郭修云

(西藏自治區(qū)拉洛水利樞紐及灌區(qū)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(qū)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(fā)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(fā)電廠房、魚道、德羅引水發(fā)電系統(tǒng)組成，其中泄洪洞布置于大壩右岸，集施工期導(dǎo)流、運(yùn)行期泄洪、發(fā)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(yè)的研究重點(diǎn)之一，其可以有效降低工程投資，目前國(guó)內(nèi)外雖有實(shí)際應(yīng)用，但泄洪洞大多是利用原有導(dǎo)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(guó)內(nèi)首個(gè)一次建成的多功能隧洞[4]，投入運(yùn)行至今已5年多，通過對(duì)泄洪洞全過程監(jiān)測(cè)，采集了大量變形、應(yīng)力、滲流等原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。本文對(duì)前期收集到的泄洪洞監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析，對(duì)泄洪洞的工程質(zhì)量做出評(píng)價(jià)，給同類工程資料分析提供借鑒，同時(shí)基于最大熵理論提出重點(diǎn)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目安全指標(biāo)，為拉洛水電站泄洪洞的未來監(jiān)測(cè)提供可靠依據(jù)，以保證該工程的安全性與耐久性。

2 地質(zhì)情況與監(jiān)測(cè)布置

拉洛水電站泄洪洞位于大壩右岸，進(jìn)口距壩軸線上游約240 m。泄洪洞為2級(jí)建筑物，橫斷面為圓形，洞徑5.4 m，長(zhǎng)576 m；進(jìn)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(fēng)化。巖體透水性隨深度增加而減小，在承壓水出現(xiàn)孔段，巖體透水性增強(qiáng)。泄洪洞的主要不利地質(zhì)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(diǎn)較多，多為勘探孔揭露承壓水。

為監(jiān)測(cè)和反饋控制泄洪洞的安全運(yùn)行，隧洞內(nèi)共布設(shè)5個(gè)永久監(jiān)測(cè)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(gè)監(jiān)測(cè)斷面分別埋設(shè)3套多點(diǎn)位移計(jì)、3支錨桿應(yīng)力計(jì)和2支測(cè)縫計(jì)，另在1-1斷面、3-3斷面各布置2支滲壓計(jì)，用于監(jiān)測(cè)泄洪洞圍巖內(nèi)部變形、支護(hù)結(jié)構(gòu)錨桿應(yīng)力、接縫開度及滲透壓力情況。目前，各監(jiān)測(cè)儀器運(yùn)行正常，監(jiān)測(cè)頻次滿足規(guī)范要求。泄洪洞斷面布置見圖1，典型斷面1-1監(jiān)測(cè)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(jiān)測(cè)斷面(1-1斷面)儀器布置

3 誤差剔除及異常值修正

測(cè)點(diǎn)在收集或傳送數(shù)據(jù)過程中可能會(huì)由于人為失誤、外界干擾或系統(tǒng)故障等原因，造成數(shù)據(jù)序列存在一定缺失或者數(shù)據(jù)存在離群尖點(diǎn)(毛刺粗差)、“臺(tái)階狀”突變等異?，F(xiàn)象，故在對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析之前需要對(duì)這些原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，通過對(duì)缺失或異常數(shù)據(jù)的處理，以保證數(shù)據(jù)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?qū)е落浫脲e(cuò)誤以及不合常理的數(shù)據(jù)，通常按缺失值進(jìn)行處理。與缺失值處理不同，異常數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵是正確識(shí)別正常值和異常值。由于時(shí)效因素對(duì)測(cè)值的影響相對(duì)較小，則可假設(shè)某個(gè)短時(shí)間區(qū)段內(nèi)測(cè)值服從正態(tài)分布N(μ，σ2)，采用3σ準(zhǔn)則剔除異常值。其處理過程為：①以某測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為樣本，計(jì)算得到樣本標(biāo)準(zhǔn)差σ和均值μ；②對(duì)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行過程線檢查，檢驗(yàn)毛刺所在測(cè)點(diǎn)值是否超過μ±3σ，若超過，則認(rèn)為該測(cè)值不合理，應(yīng)予剔除。該方法僅剔除離群突變尖點(diǎn)，保留了外荷載條件變化、人為擾動(dòng)等因素引起的“臺(tái)階狀”突變或向某一方向漸進(jìn)持續(xù)性位移增長(zhǎng)，這些測(cè)值應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)一步分析。

