谷幅(弦線)變形監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)研究
——以李家峽水電站為例

高 帥,繆志選 ,劉偉棟

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

谷幅變形是指拱壩下游庫岸發(fā)生的平面變形，弦線變形是指拱壩壩體弦長(zhǎng)的平面變形。拱壩是超靜定結(jié)構(gòu)[1-2]，通過拱作用將水荷載傳遞到兩岸山體，壩體結(jié)構(gòu)受力對(duì)壩基變形極為敏感。相比于重力壩，谷幅變形對(duì)拱壩結(jié)構(gòu)安全性的影響較大，因此對(duì)拱壩的谷幅(弦線)變形監(jiān)測(cè)就顯得極為重要[3-4]。通過全生命期谷幅(弦線)變形監(jiān)測(cè)，能為拱壩的正常運(yùn)行提供保障[5-6]。傳統(tǒng)谷幅(弦線)變形觀測(cè)主要是依靠全站儀進(jìn)行人工測(cè)量，受天氣、地形等的影響，測(cè)次較少、測(cè)量頻率低、成果報(bào)送不及時(shí)。本文采用迪馬斯激光測(cè)距儀實(shí)現(xiàn)谷幅(弦線)的全時(shí)段自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，使用最小二乘法對(duì)自動(dòng)化采集的日均谷幅(弦線)變形值進(jìn)行分析，最終驗(yàn)證該谷幅(弦線)自動(dòng)化采集系統(tǒng)的精度。

1 谷幅(弦線)監(jiān)測(cè)布置

李家峽水電站位于青海省尖扎縣和化隆縣交界處的黃河干流李家峽河谷中段，上距黃河源頭1 796 km，下距黃河入?？? 668 km，是黃河上游水電梯級(jí)開發(fā)中的第三級(jí)大型水電站。大壩為三心圓雙曲拱壩，壩長(zhǎng)414.39 m，壩高155 m，壩頂寬8 m，壩底寬45 m。

李家峽壩下游河谷共設(shè)有5條谷幅測(cè)線，分別布置在高程2 185.00、2 160.00、2 155.00、2 130.00 m上，點(diǎn)位名稱為：TP17～LJ03、LJ05～LJ07、TP15～LJ07、TP13～TP02、TP16～TP06，谷幅測(cè)線主要是利用壩址區(qū)左右岸的巖表位移測(cè)點(diǎn)量測(cè)期相對(duì)距離變化量，以監(jiān)測(cè)河谷兩岸巖體的橫河向變位情況。李家峽拱壩共布置了2條弦線，分別位于高程2 150.00、2 185.00 m，點(diǎn)位名稱為TP1-1～TP20-1、TP4-2～TP19-2，谷幅(弦線)見圖1。弦線測(cè)線用于監(jiān)測(cè)拱壩兩端弦受力時(shí)弦線變化；7條谷幅(弦線)均自1996年開始使用瑞士Leica全站儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)，每月2次。具體如表1。

表1 谷幅弦線測(cè)點(diǎn)表

2 谷幅(弦線)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)

谷幅(弦線)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用激光測(cè)距傳感器、氣象傳感器通過采集模塊進(jìn)行各物理量采集并通過光纖將數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_(tái)，系統(tǒng)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并發(fā)布谷幅(弦線)監(jiān)測(cè)成果，最終實(shí)現(xiàn)全流程無人工干預(yù)、全過程自動(dòng)化、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)發(fā)布。谷幅(弦線)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)見圖2。

2.1 自動(dòng)化采集改造

2021年4月至5月進(jìn)行谷幅(弦線)自動(dòng)化采集的改造。距離測(cè)量采用迪馬斯激光傳感器，同步自動(dòng)采集干、濕溫度及氣壓元素，距離改算為氣象改正。

谷幅(弦線)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由包括測(cè)距傳感器(迪馬斯激光傳感器)、反射設(shè)備、氣象傳感器及供電、通訊、數(shù)據(jù)終端、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等軟硬件構(gòu)成，傳感器采集物理量信號(hào)，數(shù)據(jù)終端轉(zhuǎn)換為測(cè)量成果。激光測(cè)距數(shù)值受氣壓溫度影響較大，GB/T 16818-2008《中、短程光電測(cè)距規(guī)范》中規(guī)定的氣象修正模型校正如下：

ΔDm=D′(n0-ni)×10-6

(1)

(2)

(3)

公式(1)～(3)中：ΔDm為距離氣象改正值，mm；D′為距離觀測(cè)值，mm；n0為真空中的標(biāo)準(zhǔn)折射率；λ為測(cè)距光源真空中波長(zhǎng)，μm；ng為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下光的群折射率；t為氣溫，℃；P為氣壓，hPa;e為水蒸氣壓，hPa。

