拉洛水電站泄洪洞監測成果分析研究

郭修云

(西藏自治區拉洛水利樞紐及灌區管理局，西藏 拉薩 851414)

1 工程概況

拉洛水利樞紐位于西藏自治區日喀則市西部薩迦縣的夏布曲干流，是一座以灌溉為主，兼有供水、發電、防洪等綜合功能的大型水利控制性工程。水庫正常蓄水位為4 298.00 m，總庫容2.965億m3，控制流域面積3 366 km2[1]。

樞紐工程由瀝青混凝土心墻礫石壩、泄洪洞、溢洪道、發電廠房、魚道、德羅引水發電系統組成，其中泄洪洞布置于大壩右岸，集施工期導流、運行期泄洪、發電引水、水庫放空等功能于一體，屬于多功能隧洞。多功能泄洪洞是水利水電行業的研究重點之一，其可以有效降低工程投資，目前國內外雖有實際應用，但泄洪洞大多是利用原有導流洞改建而成[2-3]。拉洛水電站泄洪洞于2015年5月施工，2016年9月完工，2017年完成襯砌澆筑，是國內首個一次建成的多功能隧洞[4]，投入運行至今已5年多，通過對泄洪洞全過程監測，采集了大量變形、應力、滲流等原始監測數據。本文對前期收集到的泄洪洞監測數據進行詳細分析，對泄洪洞的工程質量做出評價，給同類工程資料分析提供借鑒，同時基于最大熵理論提出重點監測項目安全指標，為拉洛水電站泄洪洞的未來監測提供可靠依據，以保證該工程的安全性與耐久性。

2 地質情況與監測布置

拉洛水電站泄洪洞位于大壩右岸，進口距壩軸線上游約240 m。泄洪洞為2級建筑物，橫斷面為圓形，洞徑5.4 m，長576 m；進口底板高程4 265 m，出口底板高程4 255 m。隧洞圍巖為三疊系涅如組板巖，巖體完整微風化。巖體透水性隨深度增加而減小，在承壓水出現孔段，巖體透水性增強。泄洪洞的主要不利地質因素有隧洞多處存在層間擠壓破碎帶，破碎帶寬0.40～4.20 m不等。洞身滲水點較多，多為勘探孔揭露承壓水。

為監測和反饋控制泄洪洞的安全運行，隧洞內共布設5個永久監測斷面，分別為1-1斷面(X0+18.00)、2-2斷面(X0+235.00)、3-3斷面(X0+302.02)、4-4斷面(X0+339.01)、5-5斷面(X0+560.98)。每個監測斷面分別埋設3套多點位移計、3支錨桿應力計和2支測縫計，另在1-1斷面、3-3斷面各布置2支滲壓計，用于監測泄洪洞圍巖內部變形、支護結構錨桿應力、接縫開度及滲透壓力情況。目前，各監測儀器運行正常，監測頻次滿足規范要求。泄洪洞斷面布置見圖1，典型斷面1-1監測儀器布置如圖2所示。

圖1 拉洛水電站泄洪洞斷面布置示意

圖2 泄洪洞典型監測斷面(1-1斷面)儀器布置

3 誤差剔除及異常值修正

測點在收集或傳送數據過程中可能會由于人為失誤、外界干擾或系統故障等原因，造成數據序列存在一定缺失或者數據存在離群尖點(毛刺粗差)、“臺階狀”突變等異?，F象，故在對監測數據分析之前需要對這些原始數據進行預處理，通過對缺失或異常數據的處理，以保證數據的完整性、可靠性和一致性。

3.1 異常值修正

異常值處理主要用于剔除因各種原因導致錄入錯誤以及不合常理的數據，通常按缺失值進行處理。與缺失值處理不同，異常數據處理的關鍵是正確識別正常值和異常值。由于時效因素對測值的影響相對較小，則可假設某個短時間區段內測值服從正態分布N(μ，σ2)，采用3σ準則剔除異常值。其處理過程為：①以某測點監測數據為樣本，計算得到樣本標準差σ和均值μ；②對測點數據進行過程線檢查，檢驗毛刺所在測點值是否超過μ±3σ，若超過，則認為該測值不合理，應予剔除。該方法僅剔除離群突變尖點，保留了外荷載條件變化、人為擾動等因素引起的“臺階狀”突變或向某一方向漸進持續性位移增長，這些測值應結合實際情況進一步分析。

3.2 缺失值修正

對于缺失數據的處理通常采用簡單刪除與填充法。數據處理手段為對于監測序列上的數據空缺，若空缺時段小于1個月，則進行線性插補；若缺失時段較長，參考過程線上測值規律性較好且波動中心穩定的時段及空白時段前后測值大小，對空白區段進行3次樣條曲線插值。

