變化幅度的比較。方差分析是取某些測點(diǎn)試運(yùn)行期自動(dòng)化監(jiān)測和人工比測同一觀測時(shí)間的測值,然后分別組成自動(dòng)化測值序列和人工測值序列,計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)差σz、σr,再設(shè)某一測點(diǎn)的自動(dòng)化測值為Xz,人工測值為Xr,則兩者差值為
δ=|Xr-Xz|
取δ<2σ,其中均方差為
目前國際上美國基康公司生產(chǎn)的4 500振弦式滲壓計(jì)較為先進(jìn),應(yīng)用最為普遍和廣泛,其線性計(jì)算公式自動(dòng)化監(jiān)測標(biāo)稱精度為量程的5‰,則170 kPa型標(biāo)稱精度為
170×1 000×5‰=8.5 cm
350 kPa型標(biāo)稱精度為
350×1 000×5‰=17.5 cm
500 kPa型標(biāo)稱精度為
500×1 000×5‰=25.0 cm
人工測量精度為1 cm,則根據(jù)方差計(jì)算公式可以算出:170 kPa型滲壓計(jì)允許的誤差范圍為±2×8.56 cm,350 kPa型滲壓計(jì)允許的誤差范圍為±2×17.53 cm,500 kPa型滲壓計(jì)允許的誤差范圍為±2×25.02 cm。
過程線比較能直觀反映人工、自動(dòng)測值的變化過程和趨勢,簡單實(shí)用可操作性強(qiáng)。方差分析涉及人工、自動(dòng)測值時(shí)間和測次的一致性,條件苛刻且計(jì)算相對(duì)復(fù)雜,主要用于系統(tǒng)建成的試運(yùn)行階段或一定運(yùn)行時(shí)間之后定期按年度進(jìn)行評(píng)判,以論證系統(tǒng)的可靠性。在滲壓計(jì)實(shí)際運(yùn)行過程中,受各種因素的影響,人工與自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)差一般在1~2 m,有的甚至達(dá)到數(shù)米,已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過滲壓計(jì)允許的誤差范圍,單純通過允許誤差對(duì)滲壓計(jì)運(yùn)行性態(tài)進(jìn)行判定顯然不太切合實(shí)際。
2.2.1現(xiàn)場誤差來源分析
滲壓計(jì)按儀器類型可以分為差動(dòng)電阻式、振弦式、壓阻式及電阻應(yīng)變片等,其中振弦式目前在國內(nèi)外應(yīng)用最為普遍和廣泛[5-7]。振弦式滲壓計(jì)埋設(shè)于測壓管、壩體或建筑物基礎(chǔ)內(nèi),水壓力經(jīng)透水石作用在滲壓計(jì)的彈性膜片上,引起振弦應(yīng)力的變化,從而改變振弦的振動(dòng)頻率。利用鋼弦的振動(dòng)頻率來感知振弦并測量其振動(dòng)頻率,頻率信號(hào)經(jīng)電纜傳輸至讀數(shù)裝置,即可測出水荷載的壓力值[8]。滲壓計(jì)從施工期安裝埋設(shè)到運(yùn)行期接入自動(dòng)化系統(tǒng),現(xiàn)場誤差來源主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
(1)結(jié)構(gòu)特性。鋼弦用預(yù)定的張力固定,在長期受力狀態(tài)下,鋼弦固定端的滑移或者鋼弦的徐變可能造成測值漂移。
(2)儀器選型。滲壓計(jì)量程與被測水壓力值不匹配,導(dǎo)致測值精度不高或部分情況下無測值。
(3)安裝方式。①部分測點(diǎn)滲壓計(jì)安裝過高,導(dǎo)致全年或部分時(shí)段無法觀測到滲壓力。②滲壓計(jì)安裝時(shí),滲壓計(jì)包裹后直接懸掛在孔內(nèi),會(huì)造成傳感器出口部位電纜直接承受拉力,導(dǎo)致電纜出口部位止水效果下降。傳感器一旦進(jìn)水,就會(huì)使絕緣性下降,出現(xiàn)測值不穩(wěn)甚至無測值現(xiàn)象,或因測量信號(hào)干擾導(dǎo)致測量出負(fù)值。③部分測孔存在管內(nèi)卷縮大量電纜,在進(jìn)行人工觀測時(shí)電測水位計(jì)探頭的測繩會(huì)與儀器電纜纏繞,往上提拉的過程會(huì)改變滲壓計(jì)的位置,導(dǎo)致自動(dòng)測值出現(xiàn)突變。④部分測孔存在滲壓計(jì)觸底現(xiàn)象,滲壓計(jì)外包土工布表面有泥沙、泥漿附著,部分測孔地下水有鈣化物析出,附著在滲壓計(jì)表面,測值表現(xiàn)為紊亂或無測值。
