陳浩潔，吳震宇，羅文廣

(四川大學(xué)水利水電學(xué)院，成都，610065)

1 工程概況

重慶龍溪河梯級(jí)水電站大壩為混凝土重力壩，左岸擋水壩長(zhǎng)79.4m，壩頂高程225.00m，右岸擋水壩長(zhǎng)52.3m，壩頂高程231.00m(1985年加固改造時(shí)加高)，最大壩高45.50m，壩頂全長(zhǎng)212.50m。河床中部開敞式溢流壩長(zhǎng)80.80m，堰頂高程218.15m，泄洪能力為2700m3/s。壩址控制流域面積3256km2，多年平均流量48.9m3/s。

水電站所在的龍溪河流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)，具有春旱、初夏多雨、盛夏炎熱多伏旱、秋多陰雨、冬暖少雪、無霜期長(zhǎng)、濕度大、云霧多等氣候特點(diǎn)，尤以冬暖、夏炎熱為主要特征。

該梯級(jí)電站，在大地構(gòu)造上屬重慶NE向弧形褶皺帶，區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，無斷層出現(xiàn)，亦無牽引褶皺。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其布置

揚(yáng)壓力觀測(cè)采用測(cè)深鐘和壓力表進(jìn)行，共計(jì)設(shè)測(cè)孔44個(gè)，編號(hào)為L(zhǎng)1～L41、F34、F36、F38，分別布置在8#、10#、13#、14#、15#、16#、17#、18#八個(gè)壩段上。壩基滲漏設(shè)有二個(gè)滲漏水觀測(cè)點(diǎn)(編號(hào)為QL和QR)，均布設(shè)在攔河壩廊道中，位于14#壩段內(nèi)，分別監(jiān)測(cè)7#～14#壩段(左半部分)和14#～18#壩段的滲漏水。揚(yáng)壓力觀測(cè)方法是，當(dāng)測(cè)孔內(nèi)水位低于孔口時(shí)，采用測(cè)深鐘法觀測(cè)孔內(nèi)的水位;當(dāng)孔內(nèi)水位高于孔口時(shí)，采用壓力表觀測(cè)。

2.2 右岸加固后新的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

新的揚(yáng)壓力觀測(cè)系統(tǒng)包括5個(gè)揚(yáng)壓力橫斷面和1個(gè)縱斷面，共設(shè)測(cè)孔18個(gè)，揚(yáng)壓力測(cè)孔分別設(shè)在觀測(cè)廊道內(nèi)、下游壩坡及壩趾處。5個(gè)橫斷面分別布置在7#、14#、15#、16#、17#壩段上，每個(gè)觀測(cè)斷面由2～4個(gè)揚(yáng)壓力測(cè)孔組成?？v向揚(yáng)壓力觀測(cè)斷面由12個(gè)揚(yáng)壓力測(cè)孔組成。其中，中部9#、11#、13#溢流壩段各布置一個(gè)測(cè)孔;右岸15#、16#、18#非溢流壩段各布置一個(gè)測(cè)孔;7#、14#、17#壩段布置2個(gè)測(cè)孔。測(cè)孔編號(hào)為A4～Al9，A13－1、A14－1。

2.3 揚(yáng)壓力分析數(shù)學(xué)模型

目前，常見的大壩監(jiān)測(cè)資料分析數(shù)學(xué)模型有統(tǒng)計(jì)模型、確定性模型及混合模型等三類。根據(jù)本工程的特點(diǎn)，鑒于該工程攔河壩樞紐安全監(jiān)測(cè)資料系列較長(zhǎng)，并考慮兩次大壩安全定檢監(jiān)測(cè)資料分析的連續(xù)性，本設(shè)計(jì)采用逐步回歸法建立統(tǒng)計(jì)模型進(jìn)行分析。

眾所周知，影響壩基揚(yáng)壓力大小的因素有上、下游水位，帷幕的工作狀態(tài)，排水系統(tǒng)及庫(kù)內(nèi)泥沙淤積對(duì)基巖裂隙的堵塞，降雨及滲透作用等。所以統(tǒng)計(jì)分析中，模型的因子初選是極為復(fù)雜的。

通?？砂匆韵滦问綐?gòu)造揚(yáng)壓力分析數(shù)學(xué)模型:

式中:YW(t)——揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)值在時(shí)間t的統(tǒng)計(jì)估

計(jì)值;

YW1［H(t)］——揚(yáng)壓力的水壓分量;

YW2［T(t)］——揚(yáng)壓力的溫度分量;

YW3［θ(t)］——揚(yáng)壓力的時(shí)效分量;

