郭曉翠,于 云,張運(yùn)保
(南水北調(diào)東線(xiàn)山東干線(xiàn)有限責(zé)任公司,山東 濟(jì)南 250109)
大屯水庫(kù)工程位于山東省德州市武城縣恩縣洼東側(cè),是南水北調(diào)東線(xiàn)一期魯北段工程的重要調(diào)蓄水庫(kù),為圍壩型平原水庫(kù)。大屯水庫(kù)設(shè)計(jì)最高蓄水位29.80 m,相應(yīng)最大庫(kù)容5209萬(wàn)m3,設(shè)計(jì)死水位21.00 m,死庫(kù)容745萬(wàn)m3,水庫(kù)調(diào)節(jié)庫(kù)容4464萬(wàn)m3,設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇。水庫(kù)圍壩壩軸線(xiàn)總長(zhǎng)8 913.99 m,最大壩高14.15 m,壩頂寬7.50 m,上游邊坡坡比為1∶2.75,下游邊坡坡比為1∶2.5。壩型為砂壤土均質(zhì)壩和裂隙粘土與砂壤土分區(qū)壩,上游壩坡采用預(yù)制混凝土塊護(hù)坡,下游壩坡27.60 m高程以上部分為草皮護(hù)坡,27.60 m高程以下部分為棄土平臺(tái)。水庫(kù)防滲采用壩體上游坡鋪設(shè)復(fù)合土工膜和庫(kù)底水平鋪膜相結(jié)合的防滲。大屯水庫(kù)工程于2010年11月25日正式開(kāi)工,2012年12月31日主體工程建設(shè)基本完成,2013年6月11日至6月26日,水庫(kù)成功完成了試通水工作,2017年6月水庫(kù)蓄水達(dá)到設(shè)計(jì)蓄水位。
安全監(jiān)控指標(biāo)是評(píng)估、監(jiān)測(cè)建筑物安全的重要指標(biāo),在安全監(jiān)控理論中占有重要地位。安全監(jiān)控指標(biāo)的重要任務(wù)是根據(jù)建筑物已經(jīng)抵御經(jīng)歷荷載的能力,來(lái)評(píng)估、預(yù)測(cè)抵御可能發(fā)生荷載的能力狀況,來(lái)確定在這種荷載組合下,監(jiān)控效應(yīng)量的警戒值,以達(dá)到在實(shí)際運(yùn)用時(shí)能及時(shí)發(fā)揮預(yù)警預(yù)報(bào)的作用。由于一些建筑物可能沒(méi)有遭遇最不利的工況,另外建筑物在抵御荷載的能力也在變化。所以,在實(shí)際工程中,擬定安全監(jiān)控指標(biāo)是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題,需要根據(jù)建筑物的工程特點(diǎn),結(jié)合工程地質(zhì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行等資料,研究監(jiān)控對(duì)象破壞機(jī)理和長(zhǎng)期運(yùn)行安全的主要影響因素,結(jié)合實(shí)測(cè)資料,用多種方法進(jìn)行分析論證。本次研究采用置信區(qū)間法進(jìn)行大屯水庫(kù)滲流監(jiān)測(cè)安全監(jiān)控指標(biāo)的擬定。
滲流監(jiān)測(cè)包括壩基測(cè)壓管監(jiān)測(cè)和壩基埋入式滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)兩種方式,共15個(gè)滲流監(jiān)測(cè)斷面、68個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。其中埋入式滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)斷面8個(gè),每個(gè)斷面設(shè)5個(gè)埋入式滲壓計(jì)測(cè)點(diǎn);測(cè)壓管監(jiān)測(cè)7個(gè)斷面,每個(gè)斷面設(shè)4根測(cè)壓管(內(nèi)安裝滲壓計(jì))。本次研究選取2014—2018年1+800斷面的4處測(cè)壓管滲流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及4+900斷面的5處埋入式滲壓計(jì)滲流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行分析,確定應(yīng)量與環(huán)境量變化之間的相關(guān)性。
1+800斷面測(cè)壓管水位總體上與庫(kù)水位相關(guān)性顯著,斷面不同點(diǎn)的管水位變化與庫(kù)水位相關(guān)性呈現(xiàn)從上游到下游逐漸減小的規(guī)律。即測(cè)壓管離上游越近,管水位變化與庫(kù)水位變化的相關(guān)性越強(qiáng),滯后性越不明顯。
1)特征值分析。1+800斷面的4處測(cè)壓管滲流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示:
表1 大屯水庫(kù)圍壩1+800斷面測(cè)壓管水位特征值統(tǒng)計(jì)表 m
2)時(shí)空規(guī)律分析。總體來(lái)看,1+800斷面測(cè)壓管滲透壓力規(guī)律明顯,與庫(kù)水位存在較好的相關(guān)性,見(jiàn)圖1。
圖1 1+800斷面測(cè)壓管水位過(guò)程線(xiàn)
由表2、圖2數(shù)據(jù)分析可知:埋入式滲壓計(jì)所測(cè)水位與庫(kù)水位相關(guān)性較好,并且總體上比測(cè)壓管水位與庫(kù)水位相關(guān)性要更明顯。
