南水北調(diào)臺兒莊泵站揚壓力安全監(jiān)控指標擬定

張運保，呂曉理，郭曉翠

(南水北調(diào)東線山東干線有限責任公司，山東 濟南 250109)

1 臺兒莊泵站概況

臺兒莊泵站是南水北調(diào)東線一期工程的第七級泵站，主要任務(wù)是抽引駱馬湖來水通過韓莊運河向北輸送進入南四湖，以完成南水北調(diào)東線工程向北及膠東調(diào)水的任務(wù)，實現(xiàn)梯級調(diào)水目標。臺兒莊泵站設(shè)計調(diào)水流量125m3/s，設(shè)計站上水位25.09m、站下水位20.56m，設(shè)計揚程4.53m，平均揚程3.73m；站下最高水位為22.50m，站上最高水位為25.50m。臺兒莊泵站為I等工程，主要建筑物為1級，次要建筑物為3級。

2 研究方法

安全監(jiān)控指標是評估和監(jiān)測建筑物安全的重要指標。估計安全監(jiān)控指標的主要任務(wù)是根據(jù)建筑物已經(jīng)抵御經(jīng)歷荷載的能力，來評估和預(yù)測抵御可能發(fā)生荷載的能力，從而確定在該荷載組合下監(jiān)控效應(yīng)量的警戒值。但是，有些建筑物可能沒有遭遇最不利工況；另外，建筑物抵御荷載的能力在變化。因此，在實際工程中，擬定安全監(jiān)控指標是一個相當復(fù)雜的問題，需要根據(jù)建筑物的具體情況，用多種方法進行分析論證。本次研究采用置信區(qū)間法和典型監(jiān)測效應(yīng)量的小概率法進行臺兒莊泵站揚壓力安全監(jiān)控指標的擬定。

3 臺兒莊泵站揚壓力監(jiān)測資料分析

臺兒莊泵站在主廠房底板、副廠房和安裝間基礎(chǔ)、進出水池和進出水渠共布設(shè)滲壓計15支，本次對7#、11#、13#、21#滲壓計進行分析，分析時段為2012年11月5日至2018年8月20日。以下基于原始觀測資料，對監(jiān)測數(shù)據(jù)的特征值以及時空變化規(guī)律進行重點分析，確定各效應(yīng)量與環(huán)境量變化之間的相關(guān)性。

3.1 特征值分析

特征值統(tǒng)計以及過程線所使用的數(shù)據(jù)均將揚壓力換算成揚壓水位，各測點特征值統(tǒng)計見表1。

3.2 時空規(guī)律分析

由圖1至圖4可以看出揚壓水位受河道運行水位的影響比較大，當河道水位升高時，揚壓水位增大；當河道水位降低時，揚壓水位減小。此外，相較于河道水位，各處揚壓水位有一定的滯后效應(yīng)，即其變化滯后于河道水位，而且距離河道越遠，滯后效應(yīng)越明顯。

圖1 臺兒莊泵站7#滲壓計水位過程線

表1 臺兒莊泵站滲壓計特征值統(tǒng)計表

圖2 臺兒莊泵站11#滲壓計水位過程線

圖3 臺兒莊泵站13#滲壓計水位過程線

圖4 臺兒莊泵站21#滲壓計水位過程線

4 揚壓力安全監(jiān)控指標擬定

4.1 置信區(qū)間法

4.1.1監(jiān)控模型及因子選擇

考慮到泵站揚壓力主要受河道水位、時效等因素變化的綜合影響，其監(jiān)控模型基本關(guān)系式表示為：

H=Hh+Hθ

(1)

式中，H—揚壓力；Hh—水位分量；Hθ—時效分量。

(1)水位分量。河道水位變化對泵站揚壓力有一定的影響，且有一定的滯后性，因此考慮選擇監(jiān)測日當天水位，以及前7天和前14天的平均水位作為因子，水位分量可以表示為：

(2)

式中，a1i—河道水位分量的回歸系數(shù)(i=1～3)；hui—分別為監(jiān)測日當天、監(jiān)測日前第7天、前第14天的河道平均水位；hu0i—初始監(jiān)測日上述各時段對應(yīng)的河道水位平均值(i=1～3)。

(2)時效分量。考慮到泵站受多種因素的復(fù)雜作用，通常認為正常運行的泵站，時效分量變化的規(guī)律為初期變化急劇，后期漸趨穩(wěn)定。時效因子通常選為θ和lnθ(θ為觀測日減去基準日的天數(shù))，因此應(yīng)力的時效分量可表達為：

表2 泵站滲壓計的回歸模型

Hθ=b1θ+b2lnθ

(3)

4.1.2模型創(chuàng)建

經(jīng)過計算各影響量之間基本無相關(guān)性，所以采用逐步回歸分析方法計算統(tǒng)計模型參數(shù)，建模時段為2013年5月21日至2018年8月25日，分析時段的起始時間為儀器開始測量的時間。監(jiān)控模型表示為：

(4)

