積石峽面板堆石壩壩體變形反演分析

周軍勝（陜西省寶雞峽管理局林家村樞紐管理站陜西寶雞721001）

積石峽面板堆石壩壩體變形反演分析

周軍勝
（陜西省寶雞峽管理局林家村樞紐管理站陜西寶雞721001）

本文通過分析積石峽壩體內部監測點的豎向沉降和水平位移監測結果，建立了適用于高面板堆石壩的變形反演分析方法；對不同變形監測結果給定不同的權重，以評價監測值的可靠度，為合理的參數反演計算提供依據，以期為類似案例提供借鑒。

面板堆石壩；壩體變形；反演分析；模型參數

1　引言

由于材料試驗尺縮效應的存在，通過試驗的手段往往難以獲得準確的材料參數。而對于面板堆石壩的數值計算中，壩料本構模型和參數的選取至關重要［1-3］。因此如何選取合理的材料本構模型并獲得滿意的參數是大壩工程數值計算中一個重要研究問題。目前主要有三種獲得模型參數的手段，一個是類比相似工程選取，該方法多在無任何可用數據情況下采用；試驗獲取參數，該方法是目前較常采用的方法，但是由于尺縮效應的存在，往往存在一定的誤差；最后一種方法是反演分析，該方法結合實測資料、試驗結果和數值優化算法，往往可以獲得較為滿意的結果［4-5］。本文對積石峽面板堆石壩的材料參數和變形特性進行反演分析。

2　參數反演分析方法

本文采用直接反演的方式來反演參數。具體的基本原理是采用目標函數的尋優問題來表示參數的反演問題，如此可以不用采用反演的計算格式或過程而直接采用正演的相關計算方式進行計算，通過正演的方式不斷迭代，最終獲得目標函數的最小誤差直到可以獲得參數的最佳估計值。本文迭代方式采用單純形法進行，而參數反演所用的初值獲得參數范圍主要根據工程類比和室內試驗來估計獲取。本文所采用的優化目標函數的形式如下所示：

其中，uij，c表示第i個空間點在第j個時間點上的實測變形量或者增量；uij，d表示第i個空間點在第j個時間點上的計算變形量或者增量；ωij表示第i個空間點在第j個時間點上的實測變形量或者增量相對誤差平方的權重值，反映相應變形觀測值的可靠程度。由公式可以看出，目標函數F值反映的是不同空間點在不同時間點計算變形量（或者增量）和實測值的相對誤差的加權平均值，其值越小，說明模型參數越符合實際壩體變形情況。不同點的相對誤差權重ωij可以根據變形監測儀器的精度，時空分布規律合理性等條件判斷，給出適合的取值。

3　壩體變形監測結果

3.1監測系統布置

積石峽面板堆石壩設計填筑方量大約為280萬m3，最大壩高100m。為了監測壩體內部垂直和水平位移，分別選取3個主要監測斷面即壩右0+88.50、壩右0+167.50、壩右0+248.5進行監測。在每一個監測斷面內分為三個測線，分別分布在高程1800.00m、1820.00m、1840.00m等不同高程位置，壩體垂直位移和水平位移分別采用水管式沉降儀和鋼絲水平位移計進行監測，同時水管式位移計也用于監測壩基的沉降。壩體所有監測儀器布置如表1所示。

鋼絲水平位移計的基本原理是采用不同壩軸線位置上的測點所觀測的水平位移來表征壩體在軸線方向和上下游方向的水平位移情況。鋼絲水平位移計分別布置在壩右0+88.36m、壩右0+168.36m和壩右0+248.36m三個觀測斷面，三條測線分別沿著高程1800m、1820m和1840m進行布置，總共包含7套31個測點。

圖1　五點式水管沉降儀TC2監測曲線

除了水管式沉降儀監測壩體垂直位移，同時采用了監測相應的變形。電磁式沉降管總共布置在三個斷面的不同位置，其中壩右0+167.36m斷面中心壩軸線布置一套包含有16個測點，編號為ES1；壩右0+167.36m斷面壩軸線下游34.5m處，布置第二套包含14個測點，編號ES2；壩右0+167.00m斷面壩軸線上游30.0m處布置第三套包含13個測點，編號ES4；第四套布置在壩右0+166.70m斷面壩軸線上游58.0m處，總共包含12個測點，編號ES5。

3.2監測結果整理分析

3.2.1水管式沉降儀監測結果

圖1顯示了五點式水管式沉降儀監測沉降時程曲線。由水管式沉降儀監測沉降的時程曲線圖可以看出，沉降儀的檢測結果總體規律性較好。從各水管式沉降儀沉降變化趨勢來說，沉降一直隨時間而增加，壩體填筑完成后沉降速度突然增大，然后逐漸放慢，從2009年底開始沉降增速已經很小。橫向對比各沉降儀監測到的沉降值發現，1800m高程的沉降監測結果整體最大，1820m高程的結果次之，1840m高程的沉降監測結果最小。而同一組水管式沉降儀的不同監測點沉降值對比發現，壩體中心軸線處的沉降值最大，向上游和下游方向越遠離壩軸線，所測得的沉降值也越小。上述結果說明水管式沉降儀監測沉降時空整體分布上符合壩體變形規律，可以用于反演計算。