(4)運(yùn)行管理。①施工期施工單位未妥善保管儀器埋設(shè)考證表、儀器檢定證書,導(dǎo)致運(yùn)行期無從查證,只能沿用原有存在疑問的參數(shù)。②部分施工單位未充分率定頻率初值,通過人為修改埋設(shè)高程,達(dá)到假一致的表象。③野外環(huán)境下儀器電纜在運(yùn)行過程中遭遇意外斷裂,在接線時(shí)未嚴(yán)格查證,儀器電纜與儀器編號(hào)發(fā)生錯(cuò)亂、不匹配,致使測值序列發(fā)生突變。④測壓管更換滲壓計(jì)、孔口裝置改造后,滲壓計(jì)參數(shù)、孔口高程、壓力表高程未及時(shí)復(fù)核更新。⑤壓力表、玻璃管等接頭部位有滲水現(xiàn)象,降低了滲透壓力。⑥自動(dòng)化采集裝置端子存在松弛現(xiàn)象,導(dǎo)致測值不穩(wěn)或突變。
2.2.2理論誤差分析
滲壓計(jì)滲透壓力計(jì)算公式有兩種,分別為線性公式和多項(xiàng)式公式,即
P=G·(R1-R0)+K·(T1-T0)-(S1-S0)
(1)
(2)
式中,P為滲透壓力,kPa;G為線性靈敏度系數(shù);A、B、C為多項(xiàng)式靈敏度系數(shù);K為溫度修正系數(shù);R1為本次測量頻率值;R0為初始測量頻率值;T1為本次測量溫度值,℃;T0為初始測量溫度值,℃;S0為初始大氣壓力值,kPa。
Z=Z0+P/9.8
(3)
式中,Z為滲壓水位,m;Z0為滲壓計(jì)埋設(shè)高程,m。
除通氣型滲壓計(jì)外,標(biāo)準(zhǔn)滲壓計(jì)是密封而不通氣的,多數(shù)情況下并不需要進(jìn)行氣壓修正。對(duì)于高靈敏度的低壓型號(hào),可能需要修正。修正是假設(shè)在理想條件下,實(shí)際上條件并不是理想的。如果測壓管或井是密封的,氣壓對(duì)滲壓計(jì)的影響可能很小,或者實(shí)際的表面變化被減弱。這樣,應(yīng)用氣壓修正時(shí)反而可能產(chǎn)生誤差。鑒于此,式(1)和式(2)中的氣壓修正項(xiàng)可以省略[9]。
省略式(1)和式(2)中的氣壓修正項(xiàng)后,將式(3)分別代入式(1)、(2)可得
Z=Z0+P/9.8=
Z0+[G·R1+K·T1-(G·R0+K·T0)]/9.8=
(G·R1+K·T1)/9.8+
[Z0-(G·R0+K·T0)/9.8]
(4)
(5)
對(duì)于式(2),當(dāng)滲壓計(jì)位于揚(yáng)壓孔水面處時(shí),
(6)
當(dāng)滲壓計(jì)放至指定埋設(shè)高程時(shí),
P=AR2+BR+C+K·(T-T0)
(7)
式中,R初、T初分別為滲壓計(jì)位于揚(yáng)壓孔水面處時(shí)測量頻率值和溫度值。
(7)-(6)可得
(8)
將式(8)代入式(3)可得
(9)
由式(4)和式(9)可知,式(4)、(5)的前半部分屬于變化量,決定自動(dòng)測值過程線的趨勢性;后半部分屬于常數(shù),決定自動(dòng)測值過程線位置。
綜上可知,當(dāng)滲壓計(jì)人工與自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)過程線變化規(guī)律表現(xiàn)不一致時(shí),必然是公式中前半部分靈敏度系數(shù)、溫度修正系數(shù)有所偏差,需要重新進(jìn)行參數(shù)率定;當(dāng)滲壓計(jì)人工與自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)過程線變化規(guī)律表現(xiàn)一致,但兩者之間存在固定差時(shí),必然是公式中后半部分滲壓計(jì)埋設(shè)高程、初始頻率、初始溫度等初始測量參數(shù)不準(zhǔn)確,在此情況下可以直接對(duì)固定差通過加減常數(shù)的形式進(jìn)行偏差修正。
(1)結(jié)構(gòu)特性。針對(duì)長期運(yùn)行后滲壓計(jì)測值出現(xiàn)漂移的情況,在選擇滲壓計(jì)時(shí)盡量選擇穩(wěn)定、可靠的滲壓計(jì),并加強(qiáng)日常監(jiān)測數(shù)據(jù)的審核、分析,及時(shí)進(jìn)行參數(shù)修正、率定。
(2)儀器選型。滲壓計(jì)選型應(yīng)統(tǒng)計(jì)或預(yù)估該測孔歷年最大、最小滲壓水柱,以最大滲壓力在滲壓計(jì)量程的2/3范圍內(nèi)的原則確定滲壓計(jì)量程。