在峽谷復(fù)雜微氣象條件下，很難達(dá)到滿足上述計(jì)算公式的平穩(wěn)氣象條件，因此，測(cè)距數(shù)值適時(shí)需要測(cè)量時(shí)刻的氣象參數(shù)進(jìn)行改正，削弱外界環(huán)境對(duì)測(cè)距數(shù)值的影響，保證監(jiān)測(cè)精度。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)加裝氣象傳感器，同步采集，適時(shí)改正，測(cè)距儀器與氣象儀器出線端均穿管保護(hù)與預(yù)設(shè)管線相連，迪馬斯FLS-C10系列產(chǎn)品在0.05～500 m全量程范圍內(nèi)性能穩(wěn)定、數(shù)據(jù)質(zhì)量高、使用靈活方便。見圖3～4。

2.2 自動(dòng)化實(shí)施前后數(shù)據(jù)分析

谷幅(弦線)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)基于谷幅(弦線)自動(dòng)化在2021年5月至8月期間采集的數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)包含距離、干濕溫度和氣壓。數(shù)據(jù)采集頻次為次/h，實(shí)際采集過程中由于外界干擾存在斷測(cè)現(xiàn)象。采集完成后選擇兩條測(cè)線自動(dòng)化實(shí)施前后數(shù)據(jù)(各9組數(shù)據(jù))對(duì)比如表2所示，2條谷幅(弦線)自動(dòng)化采集實(shí)施前后的過程線如圖5～6。

表2 自動(dòng)化實(shí)施前后數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

分析圖表可以看出，自動(dòng)化實(shí)施前后測(cè)值變化比較小,僅為0.0154%～0.2056%，自動(dòng)化實(shí)施后谷幅(弦線)測(cè)值整體產(chǎn)生了臺(tái)階，主要原因如下：

(1) 測(cè)距設(shè)備的變化導(dǎo)致測(cè)端和棱鏡端產(chǎn)生外部距離變化，從而使數(shù)據(jù)產(chǎn)生“臺(tái)階”。

(2) 此外早期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為平距，自動(dòng)化改造后的數(shù)據(jù)為斜距，因此新舊數(shù)據(jù)間存在固定差值。

綜上可知，自動(dòng)化實(shí)施前后的數(shù)據(jù)變化幅度較為穩(wěn)定，選取的兩條測(cè)線的變化幅度分別穩(wěn)定在0.015%和0.205%附近，新舊測(cè)量數(shù)據(jù)的臺(tái)階為自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)施后的固定誤差，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析無影響。后期可用此差值作為新舊系統(tǒng)間數(shù)據(jù)銜接的轉(zhuǎn)換常數(shù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

2.3 自動(dòng)化采集數(shù)據(jù)精度分析

選取兩條測(cè)線TP20-1～TP1-1弦線及LJ05～LJ07谷幅自動(dòng)化實(shí)施后，5—8月之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(相對(duì)于前一天)分析，將一天內(nèi)的觀測(cè)值利用最小二乘方法計(jì)算日均谷幅(弦線)變形值，整合后的過程線如圖7～8所示。

從結(jié)果中可以看出，該結(jié)果在時(shí)間序列上雖然也呈現(xiàn)震蕩現(xiàn)象，但頻次較低。此外，在2021年5月至8月期間，測(cè)線整體變形較小，數(shù)據(jù)變化量在±1 mm之間。對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的均方差進(jìn)行計(jì)算，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3。

表3 李家峽水電站谷幅(弦線)日均變形值均方差

由表3中可以看出，數(shù)據(jù)均方差均值為0.5 mm。自動(dòng)化采集數(shù)據(jù)頻率為每小時(shí)一次，數(shù)據(jù)量較大，然而數(shù)據(jù)均方差小于1.0 mm的占比在93%以上，證明了數(shù)據(jù)的可靠性。

3 結(jié) 論

本文對(duì)李家峽水電站的7條谷幅(弦線)進(jìn)行自動(dòng)化采集改造，通過對(duì)改造前后數(shù)據(jù)的分析，形成結(jié)論如下：

(1) 自動(dòng)化實(shí)施前后監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生了“臺(tái)階”，然數(shù)據(jù)變化幅度較為穩(wěn)定，后期可利用臺(tái)階差值作為新舊系統(tǒng)間數(shù)據(jù)銜接的轉(zhuǎn)換常數(shù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

(2) 基于迪馬斯激光傳感器的谷幅(弦線)自動(dòng)化測(cè)量設(shè)備在精度上滿足1 mm+1 ppm的監(jiān)測(cè)需求。且該方法觀測(cè)頻次高、數(shù)據(jù)報(bào)送及時(shí)，能為拱壩谷幅(弦線)監(jiān)測(cè)提供高精度的連續(xù)數(shù)據(jù)。

該谷幅(弦線)自動(dòng)化采集系統(tǒng)的成功實(shí)施對(duì)其它拱壩谷幅(弦線)監(jiān)測(cè)提供了參考依據(jù)，如何在更為復(fù)雜的氣象條件下實(shí)現(xiàn)谷幅(弦線)自動(dòng)化采集，是下一步需要研究的方向。