圖2　電磁式沉降儀ES2測點1#-7#監測曲線

圖3　ES1（x=167.36，y=140.0）沉降管累計沉降量計算實測對比時程曲線圖

3.2.2鋼絲水平位移計監測結果

由五點式鋼絲水平位移計監測的水平位移時程曲線可以看出，這些變形是垂直于壩軸線方向的，壩體初期發生較大的向上游的水平變形，速度較快，后期變形逐漸減小，最終在2009年11月中旬左右壩體的水平位移基本穩定，總體變化量相對較小。由同一斷面不同位置的測點監測水平位移結果可知，越靠近上游和下游的測點其向上游和向下游的水平位移越大，說明向外側水平位移較大。同樣對同一斷面不同高程測點監測結果對比分析可知，偏底部的高程處水平位移較大，而較大高程處相對較小，整體的分布規律基本符合一般實際工程經驗。

3.2.3電磁式沉降儀監測結果

圖2顯示了壩體填筑過程中和填筑到1857.0m高程后停止加載期間，電磁式沉降儀ES2測點電磁式沉降儀監測沉降的時程曲線。從圖中看出，各個電磁式沉降儀的各測點沉降均隨著時間而增加。在壩體填筑階段，各測點的沉降值以一定的速度逐漸增大，在填筑到1857.0m高程后的一段時間內，沉降值繼續增大，但速度略有放緩，到2009年9月中旬，各測點沉降值逐漸接近穩定，之后壩體的沉降值增長很緩慢。對比同一電磁式沉降儀不同測點之間的沉降值發現，所測得的壩體沉降量在壩體的上部和下部均較小，最大沉降量發生在壩體中部區域。對比4個電磁式沉降儀的整體沉降值可以看出，距離壩軸線越近的壩體部分測得的沉降值也越大，越靠近壩體上下游表面的區域，其整體沉降值越小。

4　大壩參數變形反演分析

采用本文介紹的數值本構模型和參數反演分析方法，可以得到壩體填筑到1857m高程時壩體的流變變形。在壩體填筑完成而蓄水之前這段時間內由于并未產生大的施工荷載，雖然進行面板混凝土的澆筑，但是其對壩體變形的影響基本可以忽略，因此可以認為這段時間內壩體的變形主要是流變變形。因此本部分內容可以利用反演得到的流變參數反演計算壩體上述時間段內的流變變形。在獲得流變變形的基礎上將計算值與實測值聯合運用即可獲得其它加載模型參數。最后根據上述已得參數結果，采用蓄水預沉降措施所引起的濕化變形的監測值即可反演混合料濕化本構模型的參數。

圖3所示為電磁式沉降儀ES1所有監測點在不同階段實測沉降值和計算所得沉降值對比曲線，圖中實測值采用點來表示而反演所得計算中采用曲線表示。從圖中的詳細對比分析可以看出，總體而言測點的沉降監測值與計算值分布規律基本吻合，雖然在個別值上存在一定的差異。由監測結果和計算結果可以看出，壩體內部的基本變形規律是，中間部位的沉降最大而四周部位的沉降相對較小的規律。根據變形過程可以得出，在壩體填筑到1857.8m高程之前，壩體的變形主要來自堆石體的自重即一般所說的發生加載變形，該階段隨著壩體填筑壩體內部沉降呈現明顯增加；在壩體填筑完成后即填筑到1857.8m高程后，雖然沒有繼續增加壩體重量荷載也未蓄水，但是壩體沉降仍然會繼續增加，該階段沉降主要是由壩體的流變引起，產生較大的流變變形；之后隨著水庫的蓄水壩體的沉降有一定的沉降并最后逐漸趨于穩定。另外由水管式沉降儀監測的沉降值月計算值也較為接近。由于鋼絲水平位移計整體存在一定問題，對比分析較為困難，故反演時并未采用相應的監測結果。雖然從實測和計算的水平位移時程曲線可以看出，二者在數值和變形規律上基本一致。另外由最終反演的結果可以看出，壩體內的水平位移靠近上下游部位相對較大，其中基本上在壩體表面發生最大值，而在高程上在較低高程處產生較大值，該計算結果與前述監測結果基本一致。

5　結語

采用直接反演法精確模擬積石峽面板堆石壩的施工、流變等過程，根據“先分解，后綜合”策略，用不同時期的變形監測值與計算值對比，逐步得到壩體堆石料的各項計算參數。反演計算分析得到的變形值和大壩的實際監測值在施工期和填筑到1857.0m高程后的流變期整體符合的都較好，得到的計算規律也符合一般規律。同公伯峽反演參數相比較，積石峽面板堆石壩反演得到的壩料流變參數α數值基本一致，而b值則較大。陜西水利

［1］沈珠江，趙魁芝.堆石壩流變變形反饋分析.水利學報，1998，（6）:1-6.

［2］沈珠江.土石料的流變模型及其應用.水利水運科學研究，1994，（4）

［3］梁軍，劉漢龍，高玉峰.堆石蠕變機理分析與顆粒破碎特性研究［J］.巖石力學與工程學報，2003，6:479-483.

［4］溫立峰，柴軍瑞，王曉.深覆蓋層上面板堆石壩應力變形特性研究.巖土力學，2015，36（8）: 2686-2394.

［5］孫均著.巖土材料流變及其工程應用［M l.北京:中國建筑工業出版社，1999.

（責任編輯：暢妮）

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