大壩真空激光準直監測系統研究與分析

高廣合

(遼寧省白石水庫管理局有限責任公司， 遼寧 朝陽 122000)

1 工程概況及監測現狀

白石水庫位于遼寧省北票市上園鎮附近的大凌河干流上，水庫控制面積為17649km2。大壩壩型為碾壓混凝土重力壩，壩頂高程134.3m，最大壩高50.3m,壩頂長513 m，全壩分為32個壩段，編號0#-31#號壩段，水庫正常高水位127m，死水位108m。

真空激光準直系統由發射端、真空管道、測點箱、接收端、數據采集與管理系統等組成，具有抗干擾能力強、測量精度高、數據采集連續穩定的特點。白石水庫壩頂真空激光準直系統共有傳感器30個，測點編號DJ01-DJ30，用于監測壩頂1#-30#壩段相對于0#以及31#壩段的水平位移。

2 監測模型

結合監測數據定性分析各監測量的變化規律[1-3]，根據水壓、溫度和時效等因子建立數學模型，對影響大壩壩體變形的各因子進行計算分析，按以下形式構造監測模型。

(1)

式中：YH為水壓分量，即：

(2)

YT為溫度分量，即：

(3)

為時效分量，即：

(4)

式中：H為上游水位；fk(s)為溫度周期函數，取觀測日當天值、前15d、前30d、前60d、前90d值的氣溫平均值；fk(t)為時效函數；B0為常數項；S為剩余標準差。

3 監測成果分析

為便于分析研究白石水庫真空激光準直監測系統，選取2015年7月-2019年6月監測數據，對典型測點JD14、JD20、JD24壩頂的水平(X向)位移進行分析比較，JD14、JD20、JD24水平位移過程線見圖1。

分析結果如下：

1) 溫度因子是影響大壩水平位移的主要因子，測點JD14、JD20、JD24溫度分量占總量的比例分別為75.6%、64.60%、68.2%；其次為時效因子占比分別為18.46%、19.23%、21.55%；水壓因子對水平變形的影響最小。

2)測點JD14水平位移在-8.21-6.19mm之間，變幅14.40mm；測點JD20水平位移在-3.24-6.10mm之間，變幅9.34mm；測點JD24水平位移在-5.39-7.55mm之間，變幅12.94mm。

3)測點JD14、JD20、JD24壩頂的水平位移變化趨勢相同，各測點每年相同時段位移變化量不大。

4)由圖1可知，壩頂水平位移受庫水位變化的影響較小，受環境溫度的影響較為顯著，主要表現為在高溫季節向上游移動，在低溫季節向下游移動，隨溫度的升降呈周期性變化。壩頂水平位移量與環境溫度的變化成正比，環境溫度變化越大，水平位移量也相應的增大[4-7]。

圖1 JD14、JD20、JD24水平位移過程線

4 系統可靠性分析

自動化系統可靠性可用平均無故障時間進行考核，平均無故障時間(MTBF)是指兩次相鄰故障間的正常工作時間，計算公式如下：

平均無故障時間計算公式：

(5)

式中:ti為監測期內，第i臺設備工作時數；ri為監測期內，第i臺設備出現的故障次數；n為系統內系統設備總數。

經計算白石水庫真空激光準直系統平均無故障時間為6480h(≥6300h)，滿足規范要求。

數據采集缺失率是指在考核期內未能測得的數據個數與應測得的數據個數之比，即

η=ρ/ω×100%

其中η為數據采集缺失率；ρ為未能測得的數據個數；ω為應測得的數據個數。

真空激光準直系統光路在真空管道中傳輸，受外界環境的影響較小，但是由于白石水庫大壩壩體防雷存在設計缺陷，2015年7月-2019年6月期間發生幾次雷擊事故，造成真空激光準直系統相關數據的采取存在缺失的情況，后加強防雷管護，重新設計安裝了防雷設施，現系統數據采集穩定可靠。真空激光準直系統采集數據較多，僅統計2018年7月至2019年6月一年的數據缺失率，統計結果見表1。

真空激光準直系統數據采集總缺失率為1.423%，各測點缺失率及總缺失率均<3%，未超過規范規定，符合規范要求。

表1 測點缺失率統計表

5 結 論

通過對白石水庫真空激光準直系統的研究分析，可以得出以下結論：

1)測點JD14、JD20、JD24水平位移變化呈現規律性，變化趨勢相同，受溫度的影響最大，高溫季節向上游變化，低溫季節向下游變化。

2)白石水庫真空激光準直系統所監測大壩壩體變形量符合大壩變形規律，數據穩定連續，觀測精度高，維護方便，自動化程度非常高，節約了大量的工作時間，大大提高了工作效率，在大壩壩體變形監測中發揮著極其重要的作用。

3)真空激光準直系統應加強設備維護保養，特別注意防雷及真空激光發射端操作井積水現象，確保系統可靠穩定運行。