基于沉降數據對Tatay面板壩變形參數的反演分析

張小清，沈振中

(河海大學水利水電學院，南京 210098)

0 引 言

Tatay水電站位于柬埔寨西部的豆蔻山脈西南側的Tatay河上。電站裝機容量246 MW, 水庫相應庫容4.04億m3,校核水位217.75 m，蓄水位215.00 m，死水位180.00 m。Tatay混凝土面板堆石壩壩頂高程220.00 m，最大壩高115.00 m，壩頂長度882.30 m，壩頂寬度10 m，上游坡1∶1.4，下游綜合坡1∶1.5。趾板寬度4～8 m，厚度0.5～0.8 m，面板最大厚度為0.62 m，最小厚度為0.30 m。

Tatay從大壩施工期到蓄水運行期都進行了全方位的安全監測控制，從已經有的沉降監測數據來看，部分實測數據與前期設計成果相差較大，例如設計時計算得到壩體最大沉降值為 0.6～0.8 m，而實際監測沉降約為 1.5 m。面板壩堆石體的變形對面板壩的結構安全有著至關重要的作用。當前，計算面板堆石壩變形的主要根據是室內試驗結果，但室內測出的變形參數與在實際施工時的變形參數是有很大差別的。因此，對大壩蓄水期的變形參數進行反演計算分析是非常有必要的。對此，高蓮士等人[1,2]已經根據三板溪大壩的實際觀測資料和天生橋的現場試驗結果反演分析了堆石體的K-G模型參數；沈長松等[3]結合了西北口面板壩的觀測數據資料，對堆石體的鄧肯張 E-B模型參數進行了反分析；朱晟等人[4]也結合水布埡和公伯峽面板壩的現場試驗資料，反演分析了堆石體的鄧肯張 E-B模型參數。

前人對面板壩變形參數的反演分析大致都是基于完整的變形監測數據上進行的，并沒有涉及到前期的監測數據處理，而反演所用的監測數據的準確性和完整性對反演變形參數的正確性有著重要的作用。但是在實際的工程中，監測儀器時常會由于其他外在因素的影響而受到損壞不能監測。所以在壩體變形監測數據不完整的情況下，對堆石體的變形參數進行反演分析是有必要的。

本文結合了兩種變形監測儀器電磁式沉降管及水管式沉降儀的沉降監測數據，采用可變容差法進行反演分析，確定該大壩計算模型的鄧肯張E -B模型參數。以期對同類變形監測資料不完整的大壩變形參數反演分析提供參考意見。

1 監測資料分析處理

1.1 數據選取

根據面板壩的應力應變關系可得知，堆石體的變形大小直接影響著面板變形的大小，因此對堆石體的位移產生較大影響的變形參數也會對面板的位移產生很大的影響；另一方面面板和堆石體兩者的變形情況又會進一步影響周邊縫的變形情況；而壩體在施工期的水平位移監測誤差較大。因此，本次反演分析計算以壩體的沉降數據為依據。

該面板壩設置有變形監測儀器電磁式沉降管和水管式沉降儀兩種。由于施工及其他原因，部分電磁式沉降管已被損壞，而根據資料，水管式沉降儀的監測時間滯后長達至少5個月，施工期壩體的沉降丟失嚴重，但在壩體蓄水過程中，其量測得的沉降值誤差較小，測值相對穩定；所以反演選取其中較為完好的一根電磁式沉降管ES7作為大壩蓄水期變形反演分析的對比依據，具體布置見圖1。根據反演計算結果，用水管式沉降儀測得結果作為反演結果校核依據，具體布置見圖2。

圖1 沉降管監測布置圖Fig.1 Monitoring layout of electromagnetic settlement tube

圖2 沉降儀監測布置圖Fig.2 Monitoring layout of water tube settlement gauge

1.2 時效分量分離模型

采用鄧肯-張非線性彈性模量模型擬合壩體堆石料的應力應變特性，主要僅考慮壩體自重、庫水壓力等因素，不能考慮堆石體濕化、流變、溫度等因素作用的影響。而監測資料實測數據還受到壩體堆石料濕化、流變、溫度及施工不確定等因素的影響，所以進行反演分析前，需對監測數據進行回歸分析處理，以分離壩體自重、庫水壓力影響下的壩體變形以及時效分量。

一般情況下，溫度影響堆石體的變形較小，可以不計。依據相關理論及實際經驗，壩體自重引起的變形分量與填筑高度有著直接聯系，故可用填筑高度的多項式表示；大壩開始蓄水后，水荷載作用下的變形分量是由于壩體會受到水壓力、浮托力和濕化變形的影響，所以水壓力分量與壩前水深有密切關聯，可用壩前水深的多項式表示；而在中等水平應力和常溫作用下，可采用四元件模型模擬時效分量，即是非松弛模型與松弛模型的串聯，具體公式詳見文獻[5]。綜上所述，運行期堆石體變形可用公式表示為

S=A0+A1(ΔH)+A2(ΔH)2+A3h+A4h2+

A5(t-t0)+A6(e-0.30t-e-0.30t0)

