滲流滲壓人工與自動監(jiān)測數(shù)據(jù)差異性診斷與分析

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、壩基和壩肩會出現(xiàn)滲流現(xiàn)象，這對大壩運行是不利的，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、施工和運行管理的關(guān)鍵問題[2]。

實踐證明，原型觀測是監(jiān)控大壩運行狀態(tài)最真實的行之有效的方法，因而被大多數(shù)工程所采用。國際大壩委員會第23號會刊的報告中指出：“壩基揚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)險大，觀測人員多，勞動強度大，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，人工測量無法及時開展，不能準(zhǔn)確掌控工程安全性態(tài)，容易延誤時機，造成不必要的損失。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進步，大壩安全監(jiān)測和管理逐漸向自動化、信息化、智能化的方向發(fā)展，大壩安全監(jiān)測技術(shù)趨于成熟化和實用化[3]，自動化監(jiān)測代替人工將會是時代發(fā)展的必然趨勢。

大壩安全監(jiān)測自動化系統(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)報和安全性評估等方面的確有諸多優(yōu)勢，但到目前為止，自動化監(jiān)測仍做不到完全替代人工觀測，究其原因主要是自動化監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性還不能滿足長期運行的需要，自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實性還主要依賴于人工手段進行判斷和甄別。本文以瀑布溝水電站滲流自動化監(jiān)測系統(tǒng)和人工觀測的實際運行情況為依托，深入診斷與分析滲流滲壓人工與自動監(jiān)測數(shù)據(jù)差異性的原因，進一步提升大壩滲流自動化監(jiān)測系統(tǒng)運行可靠性和穩(wěn)定性，為水電工程大壩滲流自動化監(jiān)測系統(tǒng)故障診斷和消缺維護提供一定的參考和借鑒。

1 工程概述

1.1 工程概況

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、運行期泄洪霧化影響邊坡以及導(dǎo)流洞堵頭，主要監(jiān)測項目包括變形監(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。

1.2 滲流監(jiān)測設(shè)施及布置

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。因量水堰運行效果較好且人工與自動監(jiān)測數(shù)據(jù)差異性處理方法較為簡單，本文重點對大壩揚壓力和繞壩滲流進行分析。揚壓力監(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個測點，用以監(jiān)視左右岸灌漿平洞和大壩基礎(chǔ)廊道揚壓力變化情況。繞壩滲流監(jiān)測設(shè)施分別布置在大壩左右兩岸，共22個測孔，用以監(jiān)視繞壩滲流對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，揚壓孔人工監(jiān)測采用壓力表、電測水位計或鋼卷尺按規(guī)定頻次定期進行數(shù)據(jù)采集；繞滲孔人工監(jiān)測采用電測水位計進行數(shù)據(jù)采集；揚壓孔和繞滲孔自動監(jiān)測通過測控裝置對埋設(shè)于孔內(nèi)的滲壓計按設(shè)定頻次定時進行數(shù)據(jù)采集。大壩揚壓力測點布置見表1。

表1 瀑布溝水電站大壩揚壓力測點布置

2 差異性診斷與分析

2.1 人工與自動測值比對方法解析

大壩滲流滲壓監(jiān)測人工、自動比對一般采用過程線比較或者方差分析進行對比[4]。過程線比較是取某測點同一時間序列的自動化測值和人工測值，分別繪出自動化測值過程線和人工測值過程線，進行規(guī)律性和測值變化幅度的比較。方差分析是取某些測點試運行期自動化監(jiān)測和人工比測同一觀測時間的測值，然后分別組成自動化測值序列和人工測值序列，計算其標(biāo)準(zhǔn)差σz、σr，再設(shè)某一測點的自動化測值為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振弦式滲壓計較為先進，應(yīng)用最為普遍和廣泛，其線性計算公式自動化監(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)方差計算公式可以算出：170 kPa型滲壓計允許的誤差范圍為±2×8.56 cm，350 kPa型滲壓計允許的誤差范圍為±2×17.53 cm，500 kPa型滲壓計允許的誤差范圍為±2×25.02 cm。

過程線比較能直觀反映人工、自動測值的變化過程和趨勢，簡單實用可操作性強。方差分析涉及人工、自動測值時間和測次的一致性，條件苛刻且計算相對復(fù)雜，主要用于系統(tǒng)建成的試運行階段或一定運行時間之后定期按年度進行評判，以論證系統(tǒng)的可靠性。在滲壓計實際運行過程中，受各種因素的影響，人工與自動監(jiān)測數(shù)據(jù)差一般在1～2 m，有的甚至達到數(shù)米，已經(jīng)遠遠超過滲壓計允許的誤差范圍，單純通過允許誤差對滲壓計運行性態(tài)進行判定顯然不太切合實際。

