某高面板堆石壩運行期沉降特性模型分析

唐朝 史波

摘要：為判斷某高面板堆石壩運行期的工作性態，定性分析了壩體內部沉降監測成果，并建立運行期壩體內部沉降統計模型，定量分析運行期沉降影響因素，并采用基于統計模型的運行期壩體內部沉降分析方法來判別變形穩定性。分析成果表明，壩體內部沉降變形規律正常，分析規律協調，運行期時效變形是沉降變化主要影響因素，蓄水7～8年之后沉降變化趨于穩定，沉降性態正常。

關鍵詞：高面板堆石壩;沉降;運行期;統計模型;沉降穩定性

1 工程概述

某水電樞紐工程位于甘肅省，是黑河中上游梯級水電站。樞紐工程等別為Ⅱ等，主要建筑物級別為2級，樞紐主要由面板堆石壩、溢洪道、發電涵洞及廠房、變電站等主要建筑物組成。水庫正常蓄水位1920.00m，設計洪水位1921.00m，校核洪水位1923.00m。

大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高146.50m，壩頂高程1924.5m，壩頂寬度10.50m，壩頂長度190.64m。上游壩坡1：1.5;下游壩坡1：1.5～1：1.4，坡間設有2.5m寬的馬道，平均壩坡1：1.498。本工程于2001年底正式開工建設，于2004年開始大壩堆石體填筑，2005年底大壩壩體填筑至壩頂高程，2005年12月下閘蓄水，2006年之后上游水位基本穩定。工程于2007年通過竣工安鑒，正式轉為運行期。

2 壩體內部沉降監測布置

監測測點布置是大壩安全監測設計的基本內容，測點布置合理性與有效性對監控大壩安全、提高監測系統的針對性具有重要意義。

某高面板堆石壩采用水管式沉降儀來監測典型斷面壩體沉降，共布置3個內部沉降監測斷面，河床斷面（主監測斷面）內部沉降監測布置見圖1，河床斷面共布置3個典型高程內部沉降監測測線，測點高程間距20m～30m，每條測線布置4～6個沉降測點，測點間距20m～60m，測讀裝置集中布置在每條測線下游壩坡的觀測房內，觀測房頂設有下游壩坡表面垂直位移觀測墩。

3 壩體內部沉降監測數據常規分析

3.1 壩體內部沉降時程變化過程分析

壩體內部水管式沉降儀代表性測點實測垂直位移變化過程線見圖2，其中垂直位移向下沉方向變形為正，向上抬方向變形為負。結合壩體填筑和蓄水過程，可知壩體內部沉降具有如下特點：

（1）壩體內部沉降各測點均表現為向下沉方向變形，沉降主要發生在填筑期和蓄水初期，蓄水結束后，沉降前期緩慢增長，后期逐漸收斂。

（2）各沉降測線最大沉降量均發生在壩軸線或其附近的測點處，斷面中部測點沉降量相對較大，上下游側測點沉降量相對較小，符合一般規律性。

3.2 壩體內部沉降特征值分析局限性

壩體內部沉降特征值分析是面板堆石壩分析的一個主要內容，但是由圖2可見，轉為運行期后，由于儀器性態下滑以及日常維護不到位等因素影響，沉降測值出現突變、毛刺等異常波動現象，實測壩體內部沉降值雖然總體上可以反映運行期壩體內部沉降規律，但是在分析壩體內部沉降特征值時容易給出異?；蝈e誤數據，在分析沉降變化量時尤為明顯，故在分析此類內部沉降監測數據時，有必要對沉降測值過程線進行必要的處理，盡可能消除誤差影響。

4 基于統計模型的運行期壩體內部沉降分析

4.1 建模原理和方法

監測統計模型是一種根據已取得的監測資料、以環境量作為自變量、以監測效應量作為因變量、利用數理統計分析方法而建立起來的、定量描述監測效應量與環境量之間的統計關系的數學方程。

