豐滿大壩重建工程施工期老壩32壩段正垂線自動化監測系統改造及運行測試

李作光

（豐滿發電廠，吉林省吉林市 132108）

豐滿大壩重建工程施工期老壩32壩段正垂線自動化監測系統改造及運行測試

李作光

（豐滿發電廠，吉林省吉林市 132108）

本文對豐滿大壩重建工程施工期老壩32壩段正垂線自動化系統改造進行了簡介；通過對改造后自動化監測系統的監測精度評價、系統可靠性考核、監測資料分析等，得出運行測試結論。

豐滿大壩重建；32壩段正垂線；自動化系統改造；運行測試

1 工程概況

豐滿老壩只有1個壩段布設了正垂線監測項目，監測點位于豐滿老壩32壩段轉梯井內，用于監測32壩段不同高程的相對位移[1]，共計9個測點（上段6個測點，下段3個測點），測點布置示意圖見圖1。1972年開始監測，初期采用垂線儀進行人工監測，2001年后曾經對其進行過自動化全面改造3次，由于改造后系統故障較多，一直沒有正式運行。

圖1 豐滿老壩32壩段正垂線測點布置示意圖Fig. 1 Fengman old dam Plumb line in 32 dam section measuring point layout diagram

2014年2月結合豐滿大壩重建工程由南京南瑞集團公司完成過渡期自動化系統改造，采用NGDZ型光電式（CCD）雙向垂線坐標儀監測儀器，該垂線坐標儀采用光電感應原理非接觸的測量方式。正交的兩組平行光源分別發射出一束平行光束，將正倒垂裝置的鋼絲投影至光電耦合器件CCD的光敏像素陣面上。CCD將與把投影在像素陣面上陰影位置有關的光強信號轉換成電荷量輸出，經信號處理即可得到垂線相對于坐標儀位置的坐標值。測出不同時間的坐標值變化，即獲得了坐標儀相對垂線的X、Y向的位移變化。用于安裝在水工建筑物或其他工程建筑物所設置的垂線上，測量建筑物水平方向的位移。安裝在正垂線上可量測結構物的相對水平位移和撓度，安裝在倒垂線上可量測結構物的絕對水平位移。該垂線儀在國內大壩安全監測中被廣泛應用。

本文通過對改造后自動化監測系統的監測精度評價、系統可靠性考核、監測資料分析等得出運行測試結論。

2 監測精度評價

2.1 評價方法

豐滿老壩為混凝土重力壩，根據壩的結構和運行特點，可以認為在短時間內庫水位、氣溫、水溫等環境量基本不變，則大壩上各測點的被測物理量基本不變，因此，可通過監測自動化系統的計算機在短時間對測點連續測量n次，由n次連續讀數計算其監測中誤差，估計儀器在短時間內的重復讀數精度及測值穩定性[2-5]，其計算方法如下：

n次讀數分別為：A1、A2、…、An-1、An

測值的平均值：a=（A1+A2+…+An-1+An）/n

每次測值與平均值之差的平方和：

中誤差M（mm）：

2.2 評價標準

根據NGDZ型光電式（CCD）雙向垂線坐標儀的技術指標，以及參照國內大壩監測設備評價部門在經驗基礎上制定的標準，制定豐滿評價標準如下：

2.3 評價成果

參照以上評價的標準，對垂線自動化系統進行重復測試，重復監測20次（n=20）測試結果見表1。

表1 32壩段正垂線自動化系統重復測試表Tab. 1 Plumb line in 32 dam section repeat the test automation system tables

由表1可看出，各測點的重復測試結果較好，等級均在優秀以上，說明垂線自動化系統的短期穩定性較好。

3 系統可靠性考核

3.1 鑒定方法

系統可靠性可用平均無故障工作時間及數據缺失率來考核。

3.1.1 平均無故障工作時間

平均無故障工作時間（MTBF）是指兩次相鄰故障間的正常工作時間（短時間可恢復的不計）。

故障定義：系統控制傳感器數據采集的單元不能正常工作，造成所控制的單個或多個測點測值異?；蛲y，稱為采集單元發生故障。鑒于32壩段正垂線自動化系統的2014年監測周期為一天一次，定義若10天測不到數據則認為故障1次。