2.2 差異性原因探究

2.2.1現(xiàn)場誤差來源分析

滲壓計按儀器類型可以分為差動電阻式、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頻率。利用鋼弦的振動頻率來感知振弦并測量其振動頻率，頻率信號經(jīng)電纜傳輸至讀數(shù)裝置，即可測出水荷載的壓力值[8]。滲壓計從施工期安裝埋設(shè)到運行期接入自動化系統(tǒng)，現(xiàn)場誤差來源主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

(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部分測點滲壓計安裝過高，導(dǎo)致全年或部分時段無法觀測到滲壓力。②滲壓計安裝時，滲壓計包裹后直接懸掛在孔內(nèi)，會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。傳感器一旦進水，就會使絕緣性下降，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，在進行人工觀測時電測水位計探頭的測繩會與儀器電纜纏繞，往上提拉的過程會改變滲壓計的位置，導(dǎo)致自動測值出現(xiàn)突變。④部分測孔存在滲壓計觸底現(xiàn)象，滲壓計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，附著在滲壓計表面，測值表現(xiàn)為紊亂或無測值。

(4)運行管理。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，達到假一致的表象。③野外環(huán)境下儀器電纜在運行過程中遭遇意外斷裂，在接線時未嚴(yán)格查證，儀器電纜與儀器編號發(fā)生錯亂、不匹配，致使測值序列發(fā)生突變。④測壓管更換滲壓計、孔口裝置改造后，滲壓計參數(shù)、孔口高程、壓力表高程未及時復(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

滲壓計滲透壓力計算公式有兩種，分別為線性公式和多項式公式，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為滲壓計埋設(shè)高程，m。

除通氣型滲壓計外，標(biāo)準(zhǔn)滲壓計是密封而不通氣的，多數(shù)情況下并不需要進行氣壓修正。對于高靈敏度的低壓型號，可能需要修正。修正是假設(shè)在理想條件下，實際上條件并不是理想的。如果測壓管或井是密封的，氣壓對滲壓計的影響可能很小，或者實際的表面變化被減弱。這樣，應(yīng)用氣壓修正時反而可能產(chǎn)生誤差。鑒于此，式(1)和式(2)中的氣壓修正項可以省略[9]。

省略式(1)和式(2)中的氣壓修正項后，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)

對于式(2)，當(dāng)滲壓計位于揚壓孔水面處時，

(6)

當(dāng)滲壓計放至指定埋設(shè)高程時，

P=AR2+BR+C+K·(T-T0)

(7)

式中，R初、T初分別為滲壓計位于揚壓孔水面處時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，決定自動測值過程線的趨勢性；后半部分屬于常數(shù)，決定自動測值過程線位置。

綜上可知，當(dāng)滲壓計人工與自動監(jiān)測數(shù)據(jù)過程線變化規(guī)律表現(xiàn)不一致時，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，需要重新進行參數(shù)率定；當(dāng)滲壓計人工與自動監(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，必然是公式中后半部分滲壓計埋設(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固定差通過加減常數(shù)的形式進行偏差修正。

3 差異性處理及效果

3.1 現(xiàn)場誤差處理

(1)結(jié)構(gòu)特性。針對長期運行后滲壓計測值出現(xiàn)漂移的情況，在選擇滲壓計時盡量選擇穩(wěn)定、可靠的滲壓計，并加強日常監(jiān)測數(shù)據(jù)的審核、分析，及時進行參數(shù)修正、率定。

(2)儀器選型。滲壓計選型應(yīng)統(tǒng)計或預(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量程的2/3范圍內(nèi)的原則確定滲壓計量程。

(3)安裝方式。①滲壓計安裝位置應(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，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)生接頭的同時降低纏繞的風(fēng)險，同時孔徑較小的測孔可適當(dāng)降低或取消人工觀測頻次。④安裝滲壓計時提前對孔深進行復(fù)核，并根據(jù)歷年最低滲壓水位確定滲壓計埋設(shè)高程，并定期復(fù)核孔深，檢查孔底淤積情況。

(4)運行管理。在施工期派專業(yè)技術(shù)人員對重點項目進行全過程跟蹤和管控，收集相關(guān)資料。在運行初期開展全面普查，復(fù)核測點孔口高程、滲壓計埋設(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編號的一致性；對靈敏度系數(shù)、溫度修正系數(shù)有疑慮的滲壓計，從孔中提出抄取儀器序列號，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)施臺帳。運行期監(jiān)測設(shè)施進行技改、檢修后參數(shù)有變動時做好記錄，及時更新使用；加強監(jiān)測設(shè)施的日常巡查，注重日常數(shù)據(jù)審核，及時發(fā)現(xiàn)異常，及時處理。

