大中型水闸沉降变形分布式监测系统研究

孙宝伦

(山东省德州市水利局，山东 德州 253014)

水闸是非常重要的水利基础设施，在灌溉、环保、防洪、水力发电、航运、挡潮等多个方面发挥着至关重要的作用[1]。据统计数据显示，我国现今具备中大型水闸约5 000座。中大型水闸在运行过程中，会受到多种因素的影响，例如水流、空气、风浪、冻融、污染、雨雪、施工质量等，均对造成水闸的老化或者变形，导致中大型水闸出现安全问题。随着多种因素的影响以及水闸运行时间的增加，水闸混凝土构件外表会出现剥落碳化、开裂等现象，钢筋会出现锈蚀等老化现象；水闸起闭设备会出现磨损，存在开启不灵活，绝缘性能降低现象；水闸地基不均匀沉降也会引起水闸周边建筑物或者其构件产生变形、错动、开裂等情况。上述水闸安全现象不但影响水闸工程效益发挥，也威胁着下游居民的生命、财产安全[2]。由此可见，水闸安全监测研究是其稳定运行的基础与前提。

随着水闸的发展、升级与应用，水闸观测资料与数据也逐渐增加，其处理与分析工作量也呈指数倍增加。由数据显示，水闸沉降变形是影响水闸安全、稳定运行的关键原因。由于现有各种条件的限制，水闸相关单位很难对现有资料进行及时处理，获取水闸沉降变形信息，造成水闸危险感知延误现象，从而致使水闸以及下游居民承担着较大的风险[3]。近几年，大中型水闸危害频率逐渐增加，使得如何精确获得大中型水闸沉降变形信息成为水闸应用领域重点研究课题之一，故提出大中型水闸沉降变形分布式监测系统研究。

1 大中型水闸沉降变形分布式监测系统硬件单元设计

硬件单元是设计系统稳定运行的基础与前提，承担着获取大中型水闸沉降变形相关信息的任务[4]。依据大中型水闸安全、稳定运行需求，此研究以位移传感器以及分布式光纤应变传感器作为系统的硬件单元，具体硬件单元设计过程如下：

1.1 位移传感器单元

位移传感器也被称为线性传感器，实质上是一种金属感应线性器件，将被测物理量转换为电量。依据设计系统需求，选取缩微光栅位移传感器获取大中型水闸位移变化信息[5]。缩微光栅位移传感器结构如图1所示。

图1 缩微光栅位移传感器结构示意图

大中型水闸沉降变形时，其位移变化存在于两个方向，即垂直方向与水平方向。故设计系统需要合理布置位移传感器监测点，选取72个缩微光栅位移传感器，在闸墩上下游两侧均匀布置48个传感器，用来监测水闸垂直位移信息；在闸墩上游侧布置24个传感器，用来监测水闸水平位移信息。

1.2 分布式光纤应变传感器单元

分布式光纤应变传感器能够监测光纤传输路径上的随时间变化信息，其监测范围更为广泛，能够弥补位移传感器的不足，帮助系统获取更加丰富的大中型水闸沉降变形信息。分布式光纤应变传感器结构如图2所示。

图2 分布式光纤应变传感器结构示意图

设计系统选取的分布式光纤应变传感器需要一定的使用环境条件，故此研究对分布式光纤应变传感器的性能参数进行分析，具体如表1所示。

表1 分布式光纤应变传感器性能参数表

分布式光纤应变传感器布置的合理性对水闸沉降变形监测至关重要[6]。此研究采用7个分布式光纤应变传感器，其布置方案如图3所示。

如图3所示，编号为1#、2#的传感器布置在水闸侧墙顶端，用于监测侧墙顶端应变情况；编号为3#、4#的传感器布置在水闸侧墙底端，用于监测侧墙底端应变情况；编号为5#、6#的传感器布置在闸门与检修闸门的凹槽处，用于监测闸门应变情况；编号为7#的传感器布置在闸室通道中部垂直方向，用于监测闸室混凝土应变情况。

图3 分布式光纤应变传感器布置方案

上述过程完成了位移传感器以及分布式光纤应变传感器的选型与布置，但是依然无法实现大中型水闸沉降变形的监测，故设计系统软件模块[7]。

2 大中型水闸沉降变形分布式监测系统软件模块设计

以设计硬件单元为基础，设计系统软件模块，其由分布式光纤应变传感器应变系数标定模块、垂直/水平位移监测模块、水闸沉降变形模型构建模块与数据库模块，具体软件模块设计过程如下：

