水電站大壩安全性態分析研究

王 璐，張 鵬

(黑龍江省慶達水利水電工程有限公司，哈爾濱 150080)

水電站大壩安全性態分析研究

王 璐，張 鵬

(黑龍江省慶達水利水電工程有限公司，哈爾濱 150080)

水利工程在國民經濟基礎建設中占有很大比重，工程效益眾多。但水利工程失事后的危害性也影響巨大，因此，進行大壩安全監測和安全評價具有重要的實際意義。文章通過原型試驗加密觀測資料分析成果與大壩有限元計算成果進行對比，得出大壩在水位大幅波動期間監測量值的變化規律并對此進行安全性評價。

水電站；大壩；安全性態分析；安全監測

0 前 言

大壩安全監測及其相關資料的研究相輔相成，對大壩安全監測資料進行分析，可以準確判斷大壩的安全穩定性，評價大壩的正常工作性態，同時可對設計施工方案檢驗可行性，及時反饋數據和運行狀態，優化設計方案，施工工藝提高壩體施工的可靠度和安全性。進行安全監測和數據處理分析，能夠客觀評價安全監測系統和技術的可行性和適用性，提高經濟效益。通過正常分析成果客觀及時的發現大壩施工期和運行期的各種問題，分析原因并采取相應工程措施，有效的保證了壩體安全性，極大的提高大壩綜合效益，同時對于大壩安全監測方面的研究起到推動作用[1]。水利工程為系統工程，相比其他建筑工程結構更為復雜，地質地形條件的明顯差異，運行工況的區分性，因此需要借助大壩安全監測項目，獲得全面性和準確性兼顧的的大壩真實狀態的監測數據。

1 有限元分析基本原理

大壩變形主要來自水頭值、溫度等的時間效應，故大壩的幾何結構點變形量δ表達式[2]為：

δ=fH(t)+fT(t)+fθ(t)

(1)

式中：fH(t)水平位移的水頭壓力；fT(t)為溫度；fθ(t)為時效分量。

1)水壓分量fH(t)：

(2)

式中：ai為擬合系數；H監測位移時的壩前水位；ni最高冪次數。

2)溫度分量fT(t)：

(3)

式中：bi為溫度因子回歸系數；Td前d天的平均氣溫。

3)時效分量fθ(t)：

時效位移主要表達壩體變形的不可逆特性，表達式為：

fθ(t)=ci(In(1+t0+t))+c2(t0+t)

(4)

式中：c1,c2時效分量回歸系數。

4)位移的統計模型數學表達式：

由上分析，得到統計模型表達式為：

(5)

式中：a0為常數項。

2 工程實例

2.1 工程概況

某水利樞紐位于西北省份境內，工程主要以發電為主，兼顧灌溉、供水等工程效益。工程規模為Ⅰ等大(1)型工程，主要建筑物為拱壩、重力墩、中低孔泄水、電站廠房組成[3]。混凝土拱壩壩頂高程2176m，最大壩高142m，大壩軸線長420m，分22個壩段。

2.2 有限元模型

邊界選取：沿上游壩踵處向上游取1倍壩高，左右建基面和壩基豎直方向各取1倍壩高，沿下游坡腳處順水流方向選取2倍壩高。模型中單元主要采用六面體八節點等參單元，模型共劃分了41385個單元，44926個節點[4]。有限元網格剖分見圖1。

圖1 壩體的三維有限元網格圖

2.3 變形監測布置

壩址區布置了垂線觀測、壩表和巖表的交匯或極坐標觀測、谷幅和弦長觀測等類項目，監測水平位移。

1)壩體和壩肩巖體安全監測布設[5]：①左、右1/4拱、拱冠處、各布置1組垂線，監測壩體和基礎巖體的變形，在拱冠處按豎直深度(20m、40m、60m)共布設3條倒垂監，監測基巖的變形；②重力墩布設2組垂線，用以監測變形；③壩表和兩岸壩肩巖表共布設了42個水平位移測點，及5條谷幅和2條弦長測線；④在大壩下游兩岸巖體共布設了24個測點(左邊10個、右邊14個)，用于監測邊坡變形。