3.2 缺失值修正

對(duì)于缺失數(shù)據(jù)的處理通常采用簡(jiǎn)單刪除與填充法。數(shù)據(jù)處理手段為對(duì)于監(jiān)測(cè)序列上的數(shù)據(jù)空缺，若空缺時(shí)段小于1個(gè)月，則進(jìn)行線性插補(bǔ)；若缺失時(shí)段較長(zhǎng)，參考過程線上測(cè)值規(guī)律性較好且波動(dòng)中心穩(wěn)定的時(shí)段及空白時(shí)段前后測(cè)值大小，對(duì)空白區(qū)段進(jìn)行3次樣條曲線插值。

4 監(jiān)測(cè)資料分析

4.1 圍巖變形分析

為了監(jiān)測(cè)泄水隧洞圍巖變形，在5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的頂拱、左右邊墻部位各布置1支多點(diǎn)應(yīng)力計(jì)，儀器編號(hào)依此為M01XHD～M15XHD。每支多點(diǎn)位移計(jì)設(shè)4個(gè)測(cè)點(diǎn)，4個(gè)測(cè)點(diǎn)距孔口分別為1、4、7、20 m。只有1-1斷面M03XHD多點(diǎn)位移計(jì)的4個(gè)測(cè)點(diǎn)距孔口為1、4、7、12 m；5-5斷面M15XHD多點(diǎn)位移計(jì)的鉆孔深度為7 m，3個(gè)測(cè)點(diǎn)距孔口分別為1、4、7 m。

典型測(cè)點(diǎn)變化過程線如圖3所示，由圖3可知，對(duì)各斷面進(jìn)行分析，受1-1斷面處澆筑二襯混凝土影響，測(cè)點(diǎn)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(wěn)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(guī)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(cè)點(diǎn)受灌漿平洞爆破施工影響，自2018年10月后該斷面多點(diǎn)位移計(jì)不同深度錨頭變形均有影響，其中測(cè)點(diǎn)M11XHD(洞身頂拱)7 m處錨頭一直呈壓縮態(tài)勢(shì)，洞身左右邊墻呈受拉變形狀態(tài)。

圖3 多點(diǎn)位移計(jì)典型測(cè)點(diǎn)變化過程線

目前，圍巖變形總體呈穩(wěn)定態(tài)勢(shì)，各斷面頂拱圍巖變形最大，其次為兩側(cè)邊墻，符合圍巖應(yīng)力二次重分布的一般規(guī)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(yīng)力測(cè)值分析

為監(jiān)測(cè)泄洪洞圍巖應(yīng)力，在5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的頂拱、左右邊墻部位各布置1支錨桿應(yīng)力計(jì)，儀器編號(hào)依此為R01XHD～R15XHD。錨桿應(yīng)力計(jì)的測(cè)值變化過程線見圖5。由圖5可知，受施工影響，各別測(cè)點(diǎn)在二次襯砌時(shí)有小幅突變，但變幅很小。錨桿應(yīng)力整體不大，與溫度呈負(fù)相關(guān)性，2019年9月30日初期下閘蓄水后錨桿應(yīng)力變化較小，可以推測(cè)目前泄水隧洞圍巖變形正常，錨桿以溫度應(yīng)力為主。

