混凝土壩變形過程及監控指標研究

于 君

（新疆塔里木河流域阿克蘇管理局，新疆阿克蘇843000）

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混凝土壩變形過程及監控指標研究

于 君

（新疆塔里木河流域阿克蘇管理局，新疆阿克蘇843000）

摘要：通過對某水利樞紐混凝土重力壩監測資料的分析，建立了混凝土壩位移監控模型。對典型壩段水平位移的監控指標進行了擬定，并運用K-S法對壩頂水平位移監測樣本進行了檢驗。得出典型壩段向下游和上游方向水平位移的限定值，為判定大壩所處的狀態提供了相關依據。對預防事故、杜絕安全隱患具有至關重要的作用。

關鍵詞：監測；位移；模型；指標

大壩出現安全事故，將造成不同程度的損失［1-2］。大壩失事破壞往往是緩慢發生的，因此通過監測系統來掌握大壩的工作狀態，對預防事故、杜絕安全隱患，具有至關重要的作用。對大壩進行安全監測就需要從以下四個方面入手：（1）原型觀測資料正分析，主要依據實測資料建立數學監控模型；（2）觀測資料反分析，用正分析的結果，按照理論分析，反演出壩體和壩基材料的相關參數和結構的特性；（3）反饋分析，在前面兩項分析的基礎上，找出規律和相關信息，反饋到設計、施工和運行管理中，實現優化設計和施工、促進科學運行管理的目的；（4）根據上面的分析，利用計算機和軟件，依據前面觀測和分析的成果，結合領域內相關專家的經驗對大壩設計、施工及運行管理進行全面的分析和評價［3］。通過對大壩監測資料進行分析，可以建立監控模型，擬定監控指標，并可以對大壩設計時的各種物理力學參數和相關模型進行反演分析，可以有效地對大壩建成后的運行狀況和變化規律進行預測和監控。

1　工程概況

某水利樞紐由主壩、副壩、開敞式溢洪道、左岸輸水建筑物和地下發電廠房、右岸船閘等建筑物組成。主壩為混凝土重力壩，壩高113.0m，壩頂長305.5m、寬7.0m，最大壩底寬84.5m。壩頂高程179.0m，正常蓄水位173.0m，相應庫容11.22億m3，校核洪水位177.8m，相應庫容20.35億m3。壩址兩岸山體呈對稱“V”型，山體渾厚，坡度25°～45°，巖性為黑云母花崗巖，無規模較大不良地質構造發育，區域地質構造較穩定。

2　混凝土壩位移監控模型

根據該混凝土壩的垂線自動監測資料，按照壩體水平位移向下游為正，垂線編號采用PL表示，測點用垂線PL和高程確定，如PL2（140.0m）表示正垂線PL2上高程140.0m處測點的位移值［4-5］。首先選取PL2（140.0m）和PL5（179.0m）來研究大壩順水流方向的位移的變化規律。其結果如圖1、圖2所示。

圖1　測點PL2（140.0m）的水平位移變化過程線

圖2　測點PL5（179.0m）的水平位移變化過程線

從圖2和圖3可以看出，順水流方向大壩水平位移與庫水位呈正相關性，庫水位高時，向下游位移增大，庫水位降低時，向下游水位減小，當水位低至一定高度，水平位移會向上游方向開始增大。氣溫的變化也對大壩位移有影響，大體呈負相關性，氣溫高時，向上游方向位移變大，氣溫低時向下游方向增大。結合水位和氣溫的影響可以得出，在氣溫較高、水位較低時，大壩向下游的水平位移最小；當氣溫較低，水位較高時，大壩向下游的水平位移最大。

根據上面的分析，大壩向下游方向的水平位移主要與水庫水位、氣溫和時間等因素有關。因此，采用水壓分量、氣溫分量和時效分量，通過理論和經驗公式進行回歸分析，選取PL5（179.0m）監測點的監測數據，采用逐步回歸法，得出了如圖3所示的水平位移統計模型擬合過程線。

