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(shù)據(jù)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(guī)律，結(jié)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(yè)內(nèi)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(nèi)江、長洲島和泗化洲島），是一座以發(fā)電為主，兼有航運、灌溉和養(yǎng)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(jiān)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(jiān)測項目，其中變形監(jiān)測為監(jiān)測重點。

1.2 垂直位移監(jiān)測簡述

壩頂垂直位移監(jiān)測是變形監(jiān)測的一項主要內(nèi)容，其成果能準確反映水工建筑物垂直向的變形性態(tài)。按照工程特點，內(nèi)、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(nèi)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(jiān)測指標——壩頂垂直位移監(jiān)測，其監(jiān)測值反映的是各種內(nèi)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(jiān)測得到的物理量只是上述效應的綜合表現(xiàn)。因此，有必要通過一定的數(shù)學模型和結(jié)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(wěn)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(jiān)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(tǒng)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(tǒng)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(chǎn)生的水壓分量δH與水深H1、H2、H3有關，即：

（2）

式中：Hu為監(jiān)測日水深;

H0為起測日水深;

Hu，i-2為分別為監(jiān)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(shù)。

2.2.2 溫度分量（δT）

長洲水利樞紐處南方高熱區(qū)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(shù)表示，則δT為：

（3）

式中：n為根據(jù)大壩的實際情況取2;

t為監(jiān)測日當天至起測日累計天數(shù)。

2.2.3 時效分量（δθ）

大壩產(chǎn)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(jié)構變化，以及壩體和基巖的蠕變及基巖地質(zhì)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(wěn)。根據(jù)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(shù)除以100;

c1、c2為回歸系數(shù)。

綜上所述，根據(jù)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(tǒng)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(shù)據(jù)分析

對于該工程而言，用DNA03數(shù)字水準儀測得的數(shù)據(jù)為各種效應量結(jié)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(xiàn)典型的周期性變形狀態(tài)，變化周期大約為1年，總體在合理范圍內(nèi)變化。

3.2 統(tǒng)計模型分析

結(jié)合長洲大壩的特點，根據(jù)歷時多年的長期觀測數(shù)據(jù)，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(jié)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(tǒng)計模型，計算大壩垂直位移統(tǒng)計模型的回歸系數(shù)、復相關系數(shù)（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(tǒng)計模型復相相關系數(shù)R在 0.933～0.966之間，模型質(zhì)量較好，能較好地反映壩頂垂直位移的變化規(guī)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(tǒng)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(tài)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(jié)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(guī)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(xiàn)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(tǒng)變形分析工具，形成數(shù)據(jù)管理的數(shù)值化手段。

參考文獻

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

[2] 李珍照.大壩安全監(jiān)測[M].北京：中國電力出版社，1997.