淺談地震期間混凝土大壩變形監(jiān)測分析方法及經(jīng)驗(yàn)

李 瑞，秦 濤，張忠舉

(1.四川省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，成都，610500；2.南京水利水文自動(dòng)化研究所，南京，210012)

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淺談地震期間混凝土大壩變形監(jiān)測分析方法及經(jīng)驗(yàn)

李 瑞1，秦 濤1，張忠舉2

(1.四川省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，成都，610500；2.南京水利水文自動(dòng)化研究所，南京，210012)

本文以四川某水電站混凝土大壩為研究對(duì)象，利用四川汶川5.12地震和雅安4.20地震期間的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)大壩安全性進(jìn)行分析，并對(duì)相應(yīng)的分析方法進(jìn)行總結(jié)，可為類似電站在地震期間的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析提供一定的參考和借鑒作用。

地震 多元線性回歸 大壩變形監(jiān)測 水平位移 點(diǎn)位分布

1 引言

四川為地震高發(fā)地區(qū)，境內(nèi)有鮮水河地震帶、安寧河-則木河地震帶、金沙江地震帶、松潘-較場地震帶、龍門山地震帶等多個(gè)地震帶，近年來地震頻發(fā)。而四川水力資源較為豐富，水電開發(fā)總量在全國名列前茅，對(duì)地震期間大壩變形監(jiān)測資料分析的目的是掌握閘壩、電廠運(yùn)行期的工作狀態(tài)，以保證閘壩、電廠能安全正常運(yùn)行。目前對(duì)大壩監(jiān)測資料進(jìn)行分析主要有定性分析和定量分析，其中定性分析為歷年資料對(duì)比法、點(diǎn)位分布圖法，定量分析主要為數(shù)學(xué)建模法。

2 工程概況

四川某電站工程位于四川省閬中市河溪鎮(zhèn)境內(nèi)，距閬中市城區(qū)11km，上游接沙溪場梯級(jí)，下與紅巖子梯級(jí)相連，是一座航運(yùn)、發(fā)電及旅游綜合利用的工程。該航電樞紐工程由船閘、發(fā)電廠房、泄洪閘、沖砂閘和左、右岸接頭壩組成，壩頂全長529.93m，壩頂高程為363.00m。該電站前后經(jīng)歷過汶川5.12地震和雅安4.20地震考驗(yàn)，本文主要以大壩水平位移為例并選擇代表性的點(diǎn)位進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

大壩水平位移采用視準(zhǔn)線(小角度法)觀測。壩頂共布置16個(gè)測點(diǎn)，視準(zhǔn)線布置于壩頂上游側(cè)，從右至左編號(hào)為A01～A16；兩個(gè)相互通視的工作基點(diǎn)，編號(hào)LA11～LA12，工作基點(diǎn)與壩頂測點(diǎn)能通視，大壩工作基點(diǎn)左右岸兩端延長線各布設(shè)一基準(zhǔn)點(diǎn)，基準(zhǔn)點(diǎn)編號(hào)為LA09、LA13。

圖1 大壩測點(diǎn)布置

3 監(jiān)測資料分析方法

3.1 歷年各期資料對(duì)比法

將大壩歷年各期資料匯總成數(shù)據(jù)庫，將地震期間監(jiān)測數(shù)據(jù)與震前數(shù)據(jù)、歷年同期數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。為增強(qiáng)數(shù)據(jù)對(duì)比的直觀性，本文僅選擇大壩單號(hào)測點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制成大壩水平位移過程線圖，圖中矩形框所標(biāo)記數(shù)據(jù)為震后監(jiān)測數(shù)據(jù)。

圖2 大壩水平位移過程線

從大壩水平位移過程線圖可以看出：大壩震后與震前測值接近，并未發(fā)生數(shù)據(jù)突變等異常現(xiàn)象，且震后測值并未超過歷年最大特征值；其中2008年5.12地震期間，溫度偏低，5月份監(jiān)測期間并未出現(xiàn)明顯溫升，造成測點(diǎn)的變形規(guī)律有所延遲，6月份之后變形規(guī)律性恢復(fù)正常；將地震期間監(jiān)測數(shù)據(jù)與歷年同期監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比可知，各年度同時(shí)期的測值接近，大壩測點(diǎn)變形規(guī)律較好，受壩體熱脹冷縮影響，測點(diǎn)測值呈季節(jié)性變化，地震的發(fā)生并未對(duì)這種變形規(guī)律產(chǎn)生明顯影響。

3.2 點(diǎn)位分布圖分析法

點(diǎn)位分布圖法主要是將地震前后各期監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制成點(diǎn)位分布圖，其中X表示測點(diǎn)布置情況，Y方向表示測點(diǎn)位移量。將地震前后位移斷面分布線進(jìn)行對(duì)比，分析地震前后大壩各壩段位移分布情況是否一致，地震的發(fā)生是否使各壩段之間增加錯(cuò)動(dòng)變形情況。

