大壩視準線與真空激光觀測值的銜接回歸分析

羅文廣 胡升偉 文聘 胡明秀

摘要：某水電站大壩水平位移2000年前采用視準線法監測，2000年后采用真空激光準直系統監測，但這兩種方法觀測成果存在空間和時間上的相對性，因此對該水電站水平位移2000年前后各自的數據進行分析，然后選擇代表性測點嘗試將二者銜接起來展現連續的水平位移變化過程和趨勢。各系列測值回歸復相關系數為0.71～0.97，標準差為0.41～2.42mm，標準差與變幅比值為0.03～0.16；總體上水壓分量占比（36%）大于溫度分量的（18%），且初蓄期水壓激增的效應也突出顯現，溫度效應變幅為4～5mm，時效分量變幅呈收斂趨勢，回歸效果總體尚可。

關鍵詞：視準線法；真空激光準直系統；水平位移；監測；回歸分析；大壩

中圖分類號：TV642.3 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.01.028

大壩水平位移一般采用視準線法和真空激光準直系統監測川。某水電站水平位移監測從2000年起采用真空激光準直系統（同時采用視準線法監測至2004年），盡管能獲得絕對位移且精度相對較高，但具有時間上的相對性。蓄水前采用視準線法監測水平位移，捕捉到了水位激增過程的水壓效應，但因基點未改正而有空間上的相對性，且觀測精度不高，不過儀器基點設置在靠岸邊水壓相對較小的23#壩段，絕對位移小，因此該數據仍然是很珍貴、有實際意義的監測數據。由于兩種方法各有局限性，均不足以展示大壩蓄水以來的連續變形趨勢，因此在進行大壩安全監測資料分析時，嘗試將二者銜接起來展現連續變形過程和趨勢。

1 工程概況

某水電站位于四川省樂山市沙灣區境內的大渡河上，建壩地點為峽谷出口處，河谷開闊，右岸岸坡較陡，左岸平緩，兩岸沖溝發育，是一座以發電為主，兼顧漂木及改善下游通航條件的綜合利用工程。樞紐主要建筑物有溢流壩、發電廠房、左右沖沙底孔壩段、左右岸重力壩、左右岸堆石壩等，壩頂高程479.0m。該電站于1985年1月開工，1986年年底工程截流，1992年4月蓄水，1994年年底機組全部發電。

自1992年蓄水至2004年，壩頂4#-24#壩段采用視準線法觀測水平位移的工作基點沒有可靠的觀測設施來改正端點位移，故測點的水平位移為相對位移。之后，隨著真空激光準直系統的完善，可以利用其觀測成果來改正視準線法工作基點的端點位移。因視準線法誤差較大，從2005年起4#-24#壩段不再采用視準線法觀測水平位移。

2000年，對壩頂位移監測設施實施自動化改造，在壩頂軸下0+007.2m、高程478.60m處，安裝1套真空激光準直系統，布置在4#-24#壩段，全長449.17m，激光發射端設在4#壩段，接收端設在24#壩段，每個壩段設置1～2個測點，共26個測點。兩端點各設置一套雙金屬標/倒垂線，測量端點位移。取8#-16#壩段的典型測點進行分析，該壩段為基巖上混凝土重力壩。

2 壩頂水平位移監測資料分析

2.1 監測資料分析方法

主要采用作圖法及數學回歸法來分析壩頂水平位移監測資料。作圖法即通過繪制監測量的過程線來考察監測量的變化規律；數學回歸法的建模方法有統計模型法、確定性模型法和混合模型法[2]。筆者采用易于被工程界所理解和接受的統計模型法[3]進行回歸分析。

大壩水平位移一般由水荷載、溫度荷載及壩體材料和基巖的徐變、塑性變形、裂縫變化等引起，可用如下數學模型表示某一點的位移s：

δ=δH+δT+δt式中：δH為水平水壓力變化引起的彈性位移分量；δT為溫度變化引起的彈性位移分量；δt為非彈性位移分量，即時效位移分量，是大壩工程安全評價至關重要的分量。

