渗流渗压人工与自动监测数据差异性诊断与分析

2020-03-12熊小虎江德军

水力发电 2020年12期

熊小虎，冯俊，彭涛，江德军

(国电大渡河流域水电开发有限公司，四川成都610000)

渗流渗压监测是大坝安全监测的重要组成部分[1]，大坝渗流监测系统是水利枢纽安全运行的重要保证。大坝建成蓄水后，在水头作用下坝体、坝基和坝肩会出现渗流现象，这对大坝运行是不利的，但又是不可避免的。渗流过大有可能引起大坝的失事和破坏，渗流问题是大坝设计、施工和运行管理的关键问题[2]。

实践证明，原型观测是监控大坝运行状态最真实的行之有效的方法，因而被大多数工程所采用。国际大坝委员会第23号会刊的报告中指出：“坝基扬压力和渗流量的观测是最直接的也是最有意义的安全措施。如果是重力坝，这些观测是头等重要的”。传统的原型观测、数据资料处理和分析工作主要依赖于人工，作业安全风险大，观测人员多，劳动强度大，采集效率低，尤其是遇有感地震、暴雨、特大洪水等紧急灾害时，人工测量无法及时开展，不能准确掌控工程安全性态，容易延误时机，造成不必要的损失。随着现代科学技术的进步，大坝安全监测和管理逐渐向自动化、信息化、智能化的方向发展，大坝安全监测技术趋于成熟化和实用化[3]，自动化监测代替人工将会是时代发展的必然趋势。

大坝安全监测自动化系统相较于人工观测在数据采集、数据管理、数据处理分析、测值预报和安全性评估等方面的确有诸多优势，但到目前为止，自动化监测仍做不到完全替代人工观测，究其原因主要是自动化监测系统的可靠性和稳定性还不能满足长期运行的需要，自动化监测数据的真实性还主要依赖于人工手段进行判断和甄别。本文以瀑布沟水电站渗流自动化监测系统和人工观测的实际运行情况为依托，深入诊断与分析渗流渗压人工与自动监测数据差异性的原因，进一步提升大坝渗流自动化监测系统运行可靠性和稳定性，为水电工程大坝渗流自动化监测系统故障诊断和消缺维护提供一定的参考和借鉴。

1 工程概述

1.1 工程概况

瀑布沟水电站是一座以发电为主，兼有防洪、拦沙等综合利用效益的大型水电工程。大坝为砾石土心墙堆石坝，最大坝高186 m，水电站正常蓄水位850.00 m，汛期运行限制水位841.00 m，死水位790.00 m，总库容53.37亿m3，为不完全年调节水库。瀑布沟水电站安全监测系统涉及挡水建筑物、引水发电建筑物、泄水放空建筑物、尼日河引水工程、近坝库岸边坡、运行期泄洪雾化影响边坡以及导流洞堵头，主要监测项目包括变形监测、渗流监测、应力应变及温度监测、地震监测、环境量监测等。

1.2 渗流监测设施及布置

瀑布沟水电站渗流监测包括坝体与坝基渗透压力、绕坝渗流(含近坝区地下水位)及渗流量。因量水堰运行效果较好且人工与自动监测数据差异性处理方法较为简单，本文重点对大坝扬压力和绕坝渗流进行分析。扬压力监测设施布置在大坝基础廊道和左右岸灌浆平洞内，共布置36个测点，用以监视左右岸灌浆平洞和大坝基础廊道扬压力变化情况。绕坝渗流监测设施分别布置在大坝左右两岸，共22个测孔，用以监视绕坝渗流对坝体两端浸润线及坝基渗压的影响，了解伸入两岸山体的帷幕灌浆防渗效果以及两岸山体本身的渗透稳定性和坝体与岸坡混凝土板接触面的渗透稳定性。其中，扬压孔人工监测采用压力表、电测水位计或钢卷尺按规定频次定期进行数据采集；绕渗孔人工监测采用电测水位计进行数据采集；扬压孔和绕渗孔自动监测通过测控装置对埋设于孔内的渗压计按设定频次定时进行数据采集。大坝扬压力测点布置见表1。