圖5 錨桿應(yīng)力計(jì)測(cè)值變化過程線

錨桿應(yīng)力計(jì)測(cè)值特征值統(tǒng)計(jì)見圖6。由圖6可知，當(dāng)前錨桿應(yīng)力為-4.84～11.42 MPa，最大拉應(yīng)力位于4-4斷面測(cè)點(diǎn)R10XHD，最大壓應(yīng)力位于5-5斷面測(cè)點(diǎn)R15XHD。其中，純受拉錨桿有12支，占總數(shù)的80%；純受壓錨桿有3支，占總數(shù)的20%。錨桿應(yīng)力變幅較小，在0.61～13.10 MPa之間，據(jù)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(jié)構(gòu)面、裂隙等不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

圖6 錨桿應(yīng)力計(jì)測(cè)值特征值統(tǒng)計(jì)

4.3 縫開合度分析

為監(jiān)測(cè)砌體與圍巖的結(jié)合情況，在5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的左側(cè)墻和頂拱處分別布置1支測(cè)縫計(jì)，測(cè)縫計(jì)編號(hào)依次為J01XHD～J10XHD。典型接縫計(jì)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(cè)點(diǎn)二襯及回填灌漿期間有小幅波動(dòng)現(xiàn)象，但之后均回到原來的測(cè)值。目前泄洪洞各斷面接縫位移基本穩(wěn)定，變化速率為0.01 mm/d，接縫位移與溫度呈一定的負(fù)相關(guān)性符合一般規(guī)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(tǒng)計(jì)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(cè)縫計(jì)接縫呈張開狀態(tài)，位移1 mm以上測(cè)點(diǎn)有2支，位移0.5～1 mm測(cè)點(diǎn)有3支，其余均在0.5 mm以內(nèi)。從量值上看，開合度最大的測(cè)點(diǎn)均在3-3斷面?zhèn)葔Γc其他監(jiān)測(cè)項(xiàng)目綜合分析，該部位滲壓及變形測(cè)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(tài)。

圖8 隧洞襯砌接縫特征值統(tǒng)計(jì)

4.4 滲透壓力分析

為監(jiān)測(cè)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(cè)墻處各布設(shè)1支滲壓計(jì)。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(guān)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(jì)測(cè)值與庫水相關(guān)性較好，庫水位升高，洞身圍巖滲壓增大，變化規(guī)律符合泄水隧洞滲流特點(diǎn)。由圖9b可知，3-3斷面圍巖滲壓自二襯后水位均較高，遠(yuǎn)高于上下游水位，應(yīng)與該監(jiān)測(cè)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(duì)右岸灌漿平洞帷幕灌漿鉆孔進(jìn)一步驗(yàn)證該段承壓水滲壓較大，同時(shí)該帷幕灌漿孔對(duì)圍巖滲壓起到了泄壓作用，圍巖滲壓有所下降。當(dāng)前1-1斷面(帷幕前)測(cè)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(jì)當(dāng)前測(cè)值折算水位分別為4 311.39 m和4 312.01 m。監(jiān)測(cè)結(jié)果基本合理，監(jiān)測(cè)斷面基本穩(wěn)定，但鑒于右岸山體地下水位高對(duì)泄洪發(fā)電隧洞洞身結(jié)構(gòu)及岸坡穩(wěn)定不利，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)并及時(shí)分析。

圖9 監(jiān)測(cè)斷面測(cè)壓管折算水位-庫水位過程線

5 泄洪洞監(jiān)控指標(biāo)擬定

為了有效保障水工建筑物的安全運(yùn)行，常根據(jù)水工建筑物的工作機(jī)制，結(jié)合實(shí)測(cè)資料，選擇對(duì)工程安全較不利的項(xiàng)目和測(cè)點(diǎn)擬定安全監(jiān)控指標(biāo)[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(duì)泄洪洞洞身的穩(wěn)定不利，故采用最大熵理論[6-8]為3-3斷面滲壓計(jì)擬定監(jiān)控指標(biāo)，以便針對(duì)性關(guān)注并及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)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(jiān)測(cè)效應(yīng)量的分布概型，只要根據(jù)較少的監(jiān)測(cè)效應(yīng)量統(tǒng)計(jì)信息得到的數(shù)字特征值進(jìn)行估計(jì)，就能獲得精度較高的概率密度函數(shù)，適合安全監(jiān)控指標(biāo)的擬定。簡(jiǎn)要闡述泄水隧洞監(jiān)測(cè)效應(yīng)量監(jiān)測(cè)指標(biāo)具體確定方法。