（1）水壓分量δH。

δH=a0+a1（H1-H0）+a2（H1-H0）2+a3（H1-H0）3+a4（H2-H0）+a5（H2-H0）2+a6（H2-H0）3+δDH

δDH=a7+a8DH1+a9DH2式中：H1、H2分別為上、下游水位；H0為建基面高程；DH1為當日水位超過上個測次的最高水位量；DH2為DH1與當日水深之積；ai為待定回歸系數i=1，2，…，9。

（2）溫度分量δT。

δT=b0+b1T+b2T5+b3T10+b4T15+b5T20+b6T30+b7T45+b8T60+b9T90+b10T120式中：T、T5、T10、…、T120分別為觀測日當天及前5、10、…、120d的平均氣溫；bj為待定回歸系數，j=0，1，…，10。

（3）時效分量δt。

δt=c0+c1t+c2lnt+c3t/（t+100）式中：t為從1992年1月1日起至觀測日的累計天數；ck為待定回歸系數，k=0，1，2，3。

2.2 壩頂視準線法水平位移監測資料分析

該壩壩頂測點較多，筆者僅選取典型測點進行分析。D14、D15、D16測點位于8#-16#壩段，觀測儀器布設在23#壩段的基準點D23-2，后視基點為T04。2002年后測站改為T08-1，以T08為后視點，測站與后視點的距離僅18.0m，而測站與測點之間的距離最大達279.2m，其觀測精度無法滿足要求。同時隨著壩頂激光準直系統的逐步穩定、成熟[1]，2005年該壩段停止采用視準線法監測水平位移。該壩段從1991年11月開始觀測，初期一般每月觀測1～2次，1993年1月后每月觀測1次。

2.2.1 歷時過程分析

1992年至2001年，水平位移過程線見圖1。由圖1可以看出，蓄水初期水壓升幅大，水平位移變幅也最大；之后，位移隨著水位、溫度的周期性波動而波動發展，同時，存在受壩基、壩體材料徐變等因素影響而顯現的時效增加趨勢。各測點相對位移受溫度、水壓年度周期波動的影響不明顯。

2.2.2 典型測點位移回歸分析

選擇具有代表性的測點Dis進行回歸分析，分析結果見圖2。1991-2000年D15測點水平位移（Y）的回歸方程為Y=1.36174+3.13×10-5（H1-H0）3+1.68×10-3t-0.1616T120。該測點統計回歸復相關系數R2為0.71，標準差為2.424mm，標準差與變幅比值為0.16。時效、水位、溫度分量變幅分別為5.25、7.12、2.75mm，各分量所占比例分別為35%、47%、18%。回歸擬合精度較差，這與視準線法人工觀測總體精度不理想有關。

水位分量變化規律符合大壩蓄水運行過程，初蓄時水位增高30余m，形成最大水平位移約6mm，此后隨5m/a左右的水位變幅水位分量變幅在2mm以內；溫度分量變化也正常，溫升季節向上游膨脹、溫降季節向下游收縮，變幅約2.5mm；時效分量則呈線性發展，與實際情況不符，理論分析應呈收斂發展態勢。總體上，水壓分量占整體變位的約一半，大體是合理的，溫度、時效對水平位移也各有影響。

2.3 壩頂真空激光準直系統監測水平位移

該電站于2001年9月對真空激光準直系統進行升級改造，2003年9月改造完成后恢復觀測，對壩頂位移1周自動觀測2次，并輔以2周1次的人工比測。經論證確認真空激光準直系統端點測值的可靠性較高，且人工觀測精度明顯高于自動化觀測精度。筆者將真空激光準直系統位移測值轉換為絕對測值，并將端點的相關位移一并納入系統測值進行時程分析。

壩頂真空激光準直系統、人工觀測水平位移測值過程線見圖3、圖4。由圖可見：壩頂水平位移呈明顯的年度周期性波動，結合壩區氣溫、上下游水位運行規律進行分析，認為這種壩頂水平位移的波動，應該是受到氣溫變化致大體積混凝土熱脹冷縮及上下游水壓力變化雙重效應的疊加影響，只是不同建基面高程壩段所受水壓力效應的程度有差異。具體表現為，夏秋季溫升、上游水位下降、下游水位升高，上下游水位差減小，測點處于橫剖面的上游側，混凝土熱脹向外側即上游發展，冬春季則反向發展[4]。

