基于邊緣計(jì)算的閘壩揚(yáng)壓力在線分級(jí)預(yù)警方法

方衛(wèi)華，張 慧，徐孟啟

（1.水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇南京 210012；2.河海大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，江蘇南京 211100）

0 引言

揚(yáng)壓力大小及其分布不僅對(duì)閘壩建基面及壩體壩基應(yīng)力分布有重要影響，而且對(duì)閘壩抗滑穩(wěn)定性有決定性影響。 隨著防范風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)的加強(qiáng)和管理要求的不斷提高，實(shí)現(xiàn)揚(yáng)壓力預(yù)警特別是現(xiàn)地在線分級(jí)預(yù)警對(duì)及時(shí)掌握工程安全狀況、規(guī)避工程安全風(fēng)險(xiǎn)和提高工程管理水平都具有十分重要的意義。

目前，閘壩揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)預(yù)警主要通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與監(jiān)控指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比的方法和基于規(guī)范的揚(yáng)壓力折減系數(shù)法實(shí)現(xiàn)。 前者揚(yáng)壓力安全監(jiān)控指標(biāo)擬定方法有置信區(qū)間法和典型監(jiān)測(cè)量小概率法，如：張運(yùn)保等［1］以臺(tái)兒莊泵站2012 年11 月5 日至2018 年8 月20 日揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采取置信區(qū)間法和典型監(jiān)測(cè)效應(yīng)量的小概率法進(jìn)行揚(yáng)壓力安全監(jiān)控指標(biāo)擬定；湯世飛等［2］建立了貴州北盤(pán)江光照水電站碾壓混凝土壩壩基揚(yáng)壓力統(tǒng)計(jì)模型，在揚(yáng)壓力極限測(cè)值的基礎(chǔ)上考慮容許誤差及初始擬合值，提出了壩基揚(yáng)壓力監(jiān)控指標(biāo)；季海禮等［3］結(jié)合實(shí)際工程，利用小概率法擬定了非汛期揚(yáng)壓力監(jiān)控指標(biāo)；李姝昱等［4］對(duì)豐滿大壩16 個(gè)壩段壩基揚(yáng)壓力進(jìn)行分析，采用置信區(qū)間法和典型小概率法擬定了壩基揚(yáng)壓力的安全監(jiān)控指標(biāo)。 置信區(qū)間法和典型監(jiān)測(cè)效應(yīng)量小概率法都是基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，不僅受因子變量獨(dú)立同正態(tài)分布等假設(shè)條件的限制，而且適應(yīng)地基滲流條件變化的跟隨性不強(qiáng)［5-6］，在地基淤積等條件變化比較快的部位難以實(shí)現(xiàn)在線預(yù)警。 隨著在線實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)預(yù)警指標(biāo)的提出，一些管理平臺(tái)采用基于規(guī)范的揚(yáng)壓力折減系數(shù)法實(shí)現(xiàn)預(yù)警，即通過(guò)實(shí)測(cè)揚(yáng)壓力與設(shè)計(jì)規(guī)范給出的理論折減系數(shù)計(jì)算的揚(yáng)壓力進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)實(shí)測(cè)值大于根據(jù)規(guī)范假設(shè)的揚(yáng)壓力值時(shí)報(bào)警。 然而每個(gè)閘壩都具有一定的特殊性，帷幕缺陷、壩基壩體接觸不良、閘壩裂縫等造成的揚(yáng)壓力異?？赡苡删植糠顷P(guān)鍵因素造成，也可能由多個(gè)局部非關(guān)鍵因素綜合造成。 文獻(xiàn)［7-16］表明揚(yáng)壓力異?；虺^(guò)設(shè)計(jì)規(guī)定的揚(yáng)壓力折減系數(shù)的情況在不同工程時(shí)有發(fā)生；文獻(xiàn)［13］中的每個(gè)壩段各設(shè)置4 個(gè)揚(yáng)壓力測(cè)點(diǎn)，從1988 年開(kāi)始監(jiān)測(cè)，除測(cè)點(diǎn)3、4 揚(yáng)壓力系數(shù)在0.2 上下波動(dòng)外，其他測(cè)點(diǎn)均大于設(shè)計(jì)值（0.3），南、北岸代表性壩段3＃、25＃揚(yáng)壓力測(cè)點(diǎn)3-1、25-1 揚(yáng)壓力系數(shù)分別達(dá)到0.66和0.80，明顯大于規(guī)范設(shè)計(jì)值；文獻(xiàn)［15］工程實(shí)例表明，一些測(cè)壓管測(cè)點(diǎn)的揚(yáng)壓力系數(shù)甚至接近于1，卸下?lián)P壓力監(jiān)測(cè)壓力表重新安裝后，該值恢復(fù)很快，而另一些壓力表卸下重新安裝后，該值恢復(fù)時(shí)間滯后達(dá)30 d；文獻(xiàn)［16］通過(guò)灌漿廊道測(cè)壓管水頭等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的1999 年太平灣大壩20＃及47＃壩段揚(yáng)壓力折減系數(shù)分別為0.406 和0.490，均超過(guò)規(guī)范規(guī)定值。

