閘壩揚壓力監測分析數學模型及工程應用

高文學

（四川華電木里河水電開發有限公司 四川 西昌 615000）

閘壩揚壓力監測分析數學模型及工程應用

高文學

（四川華電木里河水電開發有限公司 四川 西昌 615000）

在對影響混凝土閘壩揚壓力的主要因素進行分析基礎上，建立了閘壩揚壓力監測資料分析的數學統計模型，分析了某實際工程閘壩的實測揚壓力變化規律，為評價大壩運行性態提供了依據。

閘壩；揚壓力；監測；數學模型

0 引言

揚壓力監測是閘壩安全監測的重要項目之一，影響揚壓力大小的因素有上、下游水位、帷幕的工作狀態、排水系統及庫內泥沙淤積對基巖裂隙的堵塞、降雨及滲透作用等，而溫度則通過影響基巖裂隙張開度而間接影響揚壓力大小。這些影響因素除有周期性變化規律以外，還受隨機性因素的影響，且大壩揚壓力監測亦存在觀測誤差。因此，本文通過建立揚壓力分析數學模型來反映上述因素對大壩揚壓力的影響，并從中找出規律，從而對大壩揚壓力狀態作出預估和監控。

1 數學模型構建

影響壩基揚壓力大小的因素有上、下游水位、帷幕的工作狀態、排水系統及庫內泥沙淤積對基巖裂隙的堵塞、降雨及滲透作用等。因此在統計分析中，模型的因子初選是極為復雜的。通常可按以下形式構造揚壓力分析數學模型：

式中，YW（t）——揚壓力監測值在時間t的統計估計值；

YW1[H上（t）]——揚壓力的上游水壓分量；

YW2[H下（t）]——揚壓力的下游水壓分量；

YW3[T（t）]——揚壓力的溫度分量；

YW4[θ（t）]——揚壓力的時效分量；

C——待定常數項。

（1）庫水位分量

根據理論和實測資料分析可知，壩基各測壓管的測值隨該點到上游面的距離不同而滯后的時間也不盡不同，因此水位因子的選擇中可加入觀測日水位、前5天的平均水位H5、前10天的平均水位H10以及前20天平均水位H20等作為初選因子進行分析處理，如此則有揚壓力水位分量函數：

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式中，ai，bi——待定回歸系數。

（2）溫度分量

揚壓力與溫度變化并無直接關系，但由于溫度變化會引起基巖裂隙張開度的改變而間接影響揚壓力的測值，一般情況下溫度因素對揚壓力測值的影響較小，特別是對于處在水位較深處的揚壓力測點,測值影響更是如此，因此，本文按溫度周期變化特點考慮其對揚壓力測值的影響，并構造如下分量函數：

（3）時效分量

泥沙的淤積情況是越靠近壩踵、顆粒越細小，這是由于水流速度由庫尾至壩前逐漸減慢的緣故。隨著泥沙的不斷淤積，使壩基附近的上游面鋪蓋層逐年增厚，影響壩基滲流場，這種作用實際上與時間有關，因此，分析中采用如下的模式考慮其時效分量：

式中，ti為觀測時刻距初始時刻的天數；di為待定回歸系數。

2 模型的工程應用

2.1 工程概況

某混凝土閘壩位于大渡河右岸一支流上，壩頂高程1679.00m，最大壩高35.50m，壩頂長181.5m，從左至右依次布置有8個擋水壩段、3孔泄洪閘、1孔沖砂排污閘和右岸側向發電取水閘；壩前正常蓄水位為1678.0m，死水位為1666.0m，總庫容162.1萬m3。電站總裝機132MW，年發電量6.91億kW·h。

為監測防滲帷幕的防滲效果和閘基的揚壓力，分別在排污、沖砂、泄洪及擋水壩段各設有一個揚壓力觀測斷面，共有16 個測壓管。 除 UP2、UP3、UP6、UP7、UP15、UP16 埋設在壩體內，引至壩頂外，其余測壓管均引至基礎灌漿廊道內，基本上每個壩段都有一個測點。所有測壓管均采用Φ63mm鍍鋅鐵管深入建基面一下1m。灌漿廊道內測壓管采用壓力表測量。引至壩頂的測壓管采用DGK-110型電測水位計測量。

對該混凝土閘壩進行滲流分析時，時效分量的初始時刻取2002年1月1日，H（t0）取建基面高程1643.5m。

2.2 揚壓力分析

在所埋設的16個測壓管中，UP2（1668.00m高程）已堵塞；UP16被埋，因而這兩個測壓管無法觀測。由于采用壓力表測揚壓力，一些測孔的水位沒有達到壓力表高程，無法測量其值，只有 UP5、UP8、UP9、UP3、UP6、UP7、UP15 七個測點的監測值，故本文只對這些測點進行了分析。

根據揚壓力監測分析模型（式1～式5），對2002～2005年系列資料進行了回歸分析，在7個測點的揚壓力回歸方程中，引至壩頂的UP5、UP8、UP9三個測點的復相關系數R全部小于0.5，廊道內的UP3、UP6、UP7、UP15四個測點的復相關系數R大于0.7的有3個，小于0.7的有1個，回歸效果總體較好。從回歸結果可以得到以下認識：

（1）測孔揚壓力值與下游水位、溫度和時效的關系很小，而與上游水位相關密切。

（2）由揚壓力實測值和回歸分析結果可知，揚壓力的變化呈現較好的規律性，并趨于收斂。UP3、UP7測值中個別點出現有較大的跳動，主要是測點靠近沖砂閘受沖庫的影響。運行中的沖庫時間分別為：2002年5月23日，2002年10月5日,2003年5月5日,2003年7月5日，2004年10月1日。幾次沖庫都引起揚壓力的突然增大，表明沖庫對揚壓力的影響比較明顯。

3 結論

本文對混凝土閘壩壩基揚壓力建立了適當的觀測資料分析數學模型，某混凝土閘壩揚壓力原型觀測資料的數學模型分析表明，該工程壩基揚壓力與下游水位、溫度和時效的關系很小，而與上游水位相關密切，沖庫對揚壓力的影響比較明顯。實際工程應用驗證了本文模型的適用性。

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［3］鄭曉紅,李東升.溫度因子對混凝土壩滲流監測模型影響的對比研究[J].中國農村水利水電,2010,9:77-79.

高文學（1973—），男，湖北荊門人，本科畢業于三峽大學，現在四川華電木里河水電開發有限公司卡基娃建設分公司工作，工程師。

王洪澤］