4 監測資料分析

4.1 圍巖變形分析

為了監測泄水隧洞圍巖變形，在5個監測斷面的頂拱、左右邊墻部位各布置1支多點應力計，儀器編號依此為M01XHD～M15XHD。每支多點位移計設4個測點，4個測點距孔口分別為1、4、7、20 m。只有1-1斷面M03XHD多點位移計的4個測點距孔口為1、4、7、12 m；5-5斷面M15XHD多點位移計的鉆孔深度為7 m，3個測點距孔口分別為1、4、7 m。

典型測點變化過程線如圖3所示，由圖3可知，對各斷面進行分析，受1-1斷面處澆筑二襯混凝土影響，測點M02XHDA錨頭(深度1 m)位移于2016年8月21日左右壓縮了0.9 mm，目前基本穩定。3-3斷面淺層圍巖變形較大，深度越深圍巖變形越小，符合一般規律，但相較其它斷面圍巖變形，3-3斷面圍巖變形整體略大，推斷與該段面位置受較高承壓水影響所致。4-4斷面測點受灌漿平洞爆破施工影響，自2018年10月后該斷面多點位移計不同深度錨頭變形均有影響，其中測點M11XHD(洞身頂拱)7 m處錨頭一直呈壓縮態勢，洞身左右邊墻呈受拉變形狀態。

圖3 多點位移計典型測點變化過程線

目前，圍巖變形總體呈穩定態勢，各斷面頂拱圍巖變形最大，其次為兩側邊墻，符合圍巖應力二次重分布的一般規律，典型斷面圍巖變形分布如圖4所示。

圖4 泄洪洞3-3斷面圍巖變形分布(單位：mm)

4.2 錨桿應力測值分析

為監測泄洪洞圍巖應力，在5個監測斷面的頂拱、左右邊墻部位各布置1支錨桿應力計，儀器編號依此為R01XHD～R15XHD。錨桿應力計的測值變化過程線見圖5。由圖5可知，受施工影響，各別測點在二次襯砌時有小幅突變，但變幅很小。錨桿應力整體不大，與溫度呈負相關性，2019年9月30日初期下閘蓄水后錨桿應力變化較小，可以推測目前泄水隧洞圍巖變形正常，錨桿以溫度應力為主。

圖5 錨桿應力計測值變化過程線

錨桿應力計測值特征值統計見圖6。由圖6可知，當前錨桿應力為-4.84～11.42 MPa，最大拉應力位于4-4斷面測點R10XHD，最大壓應力位于5-5斷面測點R15XHD。其中，純受拉錨桿有12支，占總數的80%；純受壓錨桿有3支，占總數的20%。錨桿應力變幅較小，在0.61～13.10 MPa之間，據此推斷錨桿所處部位的巖體完整，或者錨桿與巖體接觸良好，不存在結構面、裂隙等不穩定結構。

圖6 錨桿應力計測值特征值統計

4.3 縫開合度分析

為監測砌體與圍巖的結合情況，在5個監測斷面的左側墻和頂拱處分別布置1支測縫計，測縫計編號依次為J01XHD～J10XHD。典型接縫計位移變化過程如圖7所示。由圖7可知，受灌漿施工影響，部分測點二襯及回填灌漿期間有小幅波動現象，但之后均回到原來的測值。目前泄洪洞各斷面接縫位移基本穩定，變化速率為0.01 mm/d，接縫位移與溫度呈一定的負相關性符合一般規律。2019年初期蓄水后縫開合度無明顯變化。

圖7 泄洪洞洞身圍巖與二次襯砌混凝土典型接縫位移過程線

泄洪洞洞身圍巖與襯砌接縫位移特征值統計見圖8。由圖8可知，接縫變幅為0.19～2.27 mm，位移量較小。目前接縫位移為-0.08～1.89 mm，8支測縫計接縫呈張開狀態，位移1 mm以上測點有2支，位移0.5～1 mm測點有3支，其余均在0.5 mm以內。從量值上看，開合度最大的測點均在3-3斷面側墻，與其他監測項目綜合分析，該部位滲壓及變形測值均高于其他斷面，主要是由于隧洞通過圍巖破碎帶，受山體承壓水影響所致。其他部位接縫開合度變化都較小，處于正常工作狀態。