文獻(xiàn)［17-20］主要從揚(yáng)壓力異常成因上進(jìn)行研究，如：文獻(xiàn)［17］研究表明李家峽大壩6 號(hào)壩段壩基揚(yáng)壓力異常成因是防滲帷幕局部存在缺陷，且帷幕前淺部巖層存在強(qiáng)透水帶；文獻(xiàn)［18］結(jié)合運(yùn)行過(guò)程中測(cè)壓管洗孔、排水管淤堵測(cè)試、滲流場(chǎng)數(shù)值模擬等手段，分析了測(cè)壓管揚(yáng)壓力過(guò)高的原因；文獻(xiàn)［19］對(duì)嶂山閘9＃閘底上游側(cè)揚(yáng)壓力高于設(shè)計(jì)值進(jìn)行分析，認(rèn)為閘基承壓水的深層滲流可能是導(dǎo)致?lián)P壓力異常的原因。 多個(gè)工程的揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析表明，由于地質(zhì)條件的非均勻性和上下游水位波動(dòng)及其滯后效應(yīng)，揚(yáng)壓力分布受除險(xiǎn)加固、泥沙淤積和溫度等多方面的影響，因此很多壩基實(shí)際揚(yáng)壓力分布與規(guī)范假設(shè)不同［21-22］，有些帷幕后第一排揚(yáng)壓力測(cè)值明顯大于根據(jù)規(guī)范假設(shè)的理論計(jì)算值，如果按上述平臺(tái)中所采用的揚(yáng)壓力預(yù)警方法，則實(shí)測(cè)揚(yáng)壓力數(shù)據(jù)大于根據(jù)規(guī)范設(shè)定的閾值，將出現(xiàn)長(zhǎng)期虛警［23-25］。 總之，無(wú)論是監(jiān)控指標(biāo)法還是設(shè)計(jì)規(guī)范［21］給出的揚(yáng)壓力折減系數(shù)法，都基于單測(cè)點(diǎn)揚(yáng)壓力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，而單點(diǎn)測(cè)值未考慮揚(yáng)壓力大小及其分布影響壩體穩(wěn)定和應(yīng)力分布的物理實(shí)質(zhì)，在實(shí)際工程中容易造成虛警。

目前揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)大多采用測(cè)壓管及在管內(nèi)安裝滲壓計(jì)的方式，由于壩體廊道內(nèi)測(cè)壓管工作受降水等外界條件影響較少、滲壓計(jì)上作用水頭一般不高，因此儀器受溫度變幅或結(jié)構(gòu)應(yīng)力徐變影響較小，加上目前滲壓計(jì)本身質(zhì)量尤其是進(jìn)口原裝滲壓計(jì)質(zhì)量的保證和氣壓修正，揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)精度是可以達(dá)到監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范［26］要求的。

