GGQ 水電站重力壩壩基揚壓力監測成果分析

方 晗，陶興陽

(華能瀾滄江水電股份有限公司,云南 大理 672700)

1 工程概況及揚壓力監測布置情況

GGQ 水電站于云南省大理市，為二等大（2）型工程，電站樞紐工程由擋水建筑物、河床壩身泄洪建筑物、右岸地下引水發電系統組成。擋水、泄洪、引水及發電等永久性主要建筑物為2 級建筑物，次要建筑物為3 級建筑物。壩體類型為碾壓混凝土重力壩，最大壩高105.0 m，壩體從左到右分為17 個壩段。共設5 個溢流表孔，布置在8 號～12 號壩段，有1 個泄洪底孔，設置在13 號壩段，剩余1 號～7 號、14 號～17 號壩段分別為左岸、右岸非溢流壩段。

鉆孔布置測壓管用于壩基揚壓力監測，測壓管鉆入基巖深度1 m。將滲壓計安裝在測壓管中，并連接至安全監測自動化系統，同時在廊道內安裝壓力表用于人工讀數。沿壩軸線方向自上游至下游分別設置了第一排基礎灌漿廊道、第二排縱向排水廊道、第四排排水廊道3 個監測斷面，各斷面上每個壩段有一個測點。垂直壩軸線方向選取了3 個典型壩段作為監測斷面，包括5 號壩段、8 號壩段和14 號壩段中線，各個斷面從上游帷幕前開始沿線布置測壓管或滲壓計。

2 監測成果定性分析

（1）首先繪制每個揚壓力測點的測值過程線，從圖中可以清楚地看到第一排基礎灌漿廊道內揚壓力測孔水位主要受上游水位變化影響，第四排排水廊道內揚壓力測孔水位主要受下游水位變化影響。兩排廊道內揚壓力測值都隨著水位升高而增大，水位下降而減小，呈現正相關關系，但也有一滯后過程。

（2）為分析上游主帷幕的防滲效果，計算2018 年6 月16日第一排基礎灌漿廊道上各測點的實測揚壓力系數見表1。除了位于6 號壩段的UP09 外，第一排基礎灌漿廊道內的測點實測揚壓力系數為0.01～0.17，均小于設計折減系數0.2，由此可以推斷出大壩主防滲帷幕起到了良好的防滲作用，有效保障了大壩安全，實現了設計預期效果。

表1 第一排基礎灌漿廊道揚壓力折減系數表

（3）第一排基礎灌漿廊道內6 號壩段UP09 測點的揚壓力折減系數為0.3，顯著高于第一排廊道位置設計揚壓力折減系數0.2。經查閱地質資料，F25 斷層通過該點位置，雖然斷層已經過處理，但該測點可能正好位于破碎裂隙位置，導致揚壓力測值偏高。經與同斷面及附近測孔水位比較，可判斷屬于個別現象，不影響整個主帷幕防滲效果。現場檢查發現距該點0.5 m有一個壩基排水孔，孔口無水，也能夠佐證這一點。

（4）8 號壩段為最大壩高壩段，選取該壩段橫向監測斷面上從上游至下游的4 個揚壓力測點，分別計算其換算水位見表2。由于下游水位較高，加上第四排排水廊道與上游防滲帷幕距離較遠，因此第四排排水廊道內揚壓力測孔水位受下游水位影響較大，說明設置下游帷幕是必要的。經計算，雖然UP39 測孔水位相對較高，但殘余揚壓力系數也未超出設計值0.5，不影響壩基安全。

表2 8 號壩段揚壓力測孔水位表

3 監測成果定量分析

3.1 統計模型

使用逐步回歸分析法[1]，利用揚壓力測孔水位主要受上下游水位、溫度、時效影響的原理，根據統計模型公式建立了46個壩基揚壓力測點的回歸模型。

式中：a0、a1、a2、b1i、b2i、c1、c2為回歸系數；Hu、hd為分別為對應日期的上游水深、下游水深；Hu0、hd0為分別為初始監測日上游水深、下游水深。t 為監測日至始測日的累計天數；t0為計算時段起測日至始測日之間的累計天數；θ 為監測日至測點始測日的累計天數除以100；θ0為建模起始日至始測日的累計天數除以100。

用于評估回歸方程的有效性和精度的常用指標有復相關系數、標準差等[2]，因此，統計計算各測點數學模型回歸方程的復相關系數見表3。可以看出，46 個測點中復相關系數大于0.8 的共有29 個測點，且最小復相關系數為0.68。結果表明，該統計模型具有較高的精度，可用于揚壓力監測數據的定量分析。

表3 揚壓力測點回歸模型復相關系數統計表

圖1 UP06 實測擬合對比曲線圖

3.2 影響因素分析

為了掌握上下游水位、溫度和時效等各種因素對壩基揚壓力測孔水位的影響，選擇典型年份（2014 年）的數據，計算和分析統計模型中各個組成部分的變化值占總變化量的比例。

除UP2 外，其他壩基揚壓力測點數學模型均選中上下游水位分量，且其占比最高，說明上下游水位分量對壩基揚壓力變化影響最大。在2014 年揚壓力總變化量中，UP03、UP25、UP36、UP38、UP40、UP41 等測點上下游水位分量占揚壓力變化量的44.41%～73.19%，其他測點的上下游水位分量占揚壓力變化量的8.39%～37.46%。

在大多數揚壓力測點數學模型中，溫度分量占比居中，表明其對揚壓力變化有著明顯的影響。在2014 年揚壓力總變化量中，UP11、UP25、UP27、UP29、UP36、UP38、UP40 等測點溫度分量占揚壓力變化量的7.15%～29.47%，其他測壓管溫度分量占揚壓力變化量的31.58%～86.28%。