圖8 隧洞襯砌接縫特征值統計

4.4 滲透壓力分析

為監測泄洪洞圍巖滲流情況，泄洪洞在1-1斷面、3-3斷面的左右側墻處各布設1支滲壓計。其中，P01XHD～P02XHD布置在1-1斷面，P03XHD～P04XHD布置在3-3斷面。泄洪洞水位-庫水位過程線關系見圖9。由圖9a可知，泄洪洞1-1斷面(灌漿帷幕前)的2支滲壓計測值與庫水相關性較好，庫水位升高，洞身圍巖滲壓增大，變化規律符合泄水隧洞滲流特點。由圖9b可知，3-3斷面圍巖滲壓自二襯后水位均較高，遠高于上下游水位，應與該監測斷面位于圍巖破碎帶，洞身周邊圍巖破碎，主要受山體承壓水影響所致。2019年7月26日對右岸灌漿平洞帷幕灌漿鉆孔進一步驗證該段承壓水滲壓較大，同時該帷幕灌漿孔對圍巖滲壓起到了泄壓作用，圍巖滲壓有所下降。當前1-1斷面(帷幕前)測值折算水位分別為4 275.06 m和4 272.52 m，3-3斷面(帷幕后)滲壓計當前測值折算水位分別為4 311.39 m和4 312.01 m。監測結果基本合理，監測斷面基本穩定，但鑒于右岸山體地下水位高對泄洪發電隧洞洞身結構及岸坡穩定不利，應加強監測并及時分析。

圖9 監測斷面測壓管折算水位-庫水位過程線

5 泄洪洞監控指標擬定

為了有效保障水工建筑物的安全運行，常根據水工建筑物的工作機制，結合實測資料，選擇對工程安全較不利的項目和測點擬定安全監控指標[5]。由于3-3斷面滲壓水位受右岸山體地下水影響一直偏高，對泄洪洞洞身的穩定不利，故采用最大熵理論[6-8]為3-3斷面滲壓計擬定監控指標，以便針對性關注并及時發現運行過程中的異常情況。

5.1 基本原理

最大熵理論無需提前假定監測效應量的分布概型，只要根據較少的監測效應量統計信息得到的數字特征值進行估計，就能獲得精度較高的概率密度函數，適合安全監控指標的擬定。簡要闡述泄水隧洞監測效應量監測指標具體確定方法。

將監測效應量ξ的信息熵定義為

(1)

式中，f(ξ)為ξ的分布密度函數。

根據最大熵原理可知，最合理的概率密度分布是在滿足根據已知樣本信息推導得出的一些約束條件下使熵H(ξ)達到最大值的分布，即

(2)

約束條件為

(3)

式中，R為積分空間；μi為第i階原點矩；n為原點矩階數。

采用伴隨算子法進行求解，首先建立相應的拉格朗日方程

(4)

(5)

式中，λi為伴隨算子。將效應量樣本數據和式(5)帶入約束條件式(3)，可求得λi，進而構建最大熵概率密度函數f(ξ)。

令ξm=F-1(ξ，α)為監測效應量的極值，則監測項目可能出現異常的概率為

(6)

式中，Pα為失效概率。將確定的隨機變量ξ最大熵密度函數f(ξ)代入式(6)即可確定Pα下相應的監控指標xm。其中，失效概率Pα根據項目重要性確定，一般取1%～5%。

5.2 滲透壓力監控指標

考慮泄洪洞運行的實際情況，失事概率選取Pα=0.01。表1統計了泄洪洞建成后3-3斷面滲透壓力年最大值，并以此作為分析樣本。

表1 3-3斷面每年滲透壓力最大值統計結果 MPa

結合最大熵理論，求出最大熵概率密度函數所需參數見表2。

表2 各階原點矩和標準差

由表1、2可計算求得3-3斷面滲透壓力的最大熵概率密度函數并代入式(6)即可確定3-3斷面滲透壓力安全監控指標。根據上述計算過程得到的滲透壓力P的監測指標Pmax分別為0.807和0.868，若測點滲壓值PPmax，但無增大趨勢，應加強監測，查找原因；若測值同時有增大趨勢，應在分析查找原因的基礎上，采取適當措施，以確保泄洪洞的安全。

6 結論與建議

對泄洪洞的監測資料進行了綜合分析，并結合地質情況分析了監測成果，可以得出如下結論：

(1)各工程部位的監測結果基本合理，洞身圍巖與襯砌混凝土接縫位移、洞身圍巖變形量小，洞身圍巖應力正常，所處斷面處于穩定狀態。

(2)3-3斷面圍巖滲壓水位自襯砌施工后滲透壓力較其他斷面偏大，主要受右岸山體破碎帶地下承壓水的影響。建議重點關注該斷面滲透壓力效應量的變化情況，本文基于最大熵理論提出了滲透壓力效應量的安全監控指標，以便發現異常時及時上報并分析原因。

(3)右岸山體破碎帶較多，地下水位較高，對泄洪洞洞身結構及岸坡穩定不利，建議增設右岸滲壓監測儀器，以反映右岸地下水分布情況；同時增設右岸排水、滲流量監測和進水口兩側邊坡監測設施。