南水北調(diào)臺(tái)兒莊泵站揚(yáng)壓力安全監(jiān)控指標(biāo)擬定

張運(yùn)保，呂曉理，郭曉翠

(南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250109)

1 臺(tái)兒莊泵站概況

臺(tái)兒莊泵站是南水北調(diào)東線一期工程的第七級(jí)泵站，主要任務(wù)是抽引駱馬湖來水通過韓莊運(yùn)河向北輸送進(jìn)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(shí)現(xiàn)梯級(jí)調(diào)水目標(biāo)。臺(tái)兒莊泵站設(shè)計(jì)調(diào)水流量125m3/s，設(shè)計(jì)站上水位25.09m、站下水位20.56m，設(shè)計(jì)揚(yáng)程4.53m，平均揚(yáng)程3.73m；站下最高水位為22.50m，站上最高水位為25.50m。臺(tái)兒莊泵站為I等工程，主要建筑物為1級(jí)，次要建筑物為3級(jí)。

2 研究方法

安全監(jiān)控指標(biāo)是評(píng)估和監(jiān)測(cè)建筑物安全的重要指標(biāo)。估計(jì)安全監(jiān)控指標(biāo)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(píng)估和預(yù)測(cè)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(shí)際工程中，擬定安全監(jiān)控指標(biāo)是一個(gè)相當(dāng)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(jìn)行分析論證。本次研究采用置信區(qū)間法和典型監(jiān)測(cè)效應(yīng)量的小概率法進(jìn)行臺(tái)兒莊泵站揚(yáng)壓力安全監(jiān)控指標(biāo)的擬定。

3 臺(tái)兒莊泵站揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)資料分析

臺(tái)兒莊泵站在主廠房底板、副廠房和安裝間基礎(chǔ)、進(jìn)出水池和進(jìn)出水渠共布設(shè)滲壓計(jì)15支，本次對(duì)7#、11#、13#、21#滲壓計(jì)進(jìn)行分析，分析時(shí)段為2012年11月5日至2018年8月20日。以下基于原始觀測(cè)資料，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的特征值以及時(shí)空變化規(guī)律進(jìn)行重點(diǎn)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(jì)以及過程線所使用的數(shù)據(jù)均將揚(yáng)壓力換算成揚(yáng)壓水位，各測(cè)點(diǎn)特征值統(tǒng)計(jì)見表1。

3.2 時(shí)空規(guī)律分析

由圖1至圖4可以看出揚(yáng)壓水位受河道運(yùn)行水位的影響比較大，當(dāng)河道水位升高時(shí)，揚(yáng)壓水位增大；當(dāng)河道水位降低時(shí)，揚(yáng)壓水位減小。此外，相較于河道水位，各處揚(yáng)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(yuǎn)，滯后效應(yīng)越明顯。

圖1 臺(tái)兒莊泵站7#滲壓計(jì)水位過程線

表1 臺(tái)兒莊泵站滲壓計(jì)特征值統(tǒng)計(jì)表

圖2 臺(tái)兒莊泵站11#滲壓計(jì)水位過程線

圖3 臺(tái)兒莊泵站13#滲壓計(jì)水位過程線

圖4 臺(tái)兒莊泵站21#滲壓計(jì)水位過程線

4 揚(yáng)壓力安全監(jiān)控指標(biāo)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(yáng)壓力主要受河道水位、時(shí)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(yáng)壓力；Hh—水位分量；Hθ—時(shí)效分量。

(1)水位分量。河道水位變化對(duì)泵站揚(yáng)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(cè)日當(dāng)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(cè)日當(dāng)天、監(jiān)測(cè)日前第7天、前第14天的河道平均水位；hu0i—初始監(jiān)測(cè)日上述各時(shí)段對(duì)應(yīng)的河道水位平均值(i=1～3)。

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

表2 泵站滲壓計(jì)的回歸模型

Hθ=b1θ+b2lnθ

(3)