邊緣計(jì)算［27］較傳統(tǒng)后臺(tái)計(jì)算方式及云計(jì)算方式具有低延遲、低帶寬、高可用等優(yōu)勢(shì)，且部分?jǐn)[脫了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的限制。 水利工程大多數(shù)位置偏遠(yuǎn)，管理處（所）技術(shù)力量或精力有限，與后方通信受限，尤其在惡劣自然環(huán)境或應(yīng)急條件下，需要一定的數(shù)據(jù)分析預(yù)警能力，邊緣計(jì)算正好滿足這一需求。 李鵬飛［28］分析了數(shù)字中國(guó)信息化建設(shè)要求和現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合工程上邊緣計(jì)算在水利項(xiàng)目中的應(yīng)用，以計(jì)算周期為指標(biāo)論證了邊緣計(jì)算充分滿足水利控制系統(tǒng)對(duì)時(shí)間延遲的要求，有利于解決存在的信息感知不透徹、互聯(lián)互通不廣泛、數(shù)據(jù)處理不及時(shí)等問(wèn)題。

本文針對(duì)揚(yáng)壓力預(yù)警方法的不足，考慮地質(zhì)條件非均勻條件下?lián)P壓力非均勻分布對(duì)壩體穩(wěn)定性的影響，以影響壩體穩(wěn)定及應(yīng)力分布的橫斷面揚(yáng)壓力分布及數(shù)值作為壩體荷載，由物理機(jī)制設(shè)計(jì)，結(jié)合規(guī)范提出相應(yīng)的預(yù)警方法。 其中為滿足現(xiàn)場(chǎng)電源及算力要求，引入邊緣計(jì)算解決水庫(kù)位置偏遠(yuǎn)及現(xiàn)地分析處理能力不足等帶來(lái)的問(wèn)題；采用輕量化深度學(xué)習(xí)模型實(shí)現(xiàn)任意水位組合工況揚(yáng)壓力向控制工況揚(yáng)壓力精準(zhǔn)快捷轉(zhuǎn)換。

1 方法與系統(tǒng)

以混凝土重力壩為例進(jìn)行敘述，水閘可以依據(jù)水閘設(shè)計(jì)規(guī)范［22］進(jìn)行類推。

1.1 方法步驟

首先，根據(jù)重力壩類型、壩段位置和相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范確定所對(duì)應(yīng)的揚(yáng)壓力折減系數(shù)α，讀取與揚(yáng)壓力測(cè)值時(shí)刻t相對(duì)應(yīng)的重力壩上、下游水位H1（t）和H2（t），根據(jù)安全監(jiān)測(cè)設(shè)施考證資料獲取壩段設(shè)置的多個(gè)橫向測(cè)壓管平行壩軸線的樁號(hào)，從而獲得各揚(yáng)壓力測(cè)點(diǎn)的橫向坐標(biāo)。

其次，按照各個(gè)測(cè)壓管的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采用等效面積Mt計(jì)算實(shí)際揚(yáng)壓力荷載；根據(jù)相應(yīng)設(shè)計(jì)規(guī)范確定的參數(shù)，由實(shí)際上下游水位結(jié)合規(guī)范確定揚(yáng)壓力折減系數(shù)α，計(jì)算規(guī)范揚(yáng)壓力面積St；比較Mt與St的大小，若Mt大于或等于St，則啟動(dòng)藍(lán)色報(bào)警并進(jìn)入下一步驟；若Mt小于St，則返回監(jiān)測(cè)階段繼續(xù)收集數(shù)據(jù)。

再次，根據(jù)相應(yīng)規(guī)范結(jié)合實(shí)測(cè)揚(yáng)壓力、其他同步荷載，分別計(jì)算壩踵和壩趾兩個(gè)控制部位的垂直正應(yīng)力和主應(yīng)力，并判斷上述應(yīng)力任意一項(xiàng)是否超出所述設(shè)計(jì)規(guī)范要求或?qū)?yīng)混凝土強(qiáng)度允許值，如有一項(xiàng)超過(guò)則啟動(dòng)黃色報(bào)警并進(jìn)入下一步驟，否則繼續(xù)監(jiān)測(cè)。