將監(jiān)測(cè)效應(yīng)量ξ的信息熵定義為

(1)

式中，f(ξ)為ξ的分布密度函數(shù)。

根據(jù)最大熵原理可知，最合理的概率密度分布是在滿足根據(jù)已知樣本信息推導(dǎo)得出的一些約束條件下使熵H(ξ)達(dá)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(diǎn)矩；n為原點(diǎn)矩階數(shù)。

采用伴隨算子法進(jìn)行求解，首先建立相應(yīng)的拉格朗日方程

(4)

(5)

式中，λi為伴隨算子。將效應(yīng)量樣本數(shù)據(jù)和式(5)帶入約束條件式(3)，可求得λi，進(jìn)而構(gòu)建最大熵概率密度函數(shù)f(ξ)。

令ξm=F-1(ξ，α)為監(jiān)測(cè)效應(yīng)量的極值，則監(jiān)測(cè)項(xiàng)目可能出現(xiàn)異常的概率為

(6)

式中，Pα為失效概率。將確定的隨機(jī)變量ξ最大熵密度函數(shù)f(ξ)代入式(6)即可確定Pα下相應(yīng)的監(jiān)控指標(biāo)xm。其中，失效概率Pα根據(jù)項(xiàng)目重要性確定，一般取1%～5%。

5.2 滲透壓力監(jiān)控指標(biāo)

考慮泄洪洞運(yùn)行的實(shí)際情況，失事概率選取Pα=0.01。表1統(tǒng)計(jì)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(tǒng)計(jì)結(jié)果 MPa

結(jié)合最大熵理論，求出最大熵概率密度函數(shù)所需參數(shù)見表2。

表2 各階原點(diǎn)矩和標(biāo)準(zhǔn)差

由表1、2可計(jì)算求得3-3斷面滲透壓力的最大熵概率密度函數(shù)并代入式(6)即可確定3-3斷面滲透壓力安全監(jiān)控指標(biāo)。根據(jù)上述計(jì)算過程得到的滲透壓力P的監(jiān)測(cè)指標(biāo)Pmax分別為0.807和0.868，若測(cè)點(diǎn)滲壓值PPmax，但無增大趨勢(shì)，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，查找原因；若測(cè)值同時(shí)有增大趨勢(shì)，應(yīng)在分析查找原因的基礎(chǔ)上，采取適當(dāng)措施，以確保泄洪洞的安全。

6 結(jié)論與建議

對(duì)泄洪洞的監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行了綜合分析，并結(jié)合地質(zhì)情況分析了監(jiān)測(cè)成果，可以得出如下結(jié)論：

(1)各工程部位的監(jiān)測(cè)結(jié)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(yīng)力正常，所處斷面處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(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(diǎn)關(guān)注該斷面滲透壓力效應(yīng)量的變化情況，本文基于最大熵理論提出了滲透壓力效應(yīng)量的安全監(jiān)控指標(biāo)，以便發(fā)現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)上報(bào)并分析原因。

(3)右岸山體破碎帶較多，地下水位較高，對(duì)泄洪洞洞身結(jié)構(gòu)及岸坡穩(wěn)定不利，建議增設(shè)右岸滲壓監(jiān)測(cè)儀器，以反映右岸地下水分布情況；同時(shí)增設(shè)右岸排水、滲流量監(jiān)測(cè)和進(jìn)水口兩側(cè)邊坡監(jiān)測(cè)設(shè)施。