圖3 大壩水平位移點(diǎn)位分布

從圖3可以看出，震前、震后測點(diǎn)水平位移點(diǎn)位分布線平行，說明各壩段震前、震后相對(duì)位移一致，地震并未造成各壩段之間錯(cuò)動(dòng)變形。

3.3 數(shù)據(jù)模型法

對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)建模，各觀測點(diǎn)位移主要受水壓、溫度和時(shí)效的影響，因此，位移的統(tǒng)計(jì)模型包括水壓、溫度和時(shí)效分量，即：

δ=δH+δr+δθ

(1)

式中：δ——位移值；

δH——水壓分量；

δr——溫度分量；

δθ——時(shí)效分量。

通常影響壩體位移的主要因素是上、下游水位、壩體溫度、時(shí)效。其中，因運(yùn)行期大壩的壩體溫度取決于外界溫度，且其間存在滯后現(xiàn)象，因此，壩體溫度可用大氣溫度及其一系列“滯后”因子來表示。在進(jìn)行變形建模分析過程中，采用多元回歸法計(jì)算，主要考慮了如下影響因子：

(1)上游水位H：測值(H-H0)的1、2、3次方；

(2)壩區(qū)氣溫T：選取前1、3、7、15、30、45、60、90、120、150、180d平均溫度測值；

(3)時(shí)效t：ln(1+t)，其中t=t′/30，t′為測時(shí)日期距分析起始日期的時(shí)間長度(天)。

本文數(shù)據(jù)建模主要以多元線性回歸為主，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)回歸，然后將各分量進(jìn)行分離，并對(duì)各分量的變化趨勢進(jìn)行分析。

圖4 大壩水平位移各影響因子分量圖

由圖4可以看出，水平位移溫度分量隨溫度呈季節(jié)性變化，變化幅度在5mm之內(nèi)；大壩蓄水初期，水位上升，水位分量有所增加，蓄水期間水位分量影響在7mm之內(nèi)，大壩運(yùn)行期，庫水位變化不大，水位分量隨水位變化呈少量波動(dòng)，運(yùn)行期水位分量影響在1mm左右；水平位移時(shí)效分量運(yùn)行初期有所增加，但隨著時(shí)間的推移逐步趨于收斂，時(shí)效分量影響在-6mm～2mm之間；2008年5.12地震和2013年4.20地震期間，時(shí)效分量并未成為某種變形趨勢的節(jié)點(diǎn)或者改變原有的變形趨勢。

現(xiàn)分別利用2006年至2008年4月和2006年至2013年3月兩個(gè)時(shí)間段震前監(jiān)測數(shù)據(jù)建模，將震后水位H、溫度T、時(shí)效t作為已知量，對(duì)2008年5月和2013年4月震后數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測，將預(yù)測數(shù)據(jù)和實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，分析震后各測點(diǎn)水平位移變形趨勢，若預(yù)測數(shù)據(jù)與震后實(shí)測數(shù)據(jù)一致，說明測點(diǎn)位移按原有規(guī)律進(jìn)行變化，地震對(duì)大壩位移無影響或者影響不明顯。

表1 2008年5月份監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)測成果 單位：mm

從表1可以看出，預(yù)測值和實(shí)測值的差值大都在±1mm之內(nèi)，考慮到觀測誤差、模型精度等因素的影響，可以認(rèn)為震后測點(diǎn)測值變形規(guī)律和震前一致，兩次地震并未對(duì)大壩壩體水平位移產(chǎn)生明顯影響，大壩壩體變形主要受溫度、水位、時(shí)效等因素的綜合影響。如若遇到預(yù)測值和實(shí)測值之間差值較大的情況，可以對(duì)預(yù)測值進(jìn)行區(qū)間估計(jì)，同時(shí)根據(jù)實(shí)測值和區(qū)間估計(jì)值計(jì)算出地震對(duì)大壩位移影響量大小。

4 結(jié)語

通過上述不同方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出了地震對(duì)該電站壩體無影響或者影響較小的結(jié)論。值得注意的是，由于地震有可能造成工作基點(diǎn)的變動(dòng)，因此應(yīng)在震后對(duì)監(jiān)測網(wǎng)進(jìn)行全面復(fù)測，以保證壩體變形測值的準(zhǔn)確性。另外本文主要是以某一混凝土大壩為例進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，選擇的模型為多元回歸模型，在實(shí)際工作中可以根據(jù)壩型結(jié)構(gòu)的差異選擇其它數(shù)據(jù)模型。

筆者認(rèn)為針對(duì)地震期間的監(jiān)測數(shù)據(jù)，應(yīng)綜合利用各種分析方法，分析測點(diǎn)測值變化是地震，還是水位、氣溫等外部環(huán)境因素變化引起的，且使用的各種分析方法應(yīng)對(duì)分析結(jié)論有相互印證的作用。

〔1〕SL601-2013，混凝土壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范[S].

〔2〕何金平.大壩安全監(jiān)測理論與應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

〔3〕申惟文.混凝土重力壩變形監(jiān)測統(tǒng)計(jì)模型研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2014.

〔4〕王德厚.大壩安全與監(jiān)測[J].水利水電技術(shù)，2006，40(1)：1-9.

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