表1 瀑布沟水电站大坝扬压力测点布置

2 差异性诊断与分析

2.1 人工与自动测值比对方法解析

大坝渗流渗压监测人工、自动比对一般采用过程线比较或者方差分析进行对比[4]。过程线比较是取某测点同一时间序列的自动化测值和人工测值，分别绘出自动化测值过程线和人工测值过程线，进行规律性和测值变化幅度的比较。方差分析是取某些测点试运行期自动化监测和人工比测同一观测时间的测值，然后分别组成自动化测值序列和人工测值序列，计算其标准差σz、σr，再设某一测点的自动化测值为Xz，人工测值为Xr，则两者差值为

δ=|Xr-Xz|

取δ<2σ，其中均方差为

目前国际上美国基康公司生产的4 500振弦式渗压计较为先进，应用最为普遍和广泛，其线性计算公式自动化监测标称精度为量程的5‰，则170 kPa型标称精度为

170×1 000×5‰=8.5 cm

350 kPa型标称精度为

350×1 000×5‰=17.5 cm

500 kPa型标称精度为

500×1 000×5‰=25.0 cm

人工测量精度为1 cm，则根据方差计算公式可以算出：170 kPa型渗压计允许的误差范围为±2×8.56 cm，350 kPa型渗压计允许的误差范围为±2×17.53 cm，500 kPa型渗压计允许的误差范围为±2×25.02 cm。

过程线比较能直观反映人工、自动测值的变化过程和趋势，简单实用可操作性强。方差分析涉及人工、自动测值时间和测次的一致性，条件苛刻且计算相对复杂，主要用于系统建成的试运行阶段或一定运行时间之后定期按年度进行评判，以论证系统的可靠性。在渗压计实际运行过程中，受各种因素的影响，人工与自动监测数据差一般在1～2 m，有的甚至达到数米，已经远远超过渗压计允许的误差范围，单纯通过允许误差对渗压计运行性态进行判定显然不太切合实际。

2.2 差异性原因探究

2.2.1现场误差来源分析

渗压计按仪器类型可以分为差动电阻式、振弦式、压阻式及电阻应变片等，其中振弦式目前在国内外应用最为普遍和广泛[5-7]。振弦式渗压计埋设于测压管、坝体或建筑物基础内，水压力经透水石作用在渗压计的弹性膜片上，引起振弦应力的变化，从而改变振弦的振动频率。利用钢弦的振动频率来感知振弦并测量其振动频率，频率信号经电缆传输至读数装置，即可测出水荷载的压力值[8]。渗压计从施工期安装埋设到运行期接入自动化系统，现场误差来源主要表现在以下几个方面：

(1)结构特性。钢弦用预定的张力固定，在长期受力状态下，钢弦固定端的滑移或者钢弦的徐变可能造成测值漂移。

(2)仪器选型。渗压计量程与被测水压力值不匹配，导致测值精度不高或部分情况下无测值。

(3)安装方式。①部分测点渗压计安装过高，导致全年或部分时段无法观测到渗压力。②渗压计安装时，渗压计包裹后直接悬挂在孔内，会造成传感器出口部位电缆直接承受拉力，导致电缆出口部位止水效果下降。传感器一旦进水，就会使绝缘性下降，出现测值不稳甚至无测值现象，或因测量信号干扰导致测量出负值。③部分测孔存在管内卷缩大量电缆，在进行人工观测时电测水位计探头的测绳会与仪器电缆缠绕，往上提拉的过程会改变渗压计的位置，导致自动测值出现突变。④部分测孔存在渗压计触底现象，渗压计外包土工布表面有泥沙、泥浆附着，部分测孔地下水有钙化物析出，附着在渗压计表面，测值表现为紊乱或无测值。