已有的壩工知識和經驗表明，運行期面板堆石壩內部沉降在時刻t的變形效應量主要受上游水位（水壓）、溫度、降雨及時間效應（時效）等因素的影響，因此監測統計模型主要由水壓分量、溫度分量、降雨分量和時效分量構成[1][2]。其模型的一般表達式為

式中，為監測效應量y在時刻t的統計估計值;為的水壓分量;為的溫度分量;為的降雨分量;為的時效分量。

相關研究表明，水位分量與水壓H的1～4次方有關;溫度分量取決于大壩溫度場的變化，可采用壩體實測溫度值，也可采用外界氣溫變化間接地描述壩體溫度場的變化;降雨分量采用實測壩址降雨量數據;時效分量是一種隨時間推移而朝某一方向發展的不可逆分量，時效分量的變化一般與時間呈曲線關系，可采用對數式、指數式、雙曲線式、直線式等表示[3]。則傳統統計模型一般表達式為

（2）

式中，a0為回歸常數;ai、bi、ci、di為回歸系數，均由回歸分析確定;n1、n2、n3、n4分別為水壓因子、溫度因子、降雨因子和時效因子個數;H（t）為t時刻作用在大壩上的水壓;Ti（t）為t時刻溫度測點i的溫度測值;yi（t）為t時刻壩址降雨量測值;Ii（t）為時效因子。

4.2 模型精度和影響因素分析

（1）模型精度分析

根據以上方法建立運行期壩體內部沉降各測點統計模型，對運行期沉降測值進行逐步回歸分析，在統計回歸分析中進行統計檢驗的置信水平為0.05，各測點模型精度見表1。

各測點統計模型的復相關系數R在0.73～0.97之間，中間高程測線各測點（V2-1～ V2-5）復相關系數R在0.90～0.95之間;統計模型剩余標準差與實測值變幅的比值η在0.78%～6.84%之間，中間高程測線各測點（V2-1～ V2-5）η在0.95%～3.72%之間。總體來說，所建立的統計模型質量尚可，中間高程測線各測點（V2-1～ V2-5）統計模型質量較高，后面著重分析中間高程測線。

（2）影響因素分析

中間高程測線各測點（V2-1～ V2-5）統計模型質量較高，運行期水壓分量對于壩體內部沉降基本無影響，降雨對運行期壩體內部沉降有一定影響，在0～14.42%之間，影響程度較小，運行期壩體內部沉降主要受時效變形影響，分量比重在83.04%～100.00%之間，符合一般規律性。

4.3 基于統計模型的運行期內部沉降穩定性分析

壩體內部沉降穩定性判斷的一個重要指標是沉降年增長量值，一般情況下壩體內部沉降年增長在5mm以內時，可認為壩體運行期沉降已處于穩定狀態。

運行期水壓以及降雨等分量對內部沉降影響很小，運行期壩體內部沉降時效分量年增長逐年減小，沉降逐年趨穩;2013年壩體內部沉降各測點時效分量年增量在1.67mm～5.46mm之間，沉降增量基本在5mm以內， 2014年之后壩體內部沉降各測點時效分量年增量均在5mm以內，2014年之后沉降可認為壩體內部沉降處于穩定狀態，該本工程在2016年蓄水，堆石壩內部沉降在蓄水7～8年后處于穩定狀態。

5 結語

本文定性分析了某高面板堆石壩內部沉降監測成果，建立運行期壩體內部沉降監測統計模型，定量分析了統計模型精度和運行期沉降影響因素，同時，考慮到沉降測值的突變、毛刺等異常波動現象，采用基于統計模型的運行期壩體內部沉降分析方法來判別內部沉降變形穩定性，分析結果表明，該高面板堆石壩內部沉降變化規律合理，時效變形是運行期沉降的主要影響因素，蓄水7～8年之后壩體內部沉降趨穩。

參考文獻：

[1]李珍照. 大壩安全監測[M]. 北京：中國電力出版社， 1997.

[2]吳中如. 水工建筑物安全監控理論及其應用[M]. 北京：高等教育出版社， 2003.

[3]何金平. 大壩安全監測理論與應用[M]. 北京：中國水利水電出版社， 2010.