3.2 差異性處理流程

根據(jù)滲壓計埋設(shè)方式，滲壓計分為可更換和不可更換兩種類型，兩者人工與自動監(jiān)測數(shù)據(jù)差異性處理方法不盡相同。對于可更換的滲壓計，若人工與自動過程線規(guī)律性一致性較好，可復(fù)核滲壓計埋設(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)核后人工與自動仍存在固定差，可能是由于滲壓計零點漂移造成的，可直接對R0進行修正；若人工與自動過程線規(guī)律一致性較差，可按米對滲壓計進行性能測試，確定損壞之后更換滲壓計。對于不可更換的滲壓計，若人工與自動過程線規(guī)律性一致性較好，可直接對滲壓計埋設(shè)高程、初始頻率值R0和初始溫度值T0進行修正，消除固定差；若人工與自動過程線無明顯相關(guān)性，可依據(jù)人工監(jiān)測數(shù)據(jù)對靈敏度系數(shù)G、溫度修正系數(shù)K進行反分析。滲壓計人工與自動監(jiān)測數(shù)據(jù)差異性消缺流程見圖1。

圖1 滲壓計人工與自動監(jiān)測數(shù)據(jù)差異性消缺流程

3.3 差異性處理效果

通過對瀑布溝水電站滲流自動化系統(tǒng)投運以來揚壓孔、繞滲孔人工與自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)過程線對比分析可知，揚壓孔、繞滲孔總體上運行良好，人工與自動測值吻合度高，變化規(guī)律和趨勢基本一致。以揚壓孔UP18和繞滲孔RK10為例，對人工與自動測值差異性進行分析，UP18人工與自動測值時間過程線的變化規(guī)律及趨勢一致性較好，但人工與自動測值分別存在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，是滲壓計埋設(shè)高程偏差或滲壓計零點漂移造成的。經(jīng)復(fù)核滲壓計埋設(shè)高程、初始頻率值R0和初始溫度值T0，參數(shù)更新后滲壓計固定差減小至0.2 m以內(nèi)。RK10在水位較高時人工與自動過程線一致性較好，水位較低時滲壓計測值為常數(shù)，人工與自動測值存在不同幅度的隨機差，經(jīng)分析可知，滲壓計埋設(shè)高程高于孔內(nèi)最低水位，復(fù)核孔深后將滲壓計埋設(shè)高程降低至最低水位以下，人工與自動測值過程線一致性良好，人工與自動測值差維持在0.2 m以內(nèi)，如圖2所示。

圖2 人工與自動監(jiān)測數(shù)據(jù)過線

表2 4座水電站站滲壓計差異性處理前后人工自動差異統(tǒng)計

繼瀑布溝水電站之后，又從理論和現(xiàn)場實踐兩方面對深溪溝、龔嘴、銅街子水電站滲流滲壓監(jiān)測系統(tǒng)人工自動監(jiān)測數(shù)據(jù)差異性進行了診斷、分析以及處理，4座站滲流滲壓人工自動監(jiān)測數(shù)據(jù)差異性明顯縮小，整體運行效果顯著提升。根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，4座水電站人工自動監(jiān)測數(shù)據(jù)差值小于1 m的滲壓計由76.4%提升到95.1%，人工自動監(jiān)測數(shù)據(jù)差值在1～2 m之間的滲壓計由15.0%下降到4.1%，人工自動監(jiān)測數(shù)據(jù)差值大于2 m的滲壓計由8.6%下降到0.8%，并且大于2 m的滲壓計人工自動監(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。

4 結(jié)論與建議

本文針對大壩滲流滲壓人工與自動監(jiān)測數(shù)據(jù)的差異性，在常規(guī)人工與自動測值比對方法的基礎(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理，并提出了相應(yīng)的解決方案和故障處理流程，從實際運用效果來看，明顯提升了大壩滲流監(jiān)測系統(tǒng)運行可靠性和穩(wěn)定性。主要結(jié)論如下：

(1)監(jiān)測數(shù)據(jù)真實性判斷和甄別是滲流滲壓人工自動監(jiān)測數(shù)據(jù)差異性診斷與分析的基礎(chǔ)，滲壓計從施工期到運行期誤差來源眾多、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，滲壓計自動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，滲壓計自動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)合滲壓計允許的誤差，通過人工與自動測值過程線對比，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)作為人工與自動測值評判依據(jù)是較為合適的。

(4)人工與自動監(jiān)測數(shù)據(jù)差異性處理流程診斷效率高，操作簡便，具有良好的實用性，經(jīng)實踐檢驗，效果良好，可推廣運用于水電工程滲流自動化監(jiān)測系統(tǒng)故障診斷和消缺維護。