某高面板堆石壩運行期沉降特性模型分析

唐朝 史波

摘要：為判斷某高面板堆石壩運行期的工作性態(tài)，定性分析了壩體內(nèi)部沉降監(jiān)測成果，并建立運行期壩體內(nèi)部沉降統(tǒng)計模型，定量分析運行期沉降影響因素，并采用基于統(tǒng)計模型的運行期壩體內(nèi)部沉降分析方法來判別變形穩(wěn)定性。分析成果表明，壩體內(nèi)部沉降變形規(guī)律正常，分析規(guī)律協(xié)調(diào)，運行期時效變形是沉降變化主要影響因素，蓄水7～8年之后沉降變化趨于穩(wěn)定，沉降性態(tài)正常。

關(guān)鍵詞：高面板堆石壩;沉降;運行期;統(tǒng)計模型;沉降穩(wěn)定性

1 工程概述

某水電樞紐工程位于甘肅省，是黑河中上游梯級水電站。樞紐工程等別為Ⅱ等，主要建筑物級別為2級，樞紐主要由面板堆石壩、溢洪道、發(fā)電涵洞及廠房、變電站等主要建筑物組成。水庫正常蓄水位1920.00m，設(shè)計洪水位1921.00m，校核洪水位1923.00m。

大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高146.50m，壩頂高程1924.5m，壩頂寬度10.50m，壩頂長度190.64m。上游壩坡1：1.5;下游壩坡1：1.5～1：1.4，坡間設(shè)有2.5m寬的馬道，平均壩坡1：1.498。本工程于2001年底正式開工建設(shè)，于2004年開始大壩堆石體填筑，2005年底大壩壩體填筑至壩頂高程，2005年12月下閘蓄水，2006年之后上游水位基本穩(wěn)定。工程于2007年通過竣工安鑒，正式轉(zhuǎn)為運行期。

2 壩體內(nèi)部沉降監(jiān)測布置

監(jiān)測測點布置是大壩安全監(jiān)測設(shè)計的基本內(nèi)容，測點布置合理性與有效性對監(jiān)控大壩安全、提高監(jiān)測系統(tǒng)的針對性具有重要意義。

某高面板堆石壩采用水管式沉降儀來監(jiān)測典型斷面壩體沉降，共布置3個內(nèi)部沉降監(jiān)測斷面，河床斷面（主監(jiān)測斷面）內(nèi)部沉降監(jiān)測布置見圖1，河床斷面共布置3個典型高程內(nèi)部沉降監(jiān)測測線，測點高程間距20m～30m，每條測線布置4～6個沉降測點，測點間距20m～60m，測讀裝置集中布置在每條測線下游壩坡的觀測房內(nèi)，觀測房頂設(shè)有下游壩坡表面垂直位移觀測墩。

3 壩體內(nèi)部沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)常規(guī)分析

3.1 壩體內(nèi)部沉降時程變化過程分析

壩體內(nèi)部水管式沉降儀代表性測點實測垂直位移變化過程線見圖2，其中垂直位移向下沉方向變形為正，向上抬方向變形為負(fù)。結(jié)合壩體填筑和蓄水過程，可知壩體內(nèi)部沉降具有如下特點：

（1）壩體內(nèi)部沉降各測點均表現(xiàn)為向下沉方向變形，沉降主要發(fā)生在填筑期和蓄水初期，蓄水結(jié)束后，沉降前期緩慢增長，后期逐漸收斂。

（2）各沉降測線最大沉降量均發(fā)生在壩軸線或其附近的測點處，斷面中部測點沉降量相對較大，上下游側(cè)測點沉降量相對較小，符合一般規(guī)律性。

3.2 壩體內(nèi)部沉降特征值分析局限性

壩體內(nèi)部沉降特征值分析是面板堆石壩分析的一個主要內(nèi)容，但是由圖2可見，轉(zhuǎn)為運行期后，由于儀器性態(tài)下滑以及日常維護(hù)不到位等因素影響，沉降測值出現(xiàn)突變、毛刺等異常波動現(xiàn)象，實測壩體內(nèi)部沉降值雖然總體上可以反映運行期壩體內(nèi)部沉降規(guī)律，但是在分析壩體內(nèi)部沉降特征值時容易給出異?；蝈e誤數(shù)據(jù)，在分析沉降變化量時尤為明顯，故在分析此類內(nèi)部沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)時，有必要對沉降測值過程線進(jìn)行必要的處理，盡可能消除誤差影響。

4 基于統(tǒng)計模型的運行期壩體內(nèi)部沉降分析

4.1 建模原理和方法

監(jiān)測統(tǒng)計模型是一種根據(jù)已取得的監(jiān)測資料、以環(huán)境量作為自變量、以監(jiān)測效應(yīng)量作為因變量、利用數(shù)理統(tǒng)計分析方法而建立起來的、定量描述監(jiān)測效應(yīng)量與環(huán)境量之間的統(tǒng)計關(guān)系的數(shù)學(xué)方程。