最后，在計(jì)算應(yīng)力的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)按規(guī)范規(guī)定的方法計(jì)算抗滑穩(wěn)定及抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)，并判斷重力壩抗滑穩(wěn)定性及抗傾覆穩(wěn)定性是否超出設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)所有工況的要求，若任一項(xiàng)超出，則啟動(dòng)紅色報(bào)警。 其中抗滑穩(wěn)定計(jì)算根據(jù)壩段所在壩基地質(zhì)條件，依據(jù)規(guī)范確定。

當(dāng)壩基存在深層滑動(dòng)面時(shí)，上述揚(yáng)壓力測(cè)值及其參數(shù)根據(jù)規(guī)范［21-22］提供的計(jì)算方法確定。

對(duì)于重力壩抗滑穩(wěn)定采用抗剪強(qiáng)度公式或抗剪斷強(qiáng)度公式計(jì)算分析，所在壩段的壩基巖體條件良好時(shí)采用抗剪斷強(qiáng)度公式，壩基巖體差或存在軟巖、軟結(jié)構(gòu)面時(shí)采用抗剪強(qiáng)度公式。

按照抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為

式中：f '為壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù)，C'為壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷凝聚力，a為壩基接觸面截面積，∑W為作用于壩體的全部載荷（包括實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算的揚(yáng)壓力）對(duì)滑動(dòng)平面的法向分值，∑P為作用于壩體的全部載荷（包括實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算的揚(yáng)壓力）對(duì)滑動(dòng)平面的切向分值。

按照抗剪強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為

式中：f為壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪摩擦系數(shù)。

抗傾覆穩(wěn)定性的判斷方法為：計(jì)算壩體自重產(chǎn)生的抗傾覆力矩M1和水平推力產(chǎn)生的傾覆力矩M2，并計(jì)算抗傾覆力矩M1和傾覆力矩M2的比值得到抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)；若所述抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)大于設(shè)計(jì)規(guī)范給出的安全系數(shù)，則判定所述抗傾覆穩(wěn)定性滿足要求。

將測(cè)壓管及壩段參數(shù)都輸入基于邊緣計(jì)算的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控裝置，由程序自動(dòng)計(jì)算、預(yù)警。 基于邊緣計(jì)算的閘壩揚(yáng)壓力在線分級(jí)預(yù)警流程如圖1 所示。

圖1 揚(yáng)壓力分級(jí)預(yù)警流程

由于規(guī)范規(guī)定的穩(wěn)定計(jì)算只提供了有限典型工況的限定值，而閘壩日常運(yùn)行常常不是處于規(guī)范規(guī)定的典型工況，因此在實(shí)時(shí)預(yù)警時(shí)需要根據(jù)當(dāng)時(shí)工況將包括實(shí)測(cè)揚(yáng)壓力在內(nèi)的各種荷載轉(zhuǎn)化成規(guī)范規(guī)定的典型工況所對(duì)應(yīng)的荷載。 為實(shí)現(xiàn)上述自動(dòng)轉(zhuǎn)換，先建立各測(cè)壓管揚(yáng)壓力與上下游水位、氣溫和時(shí)間的統(tǒng)計(jì)模型［28］，即ht ＝∑cif（xt-i） ，xt為當(dāng)前時(shí)刻上下游水位、溫度、降雨與傳感器實(shí)測(cè)揚(yáng)壓力組合量，xt-i為測(cè)值前第i天組合量，ci為回歸權(quán)重系數(shù)，ht表示一個(gè)完整斷面一排橫向多個(gè)測(cè)壓管揚(yáng)壓力值映射到典型控制工況下的揚(yáng)壓力值［29］。 參考揚(yáng)壓力統(tǒng)計(jì)模型的自變量因子數(shù)量及形式存入現(xiàn)場(chǎng)邊緣計(jì)算模型因子庫(kù)，再結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建模計(jì)算；通過(guò)預(yù)測(cè)精確度、魯棒性和泛化能力3 個(gè)指標(biāo)確定最終的xt-i影響因子，經(jīng)過(guò)模型檢驗(yàn)選擇最優(yōu)模型；將上下游水位取規(guī)范規(guī)定的典型工況所對(duì)應(yīng)的水位即可得到對(duì)應(yīng)工況的揚(yáng)壓力“實(shí)測(cè)值”，再結(jié)合其他荷載和參數(shù)按規(guī)范規(guī)定進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計(jì)算。