(3)安裝方式。①滲壓計(jì)安裝位置應(yīng)常年在最低滲壓水位以下。②當(dāng)儀器電纜較長和包裹較重時(shí),應(yīng)采用鋼繩懸掛固定的方式,避免電纜長期受力影響測值。③合理預(yù)留電纜長度,富裕量控制在5%范圍內(nèi),并將多余的電纜卷縮在孔外位置,避免意外產(chǎn)生接頭的同時(shí)降低纏繞的風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)孔徑較小的測孔可適當(dāng)降低或取消人工觀測頻次。④安裝滲壓計(jì)時(shí)提前對(duì)孔深進(jìn)行復(fù)核,并根據(jù)歷年最低滲壓水位確定滲壓計(jì)埋設(shè)高程,并定期復(fù)核孔深,檢查孔底淤積情況。
(4)運(yùn)行管理。在施工期派專業(yè)技術(shù)人員對(duì)重點(diǎn)項(xiàng)目進(jìn)行全過程跟蹤和管控,收集相關(guān)資料。在運(yùn)行初期開展全面普查,復(fù)核測點(diǎn)孔口高程、滲壓計(jì)埋設(shè)高程、孔底高程、頻率初值、溫度初值,系統(tǒng)梳理長序列監(jiān)測數(shù)據(jù),確定儀器電纜和測點(diǎn)編號(hào)的一致性;對(duì)靈敏度系數(shù)、溫度修正系數(shù)有疑慮的滲壓計(jì),從孔中提出抄取儀器序列號(hào),確認(rèn)相關(guān)參數(shù),建立健全全生命周期滲流監(jiān)測設(shè)施臺(tái)帳。運(yùn)行期監(jiān)測設(shè)施進(jìn)行技改、檢修后參數(shù)有變動(dòng)時(shí)做好記錄,及時(shí)更新使用;加強(qiáng)監(jiān)測設(shè)施的日常巡查,注重日常數(shù)據(jù)審核,及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常,及時(shí)處理。
根據(jù)滲壓計(jì)埋設(shè)方式,滲壓計(jì)分為可更換和不可更換兩種類型,兩者人工與自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)差異性處理方法不盡相同。對(duì)于可更換的滲壓計(jì),若人工與自動(dòng)過程線規(guī)律性一致性較好,可復(fù)核滲壓計(jì)埋設(shè)高程、初始頻率值R0和初始溫度值T0,消除固定差,如果經(jīng)多次復(fù)核后人工與自動(dòng)仍存在固定差,可能是由于滲壓計(jì)零點(diǎn)漂移造成的,可直接對(duì)R0進(jìn)行修正;若人工與自動(dòng)過程線規(guī)律一致性較差,可按米對(duì)滲壓計(jì)進(jìn)行性能測試,確定損壞之后更換滲壓計(jì)。對(duì)于不可更換的滲壓計(jì),若人工與自動(dòng)過程線規(guī)律性一致性較好,可直接對(duì)滲壓計(jì)埋設(shè)高程、初始頻率值R0和初始溫度值T0進(jìn)行修正,消除固定差;若人工與自動(dòng)過程線無明顯相關(guān)性,可依據(jù)人工監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)靈敏度系數(shù)G、溫度修正系數(shù)K進(jìn)行反分析。滲壓計(jì)人工與自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)差異性消缺流程見圖1。
圖1 滲壓計(jì)人工與自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)差異性消缺流程
通過對(duì)瀑布溝水電站滲流自動(dòng)化系統(tǒng)投運(yùn)以來揚(yáng)壓孔、繞滲孔人工與自動(dòng)化監(jiān)測數(shù)據(jù)過程線對(duì)比分析可知,揚(yáng)壓孔、繞滲孔總體上運(yùn)行良好,人工與自動(dòng)測值吻合度高,變化規(guī)律和趨勢基本一致。以揚(yáng)壓孔UP18和繞滲孔R(shí)K10為例,對(duì)人工與自動(dòng)測值差異性進(jìn)行分析,UP18人工與自動(dòng)測值時(shí)間過程線的變化規(guī)律及趨勢一致性較好,但人工與自動(dòng)測值分別存在0.77 m左右的固定差,固定差值整體不大且較為穩(wěn)定,分析原因可知,是滲壓計(jì)埋設(shè)高程偏差或滲壓計(jì)零點(diǎn)漂移造成的。經(jīng)復(fù)核滲壓計(jì)埋設(shè)高程、初始頻率值R0和初始溫度值T0,參數(shù)更新后滲壓計(jì)固定差減小至0.2 m以內(nèi)。RK10在水位較高時(shí)人工與自動(dòng)過程線一致性較好,水位較低時(shí)滲壓計(jì)測值為常數(shù),人工與自動(dòng)測值存在不同幅度的隨機(jī)差,經(jīng)分析可知,滲壓計(jì)埋設(shè)高程高于孔內(nèi)最低水位,復(fù)核孔深后將滲壓計(jì)埋設(shè)高程降低至最低水位以下,人工與自動(dòng)測值過程線一致性良好,人工與自動(dòng)測值差維持在0.2 m以內(nèi),如圖2所示。