1)特征值分析。4+900斷面的5處埋入式滲壓計(jì)滲流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示:
圖2 4+900斷面滲壓計(jì)過(guò)程線(xiàn)
大屯水庫(kù)設(shè)計(jì)最高蓄水位29.80 m,死水位21.00 m。從實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)看,自2013年11月通水試運(yùn)行以來(lái),大屯水庫(kù)分別在2015年、2017年和2018年實(shí)現(xiàn)了三次正常調(diào)水。在2017年和2018年,大屯水庫(kù)共兩次到達(dá)設(shè)計(jì)最高水位29.8 m。大屯水庫(kù)所在區(qū)域?qū)倥瘻貛О霛駶?rùn)季風(fēng)性氣候,多年平均降水量558.8 mm,最大年降水量為1964年的1 047.7 mm,最小年降水量為1968年的297.0 mm。從運(yùn)行期大屯水庫(kù)實(shí)際經(jīng)歷荷載情況來(lái)看,較不利荷載主要為水庫(kù)運(yùn)行至最高水位時(shí)的荷載。結(jié)合大屯水庫(kù)經(jīng)歷荷載情況和滲流監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的資料分析成果,針對(duì)水庫(kù)壩基和壩體滲流監(jiān)測(cè)項(xiàng)目,利用置信區(qū)間法估算其監(jiān)控指標(biāo)。
表2 埋入式滲壓計(jì)4+900斷面特征值統(tǒng)計(jì)表 m
1)監(jiān)控模型的基本關(guān)系式。水庫(kù)滲流主要是受到水庫(kù)的水位、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:
式中:H為滲流量;Hh為水位分量;Hθ為滲流時(shí)效分量。
①水位分量。水庫(kù)水位的變化對(duì)水庫(kù)滲流有一定影響,并有一定滯后性,所以選擇監(jiān)測(cè)當(dāng)日水位,以及前7 d、前14 d的平均水位作為因子,水位分量表示為:
式中a1i為水庫(kù)水位分量的回歸系數(shù)(i=1~3);hui為分別為監(jiān)測(cè)日當(dāng)日、監(jiān)測(cè)日前第7 d、前第14 d的水庫(kù)平均水位;hu0i為初始監(jiān)測(cè)日上述各時(shí)段對(duì)應(yīng)的水庫(kù)水位平均值(i=1~3)。
②時(shí)效分量。水庫(kù)因?yàn)槭芏喾N因素的復(fù)雜作用,一般認(rèn)為正常運(yùn)行的水庫(kù),時(shí)效分量變化規(guī)律初期為變化急劇,后期的變化漸趨穩(wěn)定。時(shí)效因子一般選為θ和lnθ(θ為觀測(cè)日減去基準(zhǔn)日的天數(shù)),所以應(yīng)力的時(shí)效分量表示為:
2)監(jiān)控模型的創(chuàng)建。經(jīng)過(guò)計(jì)算、分析各影響量之間基本無(wú)相關(guān)性,因此采用逐步回歸的分析方法計(jì)算統(tǒng)計(jì)模型的參數(shù),建模時(shí)間段為2014—2018年,滲壓計(jì)開(kāi)始測(cè)量的時(shí)間也是分析時(shí)段的起始時(shí)間。監(jiān)控模型表示為:
3)模型分析。表3、表4為水庫(kù)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。詳細(xì)如表3、表4所示。
考慮滲壓越大,對(duì)壩體強(qiáng)度和穩(wěn)定越不利,所以從實(shí)際預(yù)警應(yīng)用角度出發(fā),基于模型方程和剩余標(biāo)準(zhǔn)差,估算出監(jiān)控指標(biāo),詳見(jiàn)表5。
表3 大屯水庫(kù)圍壩1+800斷面測(cè)壓管監(jiān)測(cè)回歸模型
表4 大屯水庫(kù)埋入式4+900斷面滲壓監(jiān)測(cè)回歸模型
表5 利用置信區(qū)間法估算的監(jiān)控指標(biāo) m
根據(jù)大屯水庫(kù)已經(jīng)經(jīng)歷的荷載情況和關(guān)鍵部位安全監(jiān)測(cè)資料分析的成果,依據(jù)不同監(jiān)測(cè)項(xiàng)目時(shí)空性態(tài)的規(guī)律和特點(diǎn),構(gòu)建安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控指標(biāo)。隨著運(yùn)行期間安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的積累,分析各建筑物安全運(yùn)行性態(tài),開(kāi)展關(guān)鍵部位安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)指標(biāo)研究工作,具有重要意義。
監(jiān)控指標(biāo)在不斷的變化,應(yīng)該加強(qiáng)觀測(cè)資料的日常整理與定期整編分析工作,做好數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)管理,監(jiān)控指標(biāo)只有和工程安全監(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)比分析,并通過(guò)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)用性才會(huì)越來(lái)越完善,才能更有效的對(duì)工程安全運(yùn)行的情況做出正確的判斷。