4.1.2模型創(chuàng)建

經(jīng)過計(jì)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(jì)算統(tǒng)計(jì)模型參數(shù)，建模時(shí)段為2013年5月21日至2018年8月25日，分析時(shí)段的起始時(shí)間為儀器開始測(cè)量的時(shí)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(jì)統(tǒng)計(jì)模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)R、剩余標(biāo)準(zhǔn)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(jì)中僅測(cè)點(diǎn)21#的復(fù)相關(guān)系數(shù)達(dá)0.74，表明實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的建模效果較好；其余4個(gè)測(cè)點(diǎn)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(biāo)估算

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

(5)

式中，Hm—監(jiān)控指標(biāo)；H—模型計(jì)算極值；S—剩余標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)志實(shí)測(cè)值落在監(jiān)控指標(biāo)范圍內(nèi)的概率。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，一般取K=2，此時(shí)置信水平為95.4%。

模型計(jì)算極值的確定首先需求出最不利荷載組合，這是一個(gè)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(yáng)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(dá)到最高時(shí)作為最不利時(shí)刻，實(shí)際計(jì)算時(shí)選取26.51m為出水池最高水位?；谀Ｐ头匠毯褪Ｓ鄻?biāo)準(zhǔn)差，估算出測(cè)點(diǎn)21#監(jiān)控指標(biāo)為22.54m，如圖5所示。

圖5 滲壓計(jì)21#實(shí)測(cè)值和模型值過程線

4.2 典型監(jiān)測(cè)效應(yīng)量的小概率法

(1)子樣的選擇

臺(tái)兒莊泵站從2013年5月25日運(yùn)行以來經(jīng)歷了不同工況的考驗(yàn)，根據(jù)實(shí)測(cè)資料可知，揚(yáng)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(chǎng)缺少降雨和氣溫等環(huán)境量的實(shí)測(cè)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(yáng)壓力子樣統(tǒng)計(jì)情況見表3—7。

表3 測(cè)點(diǎn)7#揚(yáng)壓水位特征值統(tǒng)計(jì)表 單位：m

表4 測(cè)點(diǎn)11#滲壓水位特征值統(tǒng)計(jì)表 單位：m

表5 測(cè)點(diǎn)13#滲壓水位特征值統(tǒng)計(jì)表 單位：m

表6 測(cè)點(diǎn)15#滲壓水位特征值統(tǒng)計(jì)表 單位：m

表7 測(cè)點(diǎn)21#滲壓水位特征值統(tǒng)計(jì)表 單位：m

(2)分布檢驗(yàn)

K-S法是Kolmogorov于1933年提出，經(jīng)Smirnov進(jìn)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(yàn)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(jì)量Dn。

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

表8 泵站滲壓計(jì)樣本K-S檢驗(yàn)成果

(3)監(jiān)控指標(biāo)估算

由統(tǒng)計(jì)理論可知，當(dāng)α足夠小時(shí)，可以認(rèn)為這是一個(gè)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(duì)泵站揚(yáng)壓水位取α為1%時(shí)的值，得到揚(yáng)壓水位的安全監(jiān)控指標(biāo)，見表9。

表9 利用典型小概率法估算臺(tái)兒莊泵站揚(yáng)壓力水位預(yù)警值 單位：m

5 結(jié)論與建議

(1)針對(duì)臺(tái)兒莊泵站揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)，觀測(cè)序列長、測(cè)量成果可靠且規(guī)律性明顯，基于運(yùn)行期間的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采取置信區(qū)間法和典型監(jiān)測(cè)效應(yīng)量的小概率法來進(jìn)行監(jiān)控指標(biāo)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(xué)物理統(tǒng)計(jì)模型，可以估算其安全監(jiān)控指標(biāo)。

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

(3安全監(jiān)控指標(biāo)只有與工程安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)時(shí)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作對(duì)比，發(fā)出預(yù)警預(yù)報(bào)，才能最大限度地發(fā)揮它的價(jià)值；另一方面，通過不斷經(jīng)歷實(shí)際工況的檢驗(yàn)和校正，監(jiān)控指標(biāo)的可靠性和實(shí)用性愈發(fā)完善，也能更加快速有效地對(duì)工程安全運(yùn)行性態(tài)做出判斷。