32壩段正垂線自動化系統平均無故障時間：

式中： t ——考核期天數；

ti——考核期中故障天數；

ri——考核期內，第i個測點出現的故障次數；

n——采集子系統中測點的個數。

3.1.2 數據缺失率

數據缺失率是指：未能測得的數據個數與應測得的數據個數之比。

式中： NF——未測得的數據個數；

NM——應測得的數據個數。

根據32壩段正垂線自動化系統的監測周期為每天一次，若某一天無數據或出現故障數據，就認為數據缺失一次。

3.2 鑒定標準

3.2.1 平均無故障工作時間

以2014年一年時間為考核期，參照《水電廠大壩安全監測自動化系統實用化驗收細則》及多次的鑒定經驗及廠家的相關指標，鑒定參照的標準如下：

3.2.2 數據缺失率

以2014年一年時間為考核期，參照《水電廠大壩安全監測自動化系統實用化驗收細則》及相關的國家標準、行業標準或企業標準的規定：

對系統可靠性的考核要綜合平均無故障工作時間及數據缺失率兩項指標來進行[6-7]。

3.3 鑒定成果

對垂線自動化系統進行無故障工作時間考核，以2014年為考核期，考核結果見表2，從表2可見，所有測點垂線儀的無故障時間均在8000h以上。利用單測點平均無故障時間計算出垂線系統無故障時間：MTBF=8575h，屬于優秀。

對32壩段垂線自動化系統9臺垂線儀進行數據缺失率的考核，以2014年為考核期，考核結果見表3。從表3可見，該系統的自動采集數據的缺失率均小于3%，屬于優秀。

從可靠性的兩個指標考核來看，32壩段正垂線自動化系統的可靠性是很高的。

表2 32壩段正垂線自動化系統平均無故障時間統計表Tab.2 Plumb line in 32 dam section automation system MTBF TAB

表3 32壩段正垂線自動化系統缺失率統計表Tab. 3 Plumb line in 32 dam section automation system loss rate statistics

4 監測資料分析

4.1 定性分析

4.1.1 特征值統計分析

統計出9個測點的X、Y向最大值、最小值及變幅，見表4和表5。

表4 32壩段正垂線2014年X、Y方向特征值統計表Tab. 4 Plumb line in 32 dam section 2014 X、Y direction characteristic values TAB mm

表5 32壩段正垂線2015年X、Y方向特征值統計表Tab. 5 Plumb line in 32 dam section 2015 X、Y direction characteristic values TAB mm

由表4和表5可看出：

（1）2014年上段6個測點（1～6號）的正垂線X（上下游方向）測值變幅在0.48～6.91mm之間；2015年上段6個測點（1～6號）的正垂線X（上下游方向）測值變幅在0.50～6.68mm之間?？拷撞康?號點變幅最大，靠近頂部的1號點變幅最小，符合正垂線上下游方向測值的變化規律。

（2）2014年下段3個測點（7～9號）的正垂線X（上下游方向）測值變幅在0.64～1.98mm之間；2015年下段3個測點（7～9號）的正垂線X（上下游方向）測值變幅在0.50～1.25mm之間?？拷撞康?號點變幅最大，靠近頂部的7號點變幅最小，符合正垂線上下游方向測值的變化規律。

（3）2014年1～9號正垂線Y（壩軸線方向）測值的變幅在0.22～1.16mm之間；2015年1～9號正垂線Y（壩軸線方向）測值的變幅在0.18～1.13mm之間。變化不大符合正垂線壩軸線方向測值的變化規律。

4.1.2 過程線分析

繪制每個測點的X（上下游方向）、Y（壩軸線方向）監測值過程線，見圖2和圖3。

由過程線可看出：

（1）9個測點的正垂線撓度測值與日平均氣溫的相關性較大，與庫水位的相關性較小。

（2）兩段倒垂線測值靠近底部測點的撓度較大。即上段6號測點撓度較大，下段9號測點撓度較大。

（3）X（上下游方向）的測值較Y（壩軸線方向）測值大。

4.2 定量分析

影響大壩變形的主要因素是氣溫、水位、時效。統計方程如下：

式中：σH——庫水位變化引起的位移；

σT——壩體溫度變化引起的位移；

σθ——時效變形。

圖2 32壩段正垂線6號點X、Y方向自動觀測值過程線Fig. 2 Plumb line in 32 dam section 6# X、Y direction automatic observation correlation line

