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某高面板堆石壩運行期沉降特性模型分析

2021-10-09 07:39:27唐朝史波
科教創(chuàng)新與實踐 2021年31期
關鍵詞:沉降

唐朝 史波

摘要:為判斷某高面板堆石壩運行期的工作性態(tài),定性分析了壩體內部沉降監(jiān)測成果,并建立運行期壩體內部沉降統(tǒng)計模型,定量分析運行期沉降影響因素,并采用基于統(tǒng)計模型的運行期壩體內部沉降分析方法來判別變形穩(wěn)定性。分析成果表明,壩體內部沉降變形規(guī)律正常,分析規(guī)律協(xié)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(wěn)定,沉降性態(tài)正常。

關鍵詞:高面板堆石壩;沉降;運行期;統(tǒng)計模型;沉降穩(wěn)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(fā)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(wěn)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(jiān)測布置

監(jiān)測測點布置是大壩安全監(jiān)測設計的基本內容,測點布置合理性與有效性對監(jiān)控大壩安全、提高監(jiān)測系統(tǒng)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(jiān)測典型斷面壩體沉降,共布置3個內部沉降監(jiān)測斷面,河床斷面(主監(jiān)測斷面)內部沉降監(jiān)測布置見圖1,河床斷面共布置3個典型高程內部沉降監(jiān)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(jiān)測數(shù)據(jù)常規(guī)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(xiàn)為向下沉方向變形,沉降主要發(fā)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(fā)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(guī)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(tài)下滑以及日常維護不到位等因素影響,沉降測值出現(xiàn)突變、毛刺等異常波動現(xiàn)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(guī)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(shù)據(jù),在分析沉降變化量時尤為明顯,故在分析此類內部沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)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(tǒng)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(jiān)測統(tǒng)計模型是一種根據(jù)已取得的監(jiān)測資料、以環(huán)境量作為自變量、以監(jiān)測效應量作為因變量、利用數(shù)理統(tǒng)計分析方法而建立起來的、定量描述監(jiān)測效應量與環(huán)境量之間的統(tǒng)計關系的數(shù)學方程。

已有的壩工知識和經(jīng)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(jiān)測統(tǒng)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(jiān)測效應量y在時刻t的統(tǒng)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(shù)據(jù);時效分量是一種隨時間推移而朝某一方向發(fā)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(shù)式、指數(shù)式、雙曲線式、直線式等表示[3]。則傳統(tǒng)統(tǒng)計模型一般表達式為

(2)

式中,a0為回歸常數(shù);ai、bi、ci、di為回歸系數(shù),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(shù);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(jù)以上方法建立運行期壩體內部沉降各測點統(tǒng)計模型,對運行期沉降測值進行逐步回歸分析,在統(tǒng)計回歸分析中進行統(tǒng)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(tǒng)計模型的復相關系數(shù)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(shù)R在0.90~0.95之間;統(tǒng)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??傮w來說,所建立的統(tǒng)計模型質量尚可,中間高程測線各測點(V2-1~ V2-5)統(tǒng)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(tǒng)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(guī)律性。

4.3 基于統(tǒng)計模型的運行期內部沉降穩(wěn)定性分析

壩體內部沉降穩(wěn)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(wěn)定狀態(tài)。

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(wěn);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(wěn)定狀態(tài),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(wěn)定狀態(tài)。

5 結語

本文定性分析了某高面板堆石壩內部沉降監(jiān)測成果,建立運行期壩體內部沉降監(jiān)測統(tǒng)計模型,定量分析了統(tǒng)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(xiàn)象,采用基于統(tǒng)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(wěn)定性,分析結果表明,該高面板堆石壩內部沉降變化規(guī)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(wěn)。

參考文獻:

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

[2]吳中如. 水工建筑物安全監(jiān)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(jiān)測理論與應用[M]. 北京:中國水利水電出版社, 2010.

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