(4)运行管理。①施工期施工单位未妥善保管仪器埋设考证表、仪器检定证书，导致运行期无从查证，只能沿用原有存在疑问的参数。②部分施工单位未充分率定频率初值，通过人为修改埋设高程，达到假一致的表象。③野外环境下仪器电缆在运行过程中遭遇意外断裂，在接线时未严格查证，仪器电缆与仪器编号发生错乱、不匹配，致使测值序列发生突变。④测压管更换渗压计、孔口装置改造后，渗压计参数、孔口高程、压力表高程未及时复核更新。⑤压力表、玻璃管等接头部位有渗水现象，降低了渗透压力。⑥自动化采集装置端子存在松弛现象，导致测值不稳或突变。

2.2.2理论误差分析

渗压计渗透压力计算公式有两种，分别为线性公式和多项式公式，即

P=G·(R1-R0)+K·(T1-T0)-(S1-S0)

(1)

(2)

式中，P为渗透压力，kPa；G为线性灵敏度系数；A、B、C为多项式灵敏度系数；K为温度修正系数；R1为本次测量频率值；R0为初始测量频率值；T1为本次测量温度值，℃；T0为初始测量温度值，℃；S0为初始大气压力值，kPa。

Z=Z0+P/9.8

(3)

式中，Z为渗压水位，m；Z0为渗压计埋设高程，m。

除通气型渗压计外，标准渗压计是密封而不通气的，多数情况下并不需要进行气压修正。对于高灵敏度的低压型号，可能需要修正。修正是假设在理想条件下，实际上条件并不是理想的。如果测压管或井是密封的，气压对渗压计的影响可能很小，或者实际的表面变化被减弱。这样，应用气压修正时反而可能产生误差。鉴于此，式(1)和式(2)中的气压修正项可以省略[9]。

省略式(1)和式(2)中的气压修正项后，将式(3)分别代入式(1)、(2)可得

Z=Z0+P/9.8=
Z0+[G·R1+K·T1-(G·R0+K·T0)]/9.8=
(G·R1+K·T1)/9.8+
[Z0-(G·R0+K·T0)/9.8]

(4)

(5)

对于式(2)，当渗压计位于扬压孔水面处时，

(6)

当渗压计放至指定埋设高程时，

P=AR2+BR+C+K·(T-T0)

(7)

式中，R初、T初分别为渗压计位于扬压孔水面处时测量频率值和温度值。

(7)-(6)可得

(8)

将式(8)代入式(3)可得

(9)

由式(4)和式(9)可知，式(4)、(5)的前半部分属于变化量，决定自动测值过程线的趋势性；后半部分属于常数，决定自动测值过程线位置。

综上可知，当渗压计人工与自动监测数据过程线变化规律表现不一致时，必然是公式中前半部分灵敏度系数、温度修正系数有所偏差，需要重新进行参数率定；当渗压计人工与自动监测数据过程线变化规律表现一致，但两者之间存在固定差时，必然是公式中后半部分渗压计埋设高程、初始频率、初始温度等初始测量参数不准确，在此情况下可以直接对固定差通过加减常数的形式进行偏差修正。

3 差异性处理及效果

3.1 现场误差处理

(1)结构特性。针对长期运行后渗压计测值出现漂移的情况，在选择渗压计时尽量选择稳定、可靠的渗压计，并加强日常监测数据的审核、分析，及时进行参数修正、率定。

(2)仪器选型。渗压计选型应统计或预估该测孔历年最大、最小渗压水柱，以最大渗压力在渗压计量程的2/3范围内的原则确定渗压计量程。

(3)安装方式。①渗压计安装位置应常年在最低渗压水位以下。②当仪器电缆较长和包裹较重时，应采用钢绳悬挂固定的方式，避免电缆长期受力影响测值。③合理预留电缆长度，富裕量控制在5%范围内，并将多余的电缆卷缩在孔外位置，避免意外产生接头的同时降低缠绕的风险，同时孔径较小的测孔可适当降低或取消人工观测频次。④安装渗压计时提前对孔深进行复核，并根据历年最低渗压水位确定渗压计埋设高程，并定期复核孔深，检查孔底淤积情况。