考慮到不同模型的泛化能力不同，為提高模型的智能化水平，同時(shí)降低存儲(chǔ)和計(jì)算復(fù)雜度，經(jīng)模型比較，本文選擇GRU（Gate Recurrent Unit，循環(huán)門(mén)單元）實(shí)現(xiàn)實(shí)測(cè)值到典型控制工況的揚(yáng)壓力映射［30-31］。GRU 是一種基于RNN（循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）的改進(jìn)型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以有效克服傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中短期記憶不足并解決梯度消失問(wèn)題，通過(guò)存儲(chǔ)單元保存長(zhǎng)期的時(shí)序信息，以捕捉數(shù)據(jù)中的長(zhǎng)期依賴關(guān)系。 由于揚(yáng)壓力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)具有時(shí)間滯后特征，因此GRU 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以有效預(yù)測(cè)揚(yáng)壓力隨上下游水位等影響因素的變化，GRU 單元結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 GRU 單元結(jié)構(gòu)

GRU 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的記憶單元在每個(gè)時(shí)間步設(shè)置重置門(mén)rt和更新門(mén)zt，基于門(mén)控GRU 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)信息過(guò)濾和存儲(chǔ)功能。 重置門(mén)和更新門(mén)的計(jì)算公式如下：

Wr為權(quán)重矩陣，對(duì)上一個(gè)時(shí)間步傳過(guò)來(lái)的隱藏層狀態(tài)ht-1和當(dāng)前時(shí)間步的上下游水位、溫度、降雨、傳感器實(shí)測(cè)揚(yáng)壓力組合得到的xt進(jìn)行線性變換，得到的結(jié)果輸入sigmoid 函數(shù)，再將結(jié)果壓縮到區(qū)間［0，1］得到重置門(mén)rt的值。 類似地可由式（4）得到更新門(mén)zt的值。

h～t為候選隱藏狀態(tài)值。 式（5）中rt值越小則候選隱藏狀態(tài)值越小，說(shuō)明前一狀態(tài)需要遺忘得越多，丟棄得越多，當(dāng)前狀態(tài)受前一狀態(tài)影響越小；rt值越大則當(dāng)前狀態(tài)受前一狀態(tài)影響越大。 因此，重置門(mén)的設(shè)置有利于挖掘數(shù)據(jù)之間的短期依賴關(guān)系。

zt用于控制當(dāng)前狀態(tài)是否需要根據(jù)前一時(shí)刻的狀態(tài)信息進(jìn)行更新。 式（6）中zt越接近0，當(dāng)前時(shí)刻對(duì)應(yīng)規(guī)范規(guī)定的典型工況揚(yáng)壓力“實(shí)測(cè)值”ht就越接近上一時(shí)刻的“實(shí)測(cè)值”ht-1。ht被很好地維持了，這也是緩解梯度消失的關(guān)鍵。 更新門(mén)值的變化有利于捕捉數(shù)據(jù)之間長(zhǎng)期依賴的關(guān)系。

1.2 邊緣計(jì)算系統(tǒng)