各揚壓力測點數學模型均選中了時效分量，但其比例反映出時效分量對該重力壩壩基揚壓力變化影響最小。在2014年揚壓力總變化量中，UP13、UP26、UP27、UP33、UP37 等測點時效分量占揚壓力變化量的47.45%～66.24%，剩余測壓管時效分量占比相對較低，占揚壓力變化量的2.21%～38.46%。

經分析，在影響該重力壩壩基揚壓力變化的3 個因素中，上下游水位分量影響最大，溫度分量居中，時效分量影響最小。由于該電站為日調節水庫，影響最大的上下游水位全年變化不大，溫度也保持比較穩定的周期性變化，而可能變化較大的時效分量則影響最小，因此可初步推斷該重力壩壩基揚壓力總體不會有太大的變化。

4 安全監控指標

4.1 安全監控指標制定方法

除了根據設計階段各類計算成果提出的設計監控指標外，大壩運行期還需要根據安全監測資料的積累情況適時提出運行期監控指標。運行期監控指標一般可以通過綜合比較法、置信區間估計法、典型效應量小概率法、結構計算法和可能不利荷載組合法來制定。根據該重力壩的特點和實際情況，采用置信區間估計法和典型效應量小概率法來制定安全監控指標。

（1）置信區間估計法

置信區間估計法首先需要建立揚壓力測點的數學模型，然后使用數學模型的結果計算監測效應量（E^）與實測值E 的差值（E^-E）。該值有100（1-α）%的概率落在置信帶Δ=±iS 范圍之內，而且測值過程沒有出現明顯的趨勢性變化，則可以認為運行時正常的，反之是異常的[3]。

根據該重力壩具體情況，參考其他同壩型、同規模工程經驗，取顯著性水平α 為5%，此時i 取值1.96，即Δ=±1.96S。此時，判別標準為：

①當（E^-E）＜1.96S，且測值過程沒有出現明顯的趨勢性變化時，可認為該測點測值正常或安全。

②當（E^-E）≥1.96S 時，測值異常。

因此，相應監測效應量的監控指標為：Em=E^±1.96S。

（2）典型效應量小概率法

根據工程具體情況，從壩基揚壓力的長期監測資料中，選擇在不利荷載組合時的監測效應量Xmi，Xmi則為隨機變量，由長期監測數據可以獲得一個子樣數為n 的樣本空間：

根據下式計算其平均值和標準差：

然后，用小樣本統計檢驗方法，進行分布檢驗，以確定其概率密度f(x)的分布函數F(x)(如正態分布、對數正態分布以及極值I 型分布等)[4]。

假設Xm為監測效應量的極值，因此當X＞Xm時，大壩將要出現異常或險情，由分布函數可以計算出X＞Xm的概率為：

參考其他同壩型、同規模工程經驗取失事概率Pα為5%，可由Xm的分布函數直接求出Xm=F-1（x，σx，α）。

4.2 安全監控指標確定原則

首先根據工程主副防滲帷幕及排水孔的布置形式，按照規范及設計計算參數，計算出揚壓力測點的結構計算值。然后，根據置信區間估計法、典型效應量小概率法，分別計算揚壓力測點監控指標，同時統計各測點的歷史極值，將以上計算結果和統計值與結構計算值比較。當以上數值沒有超過結構計算值時，取以上數值中的極值為安全監控指標。當以上數值超過結構計算值時，取結構計算值為安全監控指標。

4.3 揚壓力安全監控指標

首先對各揚壓力測點的數據質量進行評判，在此基礎上選擇UP 08、UP11、UP17、UP25、UP26、UP27、UP33、UP39、UP41、UP46 共9 個揚壓力測點制定安全監控指標。接著根據上述制定方法和確定原則，計算制定揚壓力測點安全監控指標，詳見表4。

表4 揚壓力測點安全監控指標統計表（單位：kPa）

由于該重力壩揚壓力監測手段有滲壓計和壓力表兩種，其中滲壓計測值為負值時表示有壓，因此選擇最小值作為不利值，計算最小值作為安全監控指標；而壓力表測值為正值時表示有壓，因此選擇最大值作為不利值，計算最大值作為安全監控指標。

揚壓力測點UP25 置信區間估計法、典型效應量小概率法計算結果以及歷史極值都未超過結構計算值，因此將選擇計算結果和歷史極值中的最小值作為安全監控指標。但由于UP25揚壓力測點的數學模型復相關系數R＜0.8，置信區間與測值區間比例大于50%，因此置信區間估計法計算結果不作為監控指標依據，最終選用典型效應量小概率法計算結果作為UP25 測點安全監控指標。

當上述測點測值接近或超過安全監控指標時，應立即進行測值復測，增加觀測頻次，關注測值變化。如測值出現趨勢性變化，應加強現場檢查，并對監測數據進行分析和評估，必要時進行壩體滲流穩定復核結構計算，提出大壩運行控制要求。

5 結語

為充分運用GGQ 水電站重力壩壩基揚壓力監測成果對大壩安全進行評估，定性分析了壩基揚壓力的分布規律、UP09 揚壓力系數偏高的原因，同時建立了壩基揚壓力統計模型進行定量分析，得出了該重力壩壩基揚壓力主要受上下游水位影響、主帷幕防滲效果良好、UP09 測值偏高不影響大壩安全等結論，最后通過置信區間估計法、典型效應量小概率法，制定了揚壓力安全監控指標，為大壩運行期間的揚壓力安全監測提供了科學依據。