2.4 視準線法與真空激光準直系統監測成果銜接分析

視準線法從蓄水前開始監測大壩水平位移，捕捉到了水位激增過程的水壓效應，但因基點未改正而有空間上的相對性；真空激光準直系統自2000年起測，盡管能獲得絕對位移且精度相對較高，但具有時間上的相對性。筆者對代表性測點D14、D15、D16，嘗試將二者銜接起來展現連續水位變化過程和趨勢。其測值過程及回歸分析見圖2、圖5～圖8，回歸方程及參數和分量統計見表1、表2。

各系列測值回歸復相關系數為0.712～0.968，標準差為0.44～2.424mm，標準差與變幅比值為0.03～0.16，且分解的各分量變化符合工程實際，因此回歸效果總體尚可。

（1）銜接合理性分析。2000年前，15#壩段位移的水壓分量占比高達47%，溫度分量占18%，時效分量呈線性增加趨勢；2000年后，則以溫度分量為主，占63%，水位變幅約5m/a的水壓所致的效應分量僅占8%，時效分量趨于收斂。銜接后，總體上還是水壓分量（占比為36%）大于溫度分量（占比為18%），且初蓄期水壓激增的效應也突出顯現。將兩種方法的測值銜接后，可以看出溫度效應引起的大壩位移在2000年前與2000年后基本一致，為4～5mm，時效分量呈收斂趨勢，符合工程實際，因此兩種測值的銜接分析盡管存在誤差，但仍是合理、可接受的。

（2）水壓位移分量。各測點測值均受水壓分量影響，其中D14、D16測點還受初期蓄水位的影響，Dis測點受上游水壓力的影響，均表現為在初蓄期水平變位急劇增加，向下游產生位移，隨后進入穩定時期；各測點位移的水壓分量變幅為3.20～8.62mm，占總變幅的22%～35%，這與常規其他測點分析的水壓分量（占比為8%）相比，差別顯著。

（3）溫度位移分量。各測點均分解出溫度分量，與氣溫呈負相關關系，即溫度升高，壩頂向上游位移[5]（測值減小）；溫度降低，壩頂向下游位移（測值增大）。溫度因子包括T90、T120，表明壩頂水平位移滯后于氣溫變化，滯后3～4個月。各測點溫度分量變幅為3.64～4.58mm，占總變幅的18%～25%，對水平位移影響較大。

（4）時效位移分量。3個測點時效分量變幅為7.71～11.84mm，占總變幅的47%～53%，但均呈收斂趨勢，表明大壩基本是穩定安全的。

3 結論

由某水電站壩頂視準線法觀測水平位移資料可知，混凝土重力壩有向下游的趨勢性位移，位移總體呈收斂趨勢，符合基巖上混凝土重力壩的一般變形規律，其水平變位是安全的。測點間的水平變位連續、協調，無大的突變，位移量在可接受的安全范圍內。由真空激光準直系統觀測資料可知，各壩段水平變位相互間連續、協調，不存在相鄰壩段間的突變、錯縫，且各壩段的變幅基本為2～5mm，變形是安全的。

視準線法、真空激光準直系統監測水平位移分別存在空間、時間上的相對性，數據存在缺陷。代表性測點的銜接分析基本展現了一種連續的過程和趨勢：總體上水壓分量占比（36%）大于溫度分量的（18%），且初蓄期水壓激增的效應也突出顯現，溫度效應變幅為4～5mm，時效分量變幅呈收斂趨勢，符合大壩工程的實際變化特征。

參考文獻：

[1]沈定斌.真空激光系統在龔嘴、銅街子大壩監測中的應用情況[J].大壩與安全，2006（4）：27-31.

[2]鄒璐.大壩變形監測資料分析[D].南昌：南昌工程學院，2012：4-26.

[3]張強勇，劉豆豆.重力壩變形統計回歸分析模型及工程應用[J].人民黃河，2005，27（7）：37-39.

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[5]郭寶玉，胡波.樂灘水電站運行期大壩變形特性分析[J].水電自動化與大壩監測，2012，36（4）：63-67.