圖3　測點PL5（179.0m）的水平位移統計模型擬合過程線

由圖3可以看出，水平位移統計模型的擬合值與實際監測值較接近，相關系數為0.966，擬合效果好，精度可以達到預測的需要。

3　混凝土壩位移監控指標

該壩已建成運行十幾年，根據監測資料，本次采用典型小概率法對典型壩段的水平位移的監控指標進行擬定。選擇典型壩段每年水平位移的最大值和最小值作為監測樣本，見表1。

本次運用柯爾莫哥洛夫-斯米爾洛夫檢驗法即K-S法對表1中的數據進行檢驗［6］。K-S法的基本原理為：

表1　壩頂垂線測點水平位移極值統計表（單位：mm）

式（1）中：D為Fn（xi）與F0（xi）的最大差值；Fn（xi）為經驗分布函數；F0（xi）為理論分布函數。

當D＜D（n，a）時，認為樣本數據分布符合F0（xi），D（n，a）為臨界柯爾莫哥洛夫值。根據正態分布，取顯著性水平為0.05，則對應的臨界柯爾莫哥洛夫值為0.519。

K-S法的原理是對于每一個樣本，均對其經驗分布和理論分布的偏差進行檢驗，而不是采用分區抽樣檢測兩者之間偏差的方法，因而其檢測結果較為準確［7］。對于2#壩段水平位移最大值的平均值為-0.228，標準差為2.004，計算結果如表2所示。

表2　2#壩段年最大位移數據分布情況計算結果

由表2可知，D=0.1316＜D（6，0.05），說明壩頂位移最大值服從正態分布。根據其分布情況，可以確定2 #壩段壩頂水平位移的監控指標為3.068mm。

對于2 #壩段水平位移最小值的平均值為-7.815，標準差為0.885，計算結果如表3所示。

由表3可知，D=0.1577＜D（6，0.05），說明壩頂位移最小值服從正態分布。根據其分布情況可以確定2 #壩段壩頂水平位移的監控指標為-9.270mm。

對于4 #壩段水平位移最大值的平均值為2.055，標準差為2.280，計算結果

如表4所示。

表3　2#壩段年最小位移數據分布情況計算結果

表4　4#壩段年最大位移數據分布情況計算結果

由表4可知，D=0.2143＜D（6，0.05），說明壩頂位移最大值服從正態分布。根據其分布情況可以確定4 #壩段壩頂水平位移的監控指標為5.805mm。

對于4 #壩段水平位移最小值的平均值為-9.272，標準差為2.079，計算結果如表5所示。

表5　4#壩段年最小位移數據分布情況計算結果

由表5可知，D=0.1734＜D（6，0.05），說明壩頂位移最小值服從正態分布。根據其分布情況可以確定4 #壩段壩頂水平位移的監控指標為-12.912mm。

由上述計算分析可以得出，2#典型壩段向下游方向的壩頂水平位移一般不應超過3.068mm，且向上游方向的壩頂水平位移一般也不應超過-9.270mm；4#典型壩段向下游方向的壩頂水平位移一般不應超過5.805mm，且向上游方向的壩頂水平位移一般也不應超過-12.912mm。

4　結語

本文通過對某水利樞紐混凝土重力壩監測資料的分析，建立了混凝土壩位移監控模型，水平位移統計模型的擬合值與實際監測值較接近，擬合效果好，精度可以達到預測的需要。通過典型小概率法對典型壩段的水平位移的監控指標進行了擬定，選擇典型壩段每年水平位移的最大值和最小值作為監測樣本，并運用柯爾莫哥洛夫-斯米爾洛夫檢驗法對2009～2014年壩頂水平位移監測樣本進行了檢驗，監測樣本均服從正態分布規律，得出典型壩段的向下游方向和向上游方向的水平位移的限定值，為判定大壩所處的狀態提供了相關的依據。

參考文獻

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［3］張國新，沙莎.混凝土壩全過程多場耦合仿真分析［J］.水利水電技術，2015（06）：87-93.

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［5］婁一青，王林素，蘇懷智.碾壓混凝土壩層面滲流變異特性研究［J］.水利規劃與設計，2011（06）：56-58.

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［7］陳文華，帥輝玲.拉模法在溢流堰堰面混凝土澆筑上的應用［J］.水利技術監督，2014（04）：55-57.

［8］彭圣軍.混凝土壩安全監控模型數值優化及變位預警指標研究［D］.南昌大學，2014.

作者簡介：于 君（1967年—），女，工程師。

收稿日期：2015-11-27

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.02.019

中圖分類號：TV698.1

文獻標識碼：B

文章編號：1672-2469（2016）02-0052-02