(4)运行管理。在施工期派专业技术人员对重点项目进行全过程跟踪和管控，收集相关资料。在运行初期开展全面普查，复核测点孔口高程、渗压计埋设高程、孔底高程、频率初值、温度初值，系统梳理长序列监测数据，确定仪器电缆和测点编号的一致性；对灵敏度系数、温度修正系数有疑虑的渗压计，从孔中提出抄取仪器序列号，确认相关参数，建立健全全生命周期渗流监测设施台帐。运行期监测设施进行技改、检修后参数有变动时做好记录，及时更新使用；加强监测设施的日常巡查，注重日常数据审核，及时发现异常，及时处理。

3.2 差异性处理流程

根据渗压计埋设方式，渗压计分为可更换和不可更换两种类型，两者人工与自动监测数据差异性处理方法不尽相同。对于可更换的渗压计，若人工与自动过程线规律性一致性较好，可复核渗压计埋设高程、初始频率值R0和初始温度值T0，消除固定差，如果经多次复核后人工与自动仍存在固定差，可能是由于渗压计零点漂移造成的，可直接对R0进行修正；若人工与自动过程线规律一致性较差，可按米对渗压计进行性能测试，确定损坏之后更换渗压计。对于不可更换的渗压计，若人工与自动过程线规律性一致性较好，可直接对渗压计埋设高程、初始频率值R0和初始温度值T0进行修正，消除固定差；若人工与自动过程线无明显相关性，可依据人工监测数据对灵敏度系数G、温度修正系数K进行反分析。渗压计人工与自动监测数据差异性消缺流程见图1。

图1 渗压计人工与自动监测数据差异性消缺流程

3.3 差异性处理效果

通过对瀑布沟水电站渗流自动化系统投运以来扬压孔、绕渗孔人工与自动化监测数据过程线对比分析可知，扬压孔、绕渗孔总体上运行良好，人工与自动测值吻合度高，变化规律和趋势基本一致。以扬压孔UP18和绕渗孔RK10为例，对人工与自动测值差异性进行分析，UP18人工与自动测值时间过程线的变化规律及趋势一致性较好，但人工与自动测值分别存在0.77 m左右的固定差，固定差值整体不大且较为稳定，分析原因可知，是渗压计埋设高程偏差或渗压计零点漂移造成的。经复核渗压计埋设高程、初始频率值R0和初始温度值T0，参数更新后渗压计固定差减小至0.2 m以内。RK10在水位较高时人工与自动过程线一致性较好，水位较低时渗压计测值为常数，人工与自动测值存在不同幅度的随机差，经分析可知，渗压计埋设高程高于孔内最低水位，复核孔深后将渗压计埋设高程降低至最低水位以下，人工与自动测值过程线一致性良好，人工与自动测值差维持在0.2 m以内，如图2所示。

图2 人工与自动监测数据过线

表2 4座水电站站渗压计差异性处理前后人工自动差异统计

继瀑布沟水电站之后，又从理论和现场实践两方面对深溪沟、龚嘴、铜街子水电站渗流渗压监测系统人工自动监测数据差异性进行了诊断、分析以及处理，4座站渗流渗压人工自动监测数据差异性明显缩小，整体运行效果显著提升。根据统计结果，4座水电站人工自动监测数据差值小于1 m的渗压计由76.4%提升到95.1%，人工自动监测数据差值在1～2 m之间的渗压计由15.0%下降到4.1%，人工自动监测数据差值大于2 m的渗压计由8.6%下降到0.8%，并且大于2 m的渗压计人工自动监测数据规律和变化趋势一致性较差，需要重新率定或更换。