式中：A0、A1…A6為待定系數；ΔH為填筑高度；h為壩前水深；t0為觀測儀器埋設到觀測開始的時間；t為觀測儀器埋設到觀測時間。

1.3 分離結果

根據資料，電磁式沉降管ES7在運行期的時候已經被損壞不能監測，所以運行期用水管式沉降儀的監測數據。對監測所得的數據進行回歸分析處理然后進行分離，具體結果見表1，表2。

表1 ES7沉降管分離后的沉降值 mm

表2 200 m水位水管式沉降儀分離后的沉降值 mm

2 堆石體計算模型參數反演分析

2.1 有限元模型

根據工程的實際工程特點建立了三維有限元模型如圖3所示。按大壩的實際施工和蓄水順序，結合壩體單元剖分情況，確定荷載分級為29級，采用中點增量法，每一荷載級均一次性加載。

圖3 模型網格圖Fig.3 Finite element mesh of 3D model

2.2 反演參數的確定

用鄧肯張E-B 模型來計算混凝土面板壩變形時，常用室

內三軸試驗測得的參數共有φ0、Kb、m、Rf、Δφ、K和n七個參數。據以前的經驗，φ0、c、Rf參數實際值與試驗結果相差很小，可以取用試驗值。而由于試驗時的各方面條件與現場地質環境條件的差別很大，Kb、m、K和n四個參數其試驗值與實際大小有時差別很大，因此，本文僅對Kb、m、K和n這四個變形參數進行反演分析。由于墊層區和過渡區相對于壩體堆石區厚度較小，該區材料對壩體的變形影響甚小，該區材料的參數可以不反演分析，取用試驗值計算。

2.3 電磁式沉降管反演分析結果

經可變容差法位移反演分析計算，壩料參數如表3所示，其中，K、n、Kb和m為反演分析得到的參數，其余參數參考同類工程取值。

經反演計算得，自重引起的沉降變形實測值與計算值的比較結果見表4所示，自重引起的壩體沉降實測值與計算值對比結果如圖4所示。其中相對誤差等于壩體實測值與反演計算值的差與實測值的比值。

表3 非線性材料的反演參數(鄧肯 -張模型)Tab.3 Inversion parameters of nonlinear materials (Duncan Chang model)

表4 壩體沉降實測數值和反演計算值的比較 mm

由表4可以看出：壩體沉降的反演計算值與所給的實測值基本吻合，僅在壩體少數幾個測點的沉降內擬合誤差較大，該部分測點范圍內沉降的計算數值與實測數值的最大相對誤差為3.4%。引起誤差的原因可能有：①電磁式沉降儀在監測的過程中會一直受到施工的干擾從而引起誤差；②在監測的過程中電磁式沉降儀會受到溫度的影響。

由圖4可以得出：在該壩橫斷面，自重引起的壩體最大沉降出現在壩體中部偏上部位，計算值與實測值的擬合誤差較小，壩體沉降基本上符合面板堆石壩變形的常規規律。

圖4 自重引起的壩體沉降計算數值與實測值大小比較圖Fig.4 Comparison chart of calculated and measured settlement value caused by weight

2.4 水管式沉降儀校核分析結果

根據電磁式沉降管的反演結果，取水管式沉降儀在蓄水位200.00 m下水荷載引起的沉降變形作為反演校核依據。根據反演計算的結果和水管式沉降儀監測成果對比見表5所示。

表5 200.00 m水位下計算值與水管式沉降儀實測值比較 mm

從表5可以看出：由電磁式沉降儀反演計算得到的200.00 m水壓力引起的沉降變形和水管式沉降儀測得的水壓力引起的沉降變形基本一致，相對誤差較小。這說明反演得出的變形參數與實際工程情況比較吻合。

3 結 論

(1)由于監測儀器在施工期和運行期易受到損壞，監測數據不完整；而且電磁式沉降管及水管式沉降儀都有各自的優點和缺點，在大壩的反演分析過程中，應充分結合兩者的監測數據。

(2)鄧肯張E-B模型計算不考慮堆石體的濕化、流變等時效因素的影響，而實測的監測變形包含了這些因素引起的變形，所以應先對監測資料進行回歸分析，以分離出荷載作用下的變形值大小。

(3)時效分量的分離存在著復雜性，應根據工程的實際情況選擇合適的分離模型。

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[1] 高蓮士，宋文晶，張宗亮，等.天生橋面板堆石壩實測變形的三維反饋分析[J]. 水利學報，2002，(3)：26-31.

[2] 高蓮士，蔡昌光，朱家啟. 堆石料現場側限壓縮試驗解耦K-G模型參數分析方法及在面板壩中的應用[J]. 水力發電學報，2006，25(6)：26-33.

[3] 沈長松，顧淦臣.面板堆石壩參數反分析及變性規律探討[J].河海大學學報，1996,24(6)：13-19.

[4] 朱 晟，梁現培，馮樹榮.基于現場大型承載試驗的筑壩原級配堆石料力學參數反演研究[J]. 巖土工程學報，2009，31(6)：155-160.

[5] 夏富洲，湯電波，王長德.混凝土面板堆石壩反分析的神經網絡方法[J].中國農村水利水電，2008,(7):64-67.