2.1 分布式光纤应变传感器应变系数标定模块

为了保障设计系统的稳定运行，标定分布式光纤应变传感器的应变系数，其计算公式为

δf(z)=Cfε×Δε(z)

(1)

式中：δf(z)表示的是传感光纤的布里渊频移量；Cfε表示的是传感光纤的布里渊频率应变系数；Δε(z)表示的是作用于传感光纤z处的应变变化。

2.2 垂直/水平位移监测模块

位移监测模块主要分为两个方面，分别为垂直位移监测与水平位移监测[8]。垂直位移监测会产生一定的误差，其误差计算公式为：

(2)

式中：m表示的是垂直位移监测误差；m1与m2分别表示的是基准点下沉引起误差与监测引起误差。

水平位移监测采用空间极坐标定位原理，水闸水平位移空间直角坐标为：

(3)

式中：s表示的是斜距；α与β分别表示的是水平角与垂直角；k表示的是大气折光系数；R表示的是地球曲率半径。

水平位移监测原理如图4所示。

图4 水平位移监测原理示意图

2.3 水闸沉降变形模型构建模块

以上述模块获得的位移监测数据为基础，构建大中型水闸沉降变形模型，分析水闸沉降变形程度，衡量大中型水闸的安全状态[9]。

大中型水闸沉降变形由多种影响因素综合作用，例如自身重力、水压、地基变形、温度等因素[10]。而这些影响因素还会随着时间、环境等情况产生一定的变化。为了简化水闸沉降变形模型的构建过程，依据现有文献研究结果，选取水压、温度与时效三个基础因素，构建水闸沉降变形模型，其表达式为

Y(t)=F1[H上(t)]+F2[H下(t)]+F3[T(t)]+F4[θ(t)]+C

(4)

式中：Y(t)表示的是沉降变形(垂直/水平位移)监测值在时间t的估计数值；F1[H上(t)]表示的是沉降变形的上游水压分量；F2[H下(t)]表示的是沉降变形的下游水压分量；F3[T(t)]表示的是沉降变形的温度分量；F4[θ(t)]表示的是沉降变形的时效分量；C表示的是待定常数项[11]。

构建模型中的参数确定过程如下：

水压分量计算公式为

(5)

式中：ai与bi表示的是待定回归系数；H(t0)表示的是基面高程数值。

温度分量计算公式为

(6)

式中：ci表示的是待定回归系数；Ti(t)表示的是观测日气温；T(t0)表示的是起始观测日气温。

时效分量计算公式为

(7)

式中：d1与d2表示的是待定回归系数；ti表示的是观测时刻距初始时刻的时间(天数)。

2.4 数据库模块

数据库是整个设计系统正常运转的基础，高效、准确、实时的收集并处理复杂的大中型水闸沉降变形是设计系统开发的关键，如图5所示。

图5 数据库示意图

通过上述硬件单元与软件模块的设计，实现了大中型水闸沉降变形分布式监测系统的运行，为大中型水闸稳定、安全运行提供有效的保证[12]。

3 系统应用测试

为了验证设计系统与现有系统之间的性能差异，采用仿真平台设计实验，具体实验过程如下所示：

3.1 实验对象选取

实验选取山东德州某大中型水闸工程为对象。实验对象相关参数设置如表2所示。

表2 实验对象相关参数表

3.2 水闸安全评价体系构建

为了客观评价设计系统的性能，构建大中型水闸安全评价体系，具体如图6所示。

图6 大中型水闸安全评价体系图

通过多个专家打分确定大中型水闸安全评价指标权值与隶属度，为应用系统后水闸安全评价打下坚实的基础，具体数值如表3所示。

表3 大中型水闸安全评价指标权值与隶属度表

3.3 测试结果分析

以选取的实验对象，构建的大中型水闸安全评价体系为基础，应用设计系统与现有系统进行水闸沉降变形分布式监测系统，对系统应用后的水闸安全进行客观的评价。

通过实验得到水闸安全评价数值如表4所示。

表4 水闸安全评价数值表

常规情况下，当大中型水闸安全评价综合值大于0.899时，表明水闸达到设计标准，无影响正常运行的缺陷。依据表4数据显示，现有系统安全评价数值范围为0.523～0.899，设计系统安全评价数值范围为0.901～0.934。由数据可知，设计系统水闸安全评价数值更高，并均大于0.899，充分证明设计系统水闸沉降变形分布式监测性能更好。

4 结语

此研究设计了一种新的大中型水闸沉降变形分布式监测系统，极大的提升了水闸的安全性能，改善了现有系统存在的不足，能够为大中型水闸未来发展与应用提供更加有效的支撑，也为大中型水闸沉降变形的监测研究提供一定的帮助与参考。