圖2 人工與自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)過線
表2 4座水電站站滲壓計(jì)差異性處理前后人工自動(dòng)差異統(tǒng)計(jì)
繼瀑布溝水電站之后,又從理論和現(xiàn)場實(shí)踐兩方面對(duì)深溪溝、龔嘴、銅街子水電站滲流滲壓監(jiān)測系統(tǒng)人工自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)差異性進(jìn)行了診斷、分析以及處理,4座站滲流滲壓人工自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)差異性明顯縮小,整體運(yùn)行效果顯著提升。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果,4座水電站人工自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)差值小于1 m的滲壓計(jì)由76.4%提升到95.1%,人工自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)差值在1~2 m之間的滲壓計(jì)由15.0%下降到4.1%,人工自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)差值大于2 m的滲壓計(jì)由8.6%下降到0.8%,并且大于2 m的滲壓計(jì)人工自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)規(guī)律和變化趨勢一致性較差,需要重新率定或更換。
本文針對(duì)大壩滲流滲壓人工與自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的差異性,在常規(guī)人工與自動(dòng)測值比對(duì)方法的基礎(chǔ)上,從現(xiàn)場管理和理論分析兩方面深入探究了差異性的來源和機(jī)理,并提出了相應(yīng)的解決方案和故障處理流程,從實(shí)際運(yùn)用效果來看,明顯提升了大壩滲流監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性。主要結(jié)論如下:
(1)監(jiān)測數(shù)據(jù)真實(shí)性判斷和甄別是滲流滲壓人工自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)差異性診斷與分析的基礎(chǔ),滲壓計(jì)從施工期到運(yùn)行期誤差來源眾多、方式各異,開展全生命周期的管理,從各源頭消除數(shù)據(jù)誤差極為重要和必要。
(2)根據(jù)理論分析成果,滲壓計(jì)自動(dòng)測值過程線的變化趨勢由靈敏度系數(shù)G、溫度修正系數(shù)K決定,滲壓計(jì)自動(dòng)測值過程線位置由埋設(shè)高程、初始頻率值R0和初始溫度值T0決定。
(3)結(jié)合滲壓計(jì)允許的誤差,通過人工與自動(dòng)測值過程線對(duì)比,在兩者規(guī)律性和趨勢性一致的基礎(chǔ)上,將固定差控制在±1 m以內(nèi)作為人工與自動(dòng)測值評(píng)判依據(jù)是較為合適的。
(4)人工與自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)差異性處理流程診斷效率高,操作簡便,具有良好的實(shí)用性,經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn),效果良好,可推廣運(yùn)用于水電工程滲流自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)故障診斷和消缺維護(hù)。