綜上可知，要實(shí)現(xiàn)基于物理本質(zhì)的揚(yáng)壓力預(yù)警，需要實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)及進(jìn)行誤差識(shí)別與處理、工況轉(zhuǎn)換、模型計(jì)算等，采用基于嵌入式系統(tǒng)的邊緣計(jì)算方式可實(shí)現(xiàn)廊道內(nèi)無(wú)線通信組網(wǎng)、遠(yuǎn)程維護(hù)和參數(shù)設(shè)置、手機(jī)APP 無(wú)線連接，以及有效提高數(shù)據(jù)采集和分析處理速度。 基于邊緣計(jì)算的揚(yáng)壓力分級(jí)預(yù)警系統(tǒng)由多臺(tái)壩基揚(yáng)壓力測(cè)控裝置（MCU）及通信網(wǎng)絡(luò)組成。 每個(gè)揚(yáng)壓力橫向監(jiān)測(cè)斷面配置一臺(tái)基于邊緣計(jì)算的壩基揚(yáng)壓力測(cè)控裝置，用于采集揚(yáng)壓力、氣壓和獲取上下游水位數(shù)據(jù)，并根據(jù)內(nèi)置模型算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。 MCU 采用適合水工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要求的嵌入式硬件和開(kāi)源操作系統(tǒng)，內(nèi)置應(yīng)用軟件。 嵌入式硬件選用i.MX6Q Cortex-A 系列多核處理器作為核心處理器，其低功耗方式采用自適應(yīng)調(diào)頻方式，對(duì)于功耗要求極為嚴(yán)格的水工場(chǎng)景可通過(guò)對(duì)MCU 控電來(lái)降低系統(tǒng)整體功耗。 開(kāi)源操作系統(tǒng)采用嵌入式Linux 操作系統(tǒng)，結(jié)合嵌入式BOA、Sqlite、TCP／IP 及SSH 等技術(shù)開(kāi)發(fā)嵌入式開(kāi)發(fā)界面嵌入式瀏覽器和WEB 瀏覽器，實(shí)現(xiàn)功能和接口軟件配置，對(duì)接入傳感器進(jìn)行統(tǒng)一集中管理，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程程序升級(jí)及遠(yuǎn)程時(shí)鐘校準(zhǔn)等功能，支持遠(yuǎn)程故障診斷，減少人工運(yùn)維成本。 應(yīng)用軟件采用C++和Python 語(yǔ)言混合開(kāi)發(fā)，負(fù)責(zé)提供操作界面，根據(jù)設(shè)置自動(dòng)完成揚(yáng)壓力、氣壓及上下游水位的讀取或采集，以及上述的相關(guān)計(jì)算過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和分級(jí)預(yù)警一體化。 同時(shí)，MCU 還可以根據(jù)需要如考慮分項(xiàng)系數(shù)或有限元等進(jìn)行技術(shù)升級(jí)。 二次開(kāi)發(fā)時(shí)應(yīng)用API 可以調(diào)用第三方工具編寫(xiě)的應(yīng)用軟件。 軟件測(cè)試可以在安裝Linux 系統(tǒng)的虛擬機(jī)上進(jìn)行，最后部署到MCU 即可。

2 工程實(shí)例

2.1 實(shí)例一

本節(jié)以某混凝土重力壩中間壩段某一揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)斷面為例說(shuō)明藍(lán)色預(yù)警過(guò)程。 該壩段壩基設(shè)置了4 根揚(yáng)壓力測(cè)壓管（編號(hào)U、T、S、R），如圖3 所示，實(shí)測(cè)對(duì)應(yīng)的測(cè)壓管水頭分別為h1（t）、h2（t）、h3（t）、h4（t），上游揚(yáng)壓力作用水頭為H1（t），下游揚(yáng)壓力作用水頭為H2（t）。

圖3 基于測(cè)壓管實(shí)測(cè)水頭的揚(yáng)壓力計(jì)算示意

測(cè)壓管內(nèi)滲壓計(jì)采用Geokon4500SV 0.35 MPa 滲壓計(jì)，配合上海雷若儀表RE-330 型0.2 hPa 高精度大氣壓計(jì)修正，經(jīng)重復(fù)性采樣，重復(fù)性滿足規(guī)范［26］要求。根據(jù)實(shí)測(cè)資料該壩段壩基測(cè)壓管U 實(shí)測(cè)揚(yáng)壓力折減系數(shù)長(zhǎng)期大于規(guī)范值0.3，為此檢驗(yàn)其是否需要進(jìn)行藍(lán)色預(yù)警。 實(shí)測(cè)揚(yáng)壓力荷載可以通過(guò)計(jì)算多邊形IJKLMNOP的面積得到。

圖4為設(shè)計(jì)規(guī)范中計(jì)算揚(yáng)壓力載荷的示意圖，排水孔中心線處為H2（t）+αH（t），其中α為規(guī)范規(guī)定的揚(yáng)壓力折減系數(shù)，H（t）＝H1（t）-H2（t）。 揚(yáng)壓力面積St為多邊形ABCDE的面積，為2 個(gè)多邊形ABCF和CDEF的面積之和，用公式表達(dá)為