圖3 32壩段正垂線9號點X、Y方向自動觀測值過程線Fig. 3 Plumb line in 32 dam section 9# X、Y direction automatic observation correlation line

（1）σH：

重力壩上任一監測點由靜水壓力引起的水平位移σH與水深H、H2、H3、H4呈線形關系。

即：

式中： h——上游水位；

bi——系數項。

（2）σT：

在分析中采用監測班樓頂小型自動氣象站監測的氣溫為溫度因子，氣溫只是水平位移的間接影響因素，對混凝土內部影響有滯后，選擇監測前7、15、30、60、90、120天的平均氣溫，同時考慮氣溫的周期變化。故：

式中：τ=2πt/365；

Ti——監測前i天的平均氣溫。

（3）σθ：

時效變形與時間呈曲線關系，故選取t、ekt、ln（t）為時效因子。

式中：t——監測日期距首次監測日期的累積天數；

ekt——指數項。

采用以上統計方程進行逐步回歸計算，計算結果見表6、逐步回歸結果見圖4和圖5。

表6 32壩段正垂線X、Y方向測值逐步回歸結果表Tab. 6 Plumb line in 32 dam section X、Y direction the stepwise regression result table

由表6可看出，32壩段正垂線X（上下游方向）測值的復相關系數R在0.9762～0.9988范圍變化，剩余標準差S在0.021～0.194mm范圍變化，具有0.10～1.46mm的時效變形，應關注其量值和速率的變化情況；32壩段正垂線Y（壩軸線方向）測值的復相關系數R在0.9254～0.9977范圍變化，剩余標準差S在0.012～0.034mm范圍變化，具有-0.37～0.30m的時效變形，應關注其量值和速率的變化情況。

由32壩段正垂線觀測值逐步回歸結果圖4和圖5可看出：①在正垂線測值中溫度分量所占的比重較大（一般80%左右）、水位分量所占的比重較小（一般14%左右）。②計算值與實測值擬合較好，這說明觀測值能夠較好地反映出正垂線測值的變化規律。

圖4 32壩段正垂線6號點X方向自動觀測值逐步回歸結果圖Fig. 4 Plumb line in 32 dam section 6# X direction automatic observation the stepwise regression result figure

圖5 32壩段正垂線9號點X方向自動觀測值逐步回歸結果圖Fig. 5 Plumb line in 32 dam section 9# X direction automatic observation the stepwise regression result figure

5 結束語

通過對32壩段自動化系統的監測精度評價及資料分析可知：①各測點的重復測試結果較好，等級均在優秀以上，說明垂線自動化系統的監測精度較高。②從可靠性的兩個指標考核來看，32壩段正垂線自動化系統的可靠性是很高的。③各測點的測值符合正垂線的時空變化規律。④各測點測值的逐步回歸效果較好，能夠較好地反映出正垂線測值的變化規律。⑤在正垂線測值中溫度分量所占的比重較大（一般80%左右）、水位分量所占的比重較?。ㄒ话?4%左右）。⑥正垂線X（上下游方向）各測點測值具有0.10～1.46mm的時效變形，應關注其量值和速率的變化情況。⑦正垂線Y（壩軸線方向）各測點測值具有-0.37～0.30m的時效變形，應關注其量值和速率的變化情況。

改造后的32壩段正垂線自動化系統必將在豐滿大壩重建工程中發揮巨大的作用。

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Reconstruction of Fengman Dam Plumb Line in 32 Dam section the reform of automation system operation tests

LI Zuoguang
（Fengman Hydropower Plant，Jilin 132108，China）

In this paper，Reconstruction of Fengman Dam Plumb line in 32 Dam section the reform of automation system introduction；Based on the modified automation monitoring system of the monitoring precision evaluation，system reliability assessment，monitoring data analysis，etc. To run the test conclusion.

the reconstruction of Fengman Dam；Plumb line in 32 Dam section；the reform of automation system；operation tests.

TV732

A

570.2510

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.02.016

2016-09-17

2016-09-27

李作光（1966—），男，碩士，高級工程師，主要研究方向：大壩安全監測。E-mail：lzgtop@sina.com