2.4 環境量變化情況

2.4.1 庫水位變化

大壩上游水位測值變化過程線見圖2，上游年平均水位特征值統計。

圖2 上游水位變化過程線

2.4.2 氣溫變化情況

壩址區歷年氣溫測值變化過程線見圖3。氣溫變化規律如下：

1)氣溫呈明顯的年周期性變化，歷史最高日平均氣溫為29.5℃，出現在2000年7月24日；歷史最低日平均氣溫為-13.4℃，出現在2008年1月29日。

2)日平均氣溫年變幅在31.9℃-38.3℃之間，其中2008年的日平均氣溫年變幅最大，達38.3℃；2007年最小，其值為31.9℃。

圖3 氣溫變化過程線

2.4.3 降雨量情況

壩址區日降雨量歷年統計曲線圖見圖4，分析如下：

1)壩址區降雨平均分布在每年的6-9月份，最大日降雨量為55.2mm，出現在2008年7月30日。

2)最大年平均降雨量為1.1mm(2007)；最小年平均降雨量為0.2mm(2001)。

3)最大年降雨量為486.34mm(2007)；最小年降雨量為260.68mm(2000)。

圖4 降雨量過程線

2.5 計算成果與原型試驗加密資料分析對比

對應于垂線PL2-1、 PL3-1、 PL4-1測點的有限元計算成果與實測值對比見表1。

圖5 垂線PL2-1點徑切向位移監測值和有限元計算值對比圖

表1 原型試驗實測位移量與有限元計算位移量統計表

對比實測值和有限元計算結果，二者之間相差較為明顯，PL2-1兩組數據間的比例關系見圖5。其余組變形規律和PL2-1基本一致。

從實測值與計算值對比看規律一致，理論計算對監測資料分析有一定的支持，規律性變化基本一致。通過拱冠、左右1/4拱處的測點監測結果分析規律如下：

1)大壩的溫度分量周期變化滯后氣溫1-2個月。

2)徑向位移：蓄水位上升大壩向下游移動、蓄水位下降壩體向上游移動，氣溫升高壩體向上游產生位移，下降壩體向下游移動。

3)切線方向：蓄水位升高左1/4拱、拱冠處向左岸移動，下降時向右岸移動，氣溫下降壩段向左岸移動，下降時反之；氣溫下降向左岸移動、氣溫升高向右岸移動；蓄水位升高右1/4拱向右岸發生移動、蓄水位下降時向左岸發生移動，氣溫下降時與左岸位移變化規律相反。

4)三條垂線測值的成果對比得出：右1/4拱壩段徑向位移大于左1/4拱壩段；切線方向，以溫度位移分量年變幅對比為例，左1/4拱壩段位移是右1/4的近4倍，表現出明顯的左右變形不對稱。

5)經計算得知：庫水位在2174-2180m之間變化時，庫水位每變化1m壩頂右1/4拱壩段徑向位移0.55mm、左1/4拱壩段0.52 mm，拱冠壩段0.60 mm。

6)對試驗時段的資料進行分析，發現水位波動期間上述規律均符合，包括庫水位高程平均上升后拱冠和左右1/4拱的水壓和位移分布規律未發生變化，基本一致。故分析得出壩體的的水平位移變化合理。

通過歷史大壩安全監測資料分析結果與有限元計算結果規律對比一致，即大壩水平位移性態與理論計算相符合。

3 總 結

文章在大壩安全監測的現行研究方法和有限元分析原理的基礎上，結合工程實例，對大壩環境量、壩體垂線、幾何水準、靜力水準等監測資料進行了定性和定量分析研究，得出在觀測資料序列時段內的水電站拱壩變形的性態和規律，通過對比分析表明了大壩設計方案的適用性和合理性。

[1]趙衛，楊定華.工程安全監測技術[M].北京：中國水利水電出版社,2006：31-34.

[2]劉祖強.工程變形監測分析預報的理論與實踐[M].北京：中國水利水電出版社,2008：12.

[3]吳云芳.大壩安全監測神經網絡模型研究和子系統開發[D].武漢：武漢大學，2002.

[4]陳振強.基于混合編程的大壩安全監測評價系統研究[D].鄭州：鄭州大學，2009.

[5]范慶來.大壩監測資料分析與安全指標擬定的研究[D].杭州：浙江大學，2004.

AnalysisandStudyonHydropowerDamSafetyBehavior

WANG Lu and ZHANG Peng

(Heilongjiang Provincial Qingda Water Conservancy & Hydropower Project Limited Company, Harbin 150080, China)

Water conservancy project accounts for a considerable proportion with many project benefits in national economic construction. The hazard is enormous after the water conservancy project crashes, therefore, to monitor the dam safety and evaluate the safety behavior will be of great importance and necessity. By comparing the analysis results of intensive detecting data about prototype test with the calculated results of dam finite elements, this paper got the monitoring value changing regular as dam water level fluctuates dramatically and evaluated its safety.

hydropower station;dam;analysis of safety behavior;safety monitoring

TV698.2

B

2017-08-16

王璐(1989- )，女，山東高密人，助理工程師；張鵬(1989-)，男，黑龍江尚志人，助理工程師。