C——待定常數(shù)項(xiàng)。

2.3.1 水位分量

揚(yáng)壓力反映壩基的滲透壓力，與其它物理量有所不同，由于它不僅與當(dāng)時(shí)庫(kù)水位有關(guān)，而且與前期的庫(kù)水位有關(guān)(即庫(kù)水位的滯后效應(yīng))。壩基揚(yáng)壓力與壩體溫度一樣，服從拉普拉斯方程，所以它可以用溫度滯后一樣的方法來處理。

式中:ai——模型待定回歸系數(shù);

Hi(t)——變形觀測(cè)日及前續(xù)若干月的平均水位;H(t0)——基準(zhǔn)水位，通常選為第一次變形觀測(cè)日的平均水位，亦可選為壩底高程或其它特征水位，在此基準(zhǔn)水位取死水位214.5m;

i——超前的月份。

本模型采用當(dāng)時(shí)庫(kù)水位和超前6個(gè)月的平均庫(kù)水位，每月一點(diǎn)，共7個(gè)因子。

2.3.2 溫度分量

揚(yáng)壓力與溫度變化無直接關(guān)系，但由于溫度變化會(huì)引起基巖裂隙張開度的改變而間接影響揚(yáng)壓力的測(cè)值，一般情況下溫度因素對(duì)揚(yáng)壓力測(cè)值的影響較小，特別是對(duì)于處在水位較深處的揚(yáng)壓力測(cè)點(diǎn)，測(cè)值影響更是如此。因此，本文模型中，揚(yáng)壓力統(tǒng)計(jì)不計(jì)溫度因子。

2.3.3 時(shí)效分量

泥沙的淤積情況是越靠近壩踵、顆粒越細(xì)小，這是由于水流速度由庫(kù)尾至壩前逐漸減慢的緣故。隨著泥沙的不斷淤積，使壩基附近的上游面鋪蓋層逐年增厚，影響壩基滲流場(chǎng)，這種作用實(shí)際上與時(shí)間有關(guān)。因此，參考位移其他物理量的時(shí)效分量的構(gòu)造形式，在分析中采用如下的模式考慮其時(shí)效分量:

式中:ti——觀測(cè)時(shí)刻距初始時(shí)刻的天數(shù)，下硐大壩觀測(cè)該初始時(shí)刻取1987年6月16日;ci——待定回歸系數(shù)。

綜上所述，上硐大壩揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)分析數(shù)學(xué)模型有如下形式:

根據(jù)大壩揚(yáng)壓力實(shí)際測(cè)值數(shù)據(jù)系列進(jìn)行回歸分析，可獲得其相應(yīng)模型參數(shù)。

3 壩基揚(yáng)壓力計(jì)算分析

運(yùn)用上述模型，通過分析整理監(jiān)測(cè)資料的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，得到各測(cè)點(diǎn)揚(yáng)壓力的極值、年變化率、年變幅以及揚(yáng)壓力回歸值，時(shí)效值和殘差值?，F(xiàn)選取部分測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值如表1所示。

表1 實(shí)測(cè)各孔最大揚(yáng)壓力水頭(1987年至今) 單位:m

通過統(tǒng)計(jì)回歸分析可以看出:

(1)從揚(yáng)壓力測(cè)值回歸分析圖表中可以看出，相關(guān)系數(shù)最高為0.925(A10)，最低為0.248(A13)，顯著性較高。

(2)從圖表的觀測(cè)資料看，壩基揚(yáng)壓力總體變化不大，絕大多數(shù)測(cè)孔的實(shí)測(cè)揚(yáng)壓力水頭均小于設(shè)計(jì)允許值，且已趨于穩(wěn)定，但也有少部分測(cè)孔揚(yáng)壓力測(cè)值超過了設(shè)計(jì)允許值。

①測(cè)點(diǎn)A4、A5、A7、A8、A9、Al0、A11、A13、A14、A15、A16及A19的測(cè)值均小于設(shè)計(jì)允許值。其中，A4、A5、A8、A9、A13、A16孔測(cè)值隨時(shí)間遞減，它們所在壩段7#、11#、13#、15#、17#壩下?lián)P壓力總值小于設(shè)計(jì)值，發(fā)展變化是漸趨減小，所以情況良好。測(cè)點(diǎn)A11、A10有緩慢增大趨勢(shì)，但增幅極小，趨于穩(wěn)定。

