大坝真空激光准直监测系统研究与分析

高广合

(辽宁省白石水库管理局有限责任公司， 辽宁 朝阳 122000)

1 工程概况及监测现状

白石水库位于辽宁省北票市上园镇附近的大凌河干流上，水库控制面积为17649km2。大坝坝型为碾压混凝土重力坝，坝顶高程134.3m，最大坝高50.3m,坝顶长513 m，全坝分为32个坝段，编号0#-31#号坝段，水库正常高水位127m，死水位108m。

真空激光准直系统由发射端、真空管道、测点箱、接收端、数据采集与管理系统等组成，具有抗干扰能力强、测量精度高、数据采集连续稳定的特点。白石水库坝顶真空激光准直系统共有传感器30个，测点编号DJ01-DJ30，用于监测坝顶1#-30#坝段相对于0#以及31#坝段的水平位移。

2 监测模型

结合监测数据定性分析各监测量的变化规律[1-3]，根据水压、温度和时效等因子建立数学模型，对影响大坝坝体变形的各因子进行计算分析，按以下形式构造监测模型。

(1)

式中：YH为水压分量，即：

(2)

YT为温度分量，即：

(3)

为时效分量，即：

(4)

式中：H为上游水位；fk(s)为温度周期函数，取观测日当天值、前15d、前30d、前60d、前90d值的气温平均值；fk(t)为时效函数；B0为常数项；S为剩余标准差。

3 监测成果分析

为便于分析研究白石水库真空激光准直监测系统，选取2015年7月-2019年6月监测数据，对典型测点JD14、JD20、JD24坝顶的水平(X向)位移进行分析比较，JD14、JD20、JD24水平位移过程线见图1。

分析结果如下：

1) 温度因子是影响大坝水平位移的主要因子，测点JD14、JD20、JD24温度分量占总量的比例分别为75.6%、64.60%、68.2%；其次为时效因子占比分别为18.46%、19.23%、21.55%；水压因子对水平变形的影响最小。

2)测点JD14水平位移在-8.21-6.19mm之间，变幅14.40mm；测点JD20水平位移在-3.24-6.10mm之间，变幅9.34mm；测点JD24水平位移在-5.39-7.55mm之间，变幅12.94mm。

3)测点JD14、JD20、JD24坝顶的水平位移变化趋势相同，各测点每年相同时段位移变化量不大。

4)由图1可知，坝顶水平位移受库水位变化的影响较小，受环境温度的影响较为显著，主要表现为在高温季节向上游移动，在低温季节向下游移动，随温度的升降呈周期性变化。坝顶水平位移量与环境温度的变化成正比，环境温度变化越大，水平位移量也相应的增大[4-7]。

图1 JD14、JD20、JD24水平位移过程线

4 系统可靠性分析

自动化系统可靠性可用平均无故障时间进行考核，平均无故障时间(MTBF)是指两次相邻故障间的正常工作时间，计算公式如下：

平均无故障时间计算公式：

(5)

式中:ti为监测期内，第i台设备工作时数；ri为监测期内，第i台设备出现的故障次数；n为系统内系统设备总数。

经计算白石水库真空激光准直系统平均无故障时间为6480h(≥6300h)，满足规范要求。

数据采集缺失率是指在考核期内未能测得的数据个数与应测得的数据个数之比，即

η=ρ/ω×100%

其中η为数据采集缺失率；ρ为未能测得的数据个数；ω为应测得的数据个数。

真空激光准直系统光路在真空管道中传输，受外界环境的影响较小，但是由于白石水库大坝坝体防雷存在设计缺陷，2015年7月-2019年6月期间发生几次雷击事故，造成真空激光准直系统相关数据的采取存在缺失的情况，后加强防雷管护，重新设计安装了防雷设施，现系统数据采集稳定可靠。真空激光准直系统采集数据较多，仅统计2018年7月至2019年6月一年的数据缺失率，统计结果见表1。

真空激光准直系统数据采集总缺失率为1.423%，各测点缺失率及总缺失率均<3%，未超过规范规定，符合规范要求。

表1 测点缺失率统计表

5 结 论

通过对白石水库真空激光准直系统的研究分析，可以得出以下结论：

1)测点JD14、JD20、JD24水平位移变化呈现规律性，变化趋势相同，受温度的影响最大，高温季节向上游变化，低温季节向下游变化。

2)白石水库真空激光准直系统所监测大坝坝体变形量符合大坝变形规律，数据稳定连续，观测精度高，维护方便，自动化程度非常高，节约了大量的工作时间，大大提高了工作效率，在大坝坝体变形监测中发挥着极其重要的作用。

3)真空激光准直系统应加强设备维护保养，特别注意防雷及真空激光发射端操作井积水现象，确保系统可靠稳定运行。