4.1.3模型分析

表2為泵站各支滲壓計統(tǒng)計模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)R、剩余標準差S、分量分解百分比和回歸模型方程式。從表2可以看出，5支滲壓計中僅測點21#的復(fù)相關(guān)系數(shù)達0.74，表明實測數(shù)據(jù)的建模效果較好；其余4個測點的復(fù)相關(guān)系數(shù)均小于0.5，普遍較低，表明模型回歸效果較差。

4.1.4監(jiān)控指標估算

經(jīng)前述分析可知，7#、11#、13#和15#測點的模型擬合精度較低，已嚴重失真，無法用于監(jiān)控指標的擬定。僅21#測點建立的回歸模型質(zhì)量良好，因此可將21#測點的模型成果代入以下公式得到揚壓水位的監(jiān)控指標：

(5)

式中，Hm—監(jiān)控指標；H—模型計算極值；S—剩余標準差；K—顯著性水平α的函數(shù)。

K的取值和顯著性水平α有關(guān)，通常將1-α稱為置信水平，標志實測值落在監(jiān)控指標范圍內(nèi)的概率。根據(jù)工程經(jīng)驗，一般取K=2，此時置信水平為95.4%。

模型計算極值的確定首先需求出最不利荷載組合，這是一個比較復(fù)雜的問題。本次分析采用“可能的最不利荷載組合”推求極值，考慮到揚壓力主要受水位影響，且與水位呈正相關(guān)，因此選取水位達到最高時作為最不利時刻，實際計算時選取26.51m為出水池最高水位。基于模型方程和剩余標準差，估算出測點21#監(jiān)控指標為22.54m，如圖5所示。

圖5 滲壓計21#實測值和模型值過程線

4.2 典型監(jiān)測效應(yīng)量的小概率法

(1)子樣的選擇

臺兒莊泵站從2013年5月25日運行以來經(jīng)歷了不同工況的考驗，根據(jù)實測資料可知，揚壓力水位受河道水位影響比較大，一般在高水位的情況下，水位值較大；在低水位的情況下，水位值較小。加之現(xiàn)場缺少降雨和氣溫等環(huán)境量的實測數(shù)據(jù)，因此主要考慮河道水位作為子樣選擇的依據(jù)。揚壓力子樣統(tǒng)計情況見表3—7。

表3 測點7#揚壓水位特征值統(tǒng)計表 單位：m

表4 測點11#滲壓水位特征值統(tǒng)計表 單位：m

表5 測點13#滲壓水位特征值統(tǒng)計表 單位：m

表6 測點15#滲壓水位特征值統(tǒng)計表 單位：m

表7 測點21#滲壓水位特征值統(tǒng)計表 單位：m

(2)分布檢驗

K-S法是Kolmogorov于1933年提出，經(jīng)Smirnov進一步發(fā)展完善而成的。其基本思想是根據(jù)子樣得到的經(jīng)驗分布函數(shù)Fn(x)與原理假設(shè)的母體理論分布函數(shù)F(x)作比較，建立統(tǒng)計量Dn。

然后在給定信度α下，將計算得到的Dn(x)的最大值與檢驗臨界值Dn，α比較，以檢驗原假設(shè)是否被拒絕：當Dn≤Dn，α時，不拒絕接受原假設(shè)；當Dn>Dn，α時，拒絕接受原假設(shè)。

表8 泵站滲壓計樣本K-S檢驗成果

(3)監(jiān)控指標估算

由統(tǒng)計理論可知，當α足夠小時，可以認為這是一個小概率事件，即該事件幾乎不可能發(fā)生，若發(fā)生則為異常情況。利用上述原理，對泵站揚壓水位取α為1%時的值，得到揚壓水位的安全監(jiān)控指標，見表9。

表9 利用典型小概率法估算臺兒莊泵站揚壓力水位預(yù)警值 單位：m

5 結(jié)論與建議

(1)針對臺兒莊泵站揚壓力監(jiān)測，觀測序列長、測量成果可靠且規(guī)律性明顯，基于運行期間的實測數(shù)據(jù)，采取置信區(qū)間法和典型監(jiān)測效應(yīng)量的小概率法來進行監(jiān)控指標的擬定，通過選定適宜的回歸方法、影響量因子集合和影響量因子形式，構(gòu)建數(shù)學物理統(tǒng)計模型，可以估算其安全監(jiān)控指標。

(2)安全監(jiān)控指標是不斷變化的，運行管理部門應(yīng)定期分析論證，及時提出變化后的監(jiān)控指標。

(3安全監(jiān)控指標只有與工程安全監(jiān)測系統(tǒng)相結(jié)合，實時與監(jiān)測數(shù)據(jù)作對比，發(fā)出預(yù)警預(yù)報，才能最大限度地發(fā)揮它的價值；另一方面，通過不斷經(jīng)歷實際工況的檢驗和校正，監(jiān)控指標的可靠性和實用性愈發(fā)完善，也能更加快速有效地對工程安全運行性態(tài)做出判斷。