②測(cè)點(diǎn)A6、A12、A13－1、A14－1、A17、A18均超出設(shè)計(jì)允許值，但各自的橫斷面上總揚(yáng)壓力未超過設(shè)計(jì)允許值。其中，A13－1和A14－1測(cè)點(diǎn)所在的15#、16#壩段壩下?lián)P壓力分布有利于減小壩踵拉應(yīng)力。只要總量不超過設(shè)計(jì)允許值，這種分布在應(yīng)力方面還有一定的好處。

(3)壩基揚(yáng)壓力隨庫(kù)水位的變化具有一定的規(guī)律性。即隨庫(kù)水位的升高而增大，隨庫(kù)水位的降低而減小，但其中有部分孔變化甚微，規(guī)律性較差。

(4)廊道內(nèi)，比如測(cè)點(diǎn)A9、A13、A14、A15、A16、A19測(cè)孔(分別位于13#、15#、16#、17#、18#壩段，樁號(hào)在0+140.10～0m+196.61m之間)，揚(yáng)壓力變化極小，很多孔甚至一直沒有變化，這些揚(yáng)壓力孔均處在大壩右側(cè)，說明大壩右側(cè)壩基防滲效果很好。同時(shí)從年變化率表、過程線圖及年變幅過程線圖中也可以看出，右岸非溢流壩段的測(cè)點(diǎn)，年變幅逐漸減小，并趨于穩(wěn)定;年變化率在2009年12月除A17為－0.83外，其余基本趨于0，說明大壩右岸非溢流壩段壩基防滲效果很好。

(5)大壩左側(cè)廊道內(nèi)的揚(yáng)壓力孔變化也不大。廊道內(nèi)的揚(yáng)壓力孔均未超過揚(yáng)壓力設(shè)計(jì)允許系數(shù)，說明該壩基防滲效果良好。

部分具有代表性測(cè)點(diǎn)的過程線(A4、A10、A11測(cè)點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)最高)見圖1、圖2、圖3。

圖1 下硐大壩A4測(cè)點(diǎn)揚(yáng)壓力實(shí)測(cè)、回歸、時(shí)效過程線

4 結(jié)論

運(yùn)用逐步回歸分析法求出揚(yáng)壓力統(tǒng)計(jì)模型及回歸方程，該模型與水位分量和時(shí)效分量有關(guān)，用該統(tǒng)計(jì)模型分析實(shí)測(cè)資料，其分析結(jié)果與實(shí)測(cè)值擬合較好。

從數(shù)據(jù)分析中可以得出，壩基揚(yáng)壓力隨庫(kù)水位的變化具有一定的規(guī)律性，即揚(yáng)壓力隨庫(kù)水位的升高而增大，隨庫(kù)水位的降低而減小。絕大多數(shù)測(cè)點(diǎn)的揚(yáng)壓力測(cè)值小于設(shè)計(jì)允許值，也有少部分大于允許值。其中，A13－1、A14－l、A17、A18孔位于右岸擋水壩下游壩坡上，距離右岸壩肩很近。該壩肩分布的A20～A23四個(gè)地下水位監(jiān)測(cè)孔表明，其地下水位較高;另外右岸擋水壩段的基礎(chǔ)為粘土巖，施工資料也反映該處基礎(chǔ)開挖成深槽，這些因素決定了右岸擋水壩段壩趾基礎(chǔ)排水不暢。因此，A13－1、A14－l、A17、A18孔揚(yáng)拉力長(zhǎng)期超過設(shè)計(jì)允許值;A6、A12處于溢流壩腳護(hù)坦上的左右兩側(cè)，受溢流體翻水影響，所以揚(yáng)壓力測(cè)值也長(zhǎng)期超過設(shè)計(jì)允許值。但整個(gè)斷面的總揚(yáng)壓力小于設(shè)計(jì)允許值，所以是允許的。

針對(duì)上述揚(yáng)壓力超出設(shè)計(jì)允許值的情況，雖然目前不會(huì)對(duì)壩體穩(wěn)定和應(yīng)力造成危害性影響，但仍應(yīng)予以重視，繼續(xù)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

但是，由于此模型忽略了溫度分量和降雨分量對(duì)揚(yáng)壓力的影響，且沒有考慮泥沙淤積情況，建議加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，同時(shí)再考慮其它相關(guān)影響因子，比較回歸分析成果，以便得出更合理的計(jì)算成果，為大壩的穩(wěn)定提供強(qiáng)有力的理論支持。

〔1〕丁曉唐，顧沖時(shí)，王 健.水口水電站變形監(jiān)測(cè)資料分析.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2002，(4).

〔2〕何勇軍等著.大壩安全監(jiān)測(cè)與自動(dòng)化.北京:中國(guó)水利水電出版社，2008.1. ■