長洲水利樞紐混凝土重力壩壩頂垂直位移變量分離研究

曹建偉

摘? 要：壩頂垂直位移是反映混凝土重力壩變形的重要指標，通過對長洲水利樞紐混凝土重力壩壩頂垂直位移觀測數據整編與分析，建立逐步回歸分析模型，分析大壩壩頂垂直位移變化規律，結果表明，溫度分量是影響壩頂垂直位移的主要因素，水壓分量和時效分量是影響壩頂垂直位移的次要因素。希望可以為行業內混凝土重力壩壩頂垂直位移分析提供參考。

關鍵詞：長洲水利樞紐? 混凝土重力壩? 壩頂垂直位移? 變量分離

中圖分類號：TV698.1 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）11（c）-0064-03

1? 引言

1.1 工程概況

廣西長洲水利樞紐位于西江水系干流潯江下游河段，樞紐壩軸線跨兩島三江（外江、中江、內江、長洲島和泗化洲島），是一座以發電為主，兼有航運、灌溉和養殖等綜合利用效益的大型水利工程。樞紐工程主要由土石壩、重力壩、廠房、泄水閘、魚道、船閘等建筑物組成。長洲水利樞紐水庫正常蓄水位20.6m，死水位18.6m，汛期限制水位18.6m，水庫總庫容56.0億m3，正常蓄水位時庫容18.6億m3，屬一等工程，壩頂高程34.6m，最大壩高56m。該工程監測項目主要有外部變形、基巖變形、混凝土裂縫、滲流、應力應變、溫度等監測項目，其中變形監測為監測重點。

1.2 垂直位移監測簡述

壩頂垂直位移監測是變形監測的一項主要內容，其成果能準確反映水工建筑物垂直向的變形性態。按照工程特點，內、中、外江壩頂布置了垂直位移測點，各布設1條水準線路，共計3條水準線路103個測點;其中外江壩段垂直位移測點50個，內江壩頂垂直位移測點44個，中江垂直位移測點44個;均按一等水準觀測方法進行施測。

作為長洲水利樞紐的重要變形監測指標——壩頂垂直位移監測，其監測值反映的是各種內外部條件的綜合作用下的垂直向變形效應，即既有水位水壓效應引起的變形，又有溫度效應引起的變形，還有建筑物、基巖等的時間效應引起的變形，而采用測量儀器監測得到的物理量只是上述效應的綜合表現。因此，有必要通過一定的數學模型和結構分析，對各種效應量進行分離，定性、定量評價各種效應量對壩頂垂直位移的影響，建立科學的評價機制，對進一步確定壩體穩定的評價手段等工作具有重要意義。

2? 長洲水利樞紐垂直變形建模

一般影響重力壩變形（水平位移和垂直位移）的因素較多，其中水壓、溫度和時效是影響壩體變形的三大因素。通過對該工程混凝土重力壩壩頂垂直位移監測資料的分析，采用逐步回歸分析法建立重力壩壩頂垂直位移統計回歸分析模型，確定三大因素的影響程度排序。

2.1 壩頂垂直位移的統計模型介紹

壩頂垂直位移主要受水壓、溫度、時效等因素的影響，由水壓分量、溫度分量和時效分量組成，即：

δ=δH+δT+δθ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中，δ為垂直位移;

δH為水壓分量;

δT為溫度分量;

δθ為時效分量。

2.2 模型分量表達式

2.2.1 水壓分量（δH）

對于大壩而言，壩體任一點在水壓作用下產生的水壓分量δH與水深H1、H2、H3有關，即：

（2）

式中：Hu為監測日水深;

H0為起測日水深;

Hu，i-2為分別為監日前1d、前2～3d、前4～9d、前10～15d、前16～30d平均水位（i=4～8）;

ai為回歸系數。

2.2.2 溫度分量（δT）

長洲水利樞紐處南方高熱區域，考慮到大壩已運行10年多，故選用周期項模擬壩體溫度場的變化。若溫度影響用周期函數表示，則δT為：

（3）

式中：n為根據大壩的實際情況取2;

t為監測日當天至起測日累計天數。

2.2.3 時效分量（δθ）

大壩產生時效位移的原因極為復雜，它包括壩體裂縫、大壩加固引起的結構變化，以及壩體和基巖的蠕變及基巖地質構造的壓縮變形等引起的不可逆變形等因素。一般時效位移蓄水初期變化劇烈，其后漸趨平穩。根據大壩實際情況，選用下列形式：

δθ=c1（θ-θ0）+c2（Inθ-Inθ0）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

式中：θ為從始測日至觀測日的累計天數除以100;

c1、c2為回歸系數。

綜上所述，根據大壩的特點，并考慮初始值的影響，得到大壩的垂直位移的統計模型為：

+

+δθ=c1（θ-θ0）+

c2（Inθ-Inθ0）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

3? 壩頂垂直位移測量成果分析

3.1 實測數據分析

對于該工程而言，用DNA03數字水準儀測得的數據為各種效應量結果下的復合變形量，如圖1、圖2所示。

從上述變形曲線看，混凝土壩段呈現典型的周期性變形狀態，變化周期大約為1年，總體在合理范圍內變化。

3.2 統計模型分析

結合長洲大壩的特點，根據歷時多年的長期觀測數據，選取外江船閘WLD-08、WLD-09、WLD-10、WLD-11、WLD-12和外江閘壩WLD-18、WLD-29、WLD-25、WLD-33為典型斷面（測點），以長期的實測結果為基礎，采用逐步回歸分析法，建立大壩垂直位移觀測資料統計模型，計算大壩垂直位移統計模型的回歸系數、復相關系數（R）和標準差（S）等，繪制大壩垂直位移觀測資料的實測值、擬合值及殘差過程線，進一步分離各個因子引起的變形量。圖3～圖4為重力壩、閘壩典型測點回歸成果過程線（橫向坐標為日期）。

從表1中回歸成果來看，統計模型復相相關系數R在 0.933～0.966之間，模型質量較好，能較好地反映壩頂垂直位移的變化規律。

3.3 變量分離

為評價各因素對大壩垂直位移的影響，特選取各測點2014—2018年壩頂垂直位移的測值進行分析，壩頂垂直位移各分量變幅量統計見表2。

3.4 長洲水利樞紐大壩壩頂垂直位移變形評價

通過上述壩頂測點垂直位移的定性和定量分析，對大壩垂直位移的性態評價如下。

（1）在所有的影響因子中，溫度因子是大壩建成后的主要變形影響因素，即溫度變化主要影響混凝土壩段壩頂垂直位移變化。溫度變化與壩頂垂直位移呈負相關，呈明顯的年周期變化。其中壩頂垂直位移年變幅中溫度分量所占比例約為69%～79%。

（2）水壓變化和時效對垂直位移有一定影響，所占比例分別約為9%～13%、9%～20%。

4? 結論和建議

（1）長洲水電站混凝土重力壩段（含船閘壩段和泄水閘）壩頂垂直位移主要受溫度變化影響，水位和時效因素起次要作用，壩頂垂直位移變化規律正常，時效變化已趨收斂，壩頂各測點沒有明顯的不均勻沉降現象。

（2）通過模型的進一步分析和演算，對于該工程的水平位移變形可參考采用類似的計算模型，建立電站的系統變形分析工具，形成數據管理的數值化手段。

參考文獻

[1] 張進平，莊萬康.大壩安全監測的位移分布數學模型[J].水利學報，1991（5）：28-35.

[2] 李珍照.大壩安全監測[M].北京：中國電力出版社，1997.