圖4 規(guī)范規(guī)定的典型揚(yáng)壓力計(jì)算示意

式中：LAF為A點(diǎn)到F點(diǎn)的距離；LFE為F點(diǎn)到E點(diǎn)的距離。

將實(shí)測(cè)揚(yáng)壓力與規(guī)范規(guī)定的揚(yáng)壓力進(jìn)行對(duì)比，也就是比較計(jì)算出來(lái)的實(shí)測(cè)揚(yáng)壓力面積Mt和規(guī)范規(guī)定的揚(yáng)壓力面積St。 當(dāng)Mt值大于或等于St值時(shí)，說(shuō)明實(shí)測(cè)揚(yáng)壓力大于規(guī)范值，啟動(dòng)藍(lán)色報(bào)警。 計(jì)算結(jié)果顯示，該壩基實(shí)測(cè)揚(yáng)壓力面積小于規(guī)范規(guī)定的揚(yáng)壓力面積，因此未啟動(dòng)藍(lán)色預(yù)警。

2.2 實(shí)例二

某水利樞紐工程重力壩為1 級(jí)建筑物，根據(jù)實(shí)測(cè)揚(yáng)壓力結(jié)合上下游水位計(jì)算的部分時(shí)間、部分測(cè)點(diǎn)揚(yáng)壓力折減系數(shù)超過(guò)規(guī)范值，引起運(yùn)行管理單位重視。為檢驗(yàn)是否應(yīng)啟動(dòng)紅色預(yù)警，基于上述軟件系統(tǒng)，采用設(shè)計(jì)工況和計(jì)算公式對(duì)壩體穩(wěn)定性進(jìn)行校核，結(jié)果表明不存在深層抗滑失穩(wěn)問(wèn)題，因此只計(jì)算沿建基面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。 相關(guān)計(jì)算參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取樣檢測(cè)結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)確定，荷載組合及規(guī)范值參見(jiàn)混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范［21］。 根據(jù)全部測(cè)點(diǎn)、全時(shí)間序列實(shí)測(cè)揚(yáng)壓力數(shù)據(jù)，采用本文方法得到的安全系數(shù)極小值見(jiàn)表1。由于計(jì)算得到的安全系數(shù)均在規(guī)范要求范圍內(nèi)，因此未啟動(dòng)紅色預(yù)警，有效地消除了運(yùn)行管理單位的顧慮。

表1 基于邊緣計(jì)算的典型工況抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)與規(guī)范值對(duì)比

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)揚(yáng)壓力實(shí)際作用的物理意義，結(jié)合規(guī)范實(shí)現(xiàn)了閘壩分級(jí)預(yù)警，理論分析和工程實(shí)例證明，基于邊緣計(jì)算的分級(jí)預(yù)警方法是可行的：1）本分級(jí)預(yù)警方法基于局部揚(yáng)壓力分布不均勻的實(shí)際，考慮到揚(yáng)壓力是通過(guò)其大小和分布影響壩體穩(wěn)定性，具有簡(jiǎn)單直觀和物理意義明確、計(jì)算方便等優(yōu)點(diǎn)；2）通過(guò)實(shí)測(cè)揚(yáng)壓力面積與規(guī)范規(guī)定揚(yáng)壓力面積對(duì)比，更加快捷和簡(jiǎn)便；3）將依據(jù)實(shí)測(cè)揚(yáng)壓力計(jì)算得到的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)或抗傾覆安全系數(shù)與規(guī)范值進(jìn)行比對(duì)，可更有效地作出判斷，減少虛警的發(fā)生；4）工程實(shí)例只針對(duì)運(yùn)用期進(jìn)行了分析，根據(jù)規(guī)范要求，可以將其推廣到施工期以及采用不同計(jì)算方法（如分項(xiàng)系數(shù)極限狀態(tài)計(jì)算方法或彈塑性力學(xué)有限元計(jì)算方法）的閘壩揚(yáng)壓力分級(jí)預(yù)警中。