已有的壩工知識和經(jīng)驗表明，運行期面板堆石壩內(nèi)部沉降在時刻t的變形效應(yīng)量主要受上游水位（水壓）、溫度、降雨及時間效應(yīng)（時效）等因素的影響，因此監(jiān)測統(tǒng)計模型主要由水壓分量、溫度分量、降雨分量和時效分量構(gòu)成[1][2]。其模型的一般表達(dá)式為

式中，為監(jiān)測效應(yīng)量y在時刻t的統(tǒng)計估計值;為的水壓分量;為的溫度分量;為的降雨分量;為的時效分量。

相關(guān)研究表明，水位分量與水壓H的1～4次方有關(guān);溫度分量取決于大壩溫度場的變化，可采用壩體實測溫度值，也可采用外界氣溫變化間接地描述壩體溫度場的變化;降雨分量采用實測壩址降雨量數(shù)據(jù);時效分量是一種隨時間推移而朝某一方向發(fā)展的不可逆分量，時效分量的變化一般與時間呈曲線關(guān)系，可采用對數(shù)式、指數(shù)式、雙曲線式、直線式等表示[3]。則傳統(tǒng)統(tǒng)計模型一般表達(dá)式為

（2）

式中，a0為回歸常數(shù);ai、bi、ci、di為回歸系數(shù)，均由回歸分析確定;n1、n2、n3、n4分別為水壓因子、溫度因子、降雨因子和時效因子個數(shù);H（t）為t時刻作用在大壩上的水壓;Ti（t）為t時刻溫度測點i的溫度測值;yi（t）為t時刻壩址降雨量測值;Ii（t）為時效因子。

4.2 模型精度和影響因素分析

（1）模型精度分析

根據(jù)以上方法建立運行期壩體內(nèi)部沉降各測點統(tǒng)計模型，對運行期沉降測值進(jìn)行逐步回歸分析，在統(tǒng)計回歸分析中進(jìn)行統(tǒng)計檢驗的置信水平為0.05，各測點模型精度見表1。

各測點統(tǒng)計模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)R在0.73～0.97之間，中間高程測線各測點（V2-1～ V2-5）復(fù)相關(guān)系數(shù)R在0.90～0.95之間;統(tǒng)計模型剩余標(biāo)準(zhǔn)差與實測值變幅的比值η在0.78%～6.84%之間，中間高程測線各測點（V2-1～ V2-5）η在0.95%～3.72%之間?？傮w來說，所建立的統(tǒng)計模型質(zhì)量尚可，中間高程測線各測點（V2-1～ V2-5）統(tǒng)計模型質(zhì)量較高，后面著重分析中間高程測線。

（2）影響因素分析

中間高程測線各測點（V2-1～ V2-5）統(tǒng)計模型質(zhì)量較高，運行期水壓分量對于壩體內(nèi)部沉降基本無影響，降雨對運行期壩體內(nèi)部沉降有一定影響，在0～14.42%之間，影響程度較小，運行期壩體內(nèi)部沉降主要受時效變形影響，分量比重在83.04%～100.00%之間，符合一般規(guī)律性。

4.3 基于統(tǒng)計模型的運行期內(nèi)部沉降穩(wěn)定性分析

壩體內(nèi)部沉降穩(wěn)定性判斷的一個重要指標(biāo)是沉降年增長量值，一般情況下壩體內(nèi)部沉降年增長在5mm以內(nèi)時，可認(rèn)為壩體運行期沉降已處于穩(wěn)定狀態(tài)。

運行期水壓以及降雨等分量對內(nèi)部沉降影響很小，運行期壩體內(nèi)部沉降時效分量年增長逐年減小，沉降逐年趨穩(wěn);2013年壩體內(nèi)部沉降各測點時效分量年增量在1.67mm～5.46mm之間，沉降增量基本在5mm以內(nèi)， 2014年之后壩體內(nèi)部沉降各測點時效分量年增量均在5mm以內(nèi)，2014年之后沉降可認(rèn)為壩體內(nèi)部沉降處于穩(wěn)定狀態(tài)，該本工程在2016年蓄水，堆石壩內(nèi)部沉降在蓄水7～8年后處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié)語

本文定性分析了某高面板堆石壩內(nèi)部沉降監(jiān)測成果，建立運行期壩體內(nèi)部沉降監(jiān)測統(tǒng)計模型，定量分析了統(tǒng)計模型精度和運行期沉降影響因素，同時，考慮到沉降測值的突變、毛刺等異常波動現(xiàn)象，采用基于統(tǒng)計模型的運行期壩體內(nèi)部沉降分析方法來判別內(nèi)部沉降變形穩(wěn)定性，分析結(jié)果表明，該高面板堆石壩內(nèi)部沉降變化規(guī)律合理，時效變形是運行期沉降的主要影響因素，蓄水7～8年之后壩體內(nèi)部沉降趨穩(wěn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李珍照. 大壩安全監(jiān)測[M]. 北京：中國電力出版社， 1997.

[2]吳中如. 水工建筑物安全監(jiān)控理論及其應(yīng)用[M]. 北京：高等教育出版社， 2003.

[3]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.