李家峽拱壩水平位移監(jiān)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)模型對(duì)比分析

魏 超，田振華，張 博

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210098; 2.河海大學(xué)水資源高效利用與工程安全國家工程研究中心，江蘇南京 210098; 3.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇南京 210098)

李家峽水電站位于青海尖扎縣與化隆縣交界處，是黃河上游重要的大型梯級(jí)水電站之一.李家峽水電站的擋水建筑物為三圓心雙曲混凝土拱壩，最大壩高155m，壩頂長(zhǎng)414.39m，壩基高程2030m，水庫正常蓄水位2180m，總庫容16.5億m3;壩體共分20個(gè)壩段，其中11號(hào)壩段為拱冠梁壩段.李家峽水電站混凝土拱壩壩體共布置了6組垂線，分別位于拱冠(11號(hào)壩段)、左右岸1/4拱(6號(hào)和16號(hào)壩段)、兩拱端(1號(hào)、重1號(hào)及重3號(hào)壩段)，其所對(duì)應(yīng)的垂線編號(hào)分別為3號(hào)、4號(hào)、2號(hào)、5號(hào)、1號(hào)和0號(hào)[1-4].

在日常運(yùn)行中，壩體及壩基承受著巨大的荷載，且工作條件極為復(fù)雜，因此，大壩的安全關(guān)系到人民生命和財(cái)產(chǎn)的安全，應(yīng)引起高度重視.水平位移監(jiān)測(cè)資料的分析是在壩體中各個(gè)測(cè)點(diǎn)采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，分析壩體與各個(gè)因素之間的規(guī)律性關(guān)系，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除相應(yīng)的隱患，為大壩的安全運(yùn)行提供相應(yīng)的保證.本文在對(duì)李家峽水電站水平位移監(jiān)測(cè)資料分析的基礎(chǔ)上，建立壩體水平位移的回歸統(tǒng)計(jì)模型，并對(duì)模型中的溫度分量分別采用溫度周期項(xiàng)和溫度實(shí)測(cè)值進(jìn)行建模，分析2種方法對(duì)模型精度的影響，以便為大壩的安全運(yùn)行提供及時(shí)的反饋信息.

1 監(jiān)測(cè)資料分析

拱壩的位移一般分為水平位移和垂直位移，而水平位移又分為徑向和切向2個(gè)方向，其中徑向?yàn)樯舷掠畏较?，切向?yàn)樽笥野斗较?通常情況下，為了方便分析和計(jì)算，常規(guī)定徑向位移向下游為正，向上游為負(fù);而切向位移向左岸為正，向右岸為負(fù).為分析大壩的工作性態(tài)，對(duì)李家峽拱壩1/4拱的6號(hào)和16號(hào)典型壩段2個(gè)測(cè)點(diǎn)(062185和162185)1999年3月2日至2007年12月26日系列水平位移監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行分析[4-7]，繪制李家峽拱壩水平位移的測(cè)值過程線如圖1所示.

1.1 典型壩段切向位移分析

從圖1(a)和(b)可以看出:(a)右岸的6號(hào)壩段的切向位移呈周期性的變化，而左岸的16號(hào)壩段規(guī)律性不明顯，并且各個(gè)測(cè)點(diǎn)的切向位移受溫度的影響較大.當(dāng)溫度上升時(shí)，6號(hào)壩段測(cè)點(diǎn)向左岸發(fā)生位移，而16號(hào)壩段測(cè)點(diǎn)向右岸發(fā)生位移;當(dāng)溫度下降時(shí)，6號(hào)壩段測(cè)點(diǎn)向右岸發(fā)生位移，而16號(hào)壩段測(cè)點(diǎn)向左岸發(fā)生位移.(b)庫水位的變化對(duì)該壩段的位移也有較大的影響，1999—2002年是水位上升的過程，此時(shí)6號(hào)壩段測(cè)點(diǎn)向右岸發(fā)生位移，16號(hào)壩段測(cè)點(diǎn)向左岸發(fā)生位移，2002年后水位變化逐漸變小，相應(yīng)的庫水位變化對(duì)各測(cè)點(diǎn)的切向位移的影響也逐漸變小.(c)2006年大壩拆除了保溫板，而從切向位移實(shí)測(cè)資料來看，其對(duì)大壩位移的影響不是十分明顯，但由于觀測(cè)的時(shí)間較短，具體的影響還需要對(duì)觀測(cè)資料做進(jìn)一步積累后，再進(jìn)行分析.

圖1 典型壩段水平位移實(shí)測(cè)過程線Fig.1 Observed curves of horizontal displacement in the typical dam segment

1.2 典型壩段徑向位移分析

從圖1(c)和(d)可以看出:(a)2個(gè)壩段的徑向位移呈較明顯的周期性變化，并且徑向位移的變化受溫度變化的影響較大.當(dāng)溫度上升時(shí)，6號(hào)和16號(hào)壩段測(cè)點(diǎn)向上游發(fā)生位移，當(dāng)溫度下降時(shí)，6號(hào)和16號(hào)壩段測(cè)點(diǎn)向下游發(fā)生位移;而壩體的位移變化一般滯后于氣溫變化1～2個(gè)月，且壩體的不同部位受溫度影響也不同.因此，測(cè)點(diǎn)的位移一般在每年的1—3月達(dá)到最大值，在7—9月達(dá)到最小值.(b)庫水位的變化對(duì)該壩段的徑向位移的影響也較為明顯.2002年前，庫水位變化較大，相應(yīng)的對(duì)該壩段的徑向位移的影響也較明顯，當(dāng)庫水位上升時(shí)，6號(hào)和16號(hào)壩段測(cè)點(diǎn)向下游的位移增大，反之則減小;2002年后，庫水位變化逐漸變小，其對(duì)6號(hào)和16號(hào)壩段測(cè)點(diǎn)的徑向位移測(cè)值的影響也趨于平穩(wěn)，徑向位移變化無明顯的趨勢(shì)性，這主要是由于2002年以前庫水位的升高以及壩體溫度場(chǎng)的變化所引起的.(c)從統(tǒng)計(jì)中可知，6號(hào)壩段比16號(hào)壩段的年變幅大，而這可能與16號(hào)壩段設(shè)置壩內(nèi)泄洪孔使壩體局部加厚，剛度相對(duì)較大有關(guān).(d)2006年大壩拆除了保溫板，從徑向位移實(shí)測(cè)資料來看，對(duì)壩段測(cè)點(diǎn)位移的影響不是十分顯著，而具體的影響還需對(duì)觀測(cè)資料做長(zhǎng)時(shí)間的積累，再進(jìn)行分析.

2 壩體變形統(tǒng)計(jì)模型的建立及模型計(jì)算結(jié)果分析

2.1 模型的建立

由壩工知識(shí)可知，在水壓力、揚(yáng)壓力、泥沙壓力和溫度等荷載作用下，大壩任一點(diǎn)都會(huì)產(chǎn)生位移.因此，在建立壩體的變形統(tǒng)計(jì)模型時(shí)，其位移δ主要由水壓分量δH、溫度分量δT和時(shí)效分量δθ組成[8-9]，即:

其中溫度對(duì)大壩的安全狀態(tài)有著重要的影響.因此，探究模型中溫度項(xiàng)的選擇，將會(huì)對(duì)模型的精度以及未來的預(yù)測(cè)精度起到至關(guān)重要的作用.李家峽水電站已經(jīng)運(yùn)行接近10a，壩體的溫度場(chǎng)已基本穩(wěn)定，考慮邊界溫度對(duì)壩體不同部位混凝土的熱傳導(dǎo)滯后效應(yīng)，在建立回歸統(tǒng)計(jì)模型時(shí)，對(duì)溫度項(xiàng)分別采用溫度周期項(xiàng)和溫度實(shí)測(cè)值進(jìn)行模擬.

在合理選擇因子的基礎(chǔ)上，根據(jù)大壩特點(diǎn)，并考慮初始值的影響，得到李家峽水電站水平位移的統(tǒng)計(jì)模型:溫度周期項(xiàng)模型

溫度實(shí)測(cè)值模型

式中:a1i——水壓因子回歸系數(shù);Hu，Hu0——監(jiān)測(cè)日、始測(cè)日所對(duì)應(yīng)的上游水頭;b1j，b2j，bj——溫度因子回歸系數(shù);t——起始監(jiān)測(cè)日到位移監(jiān)測(cè)日的累計(jì)天數(shù);t0——始測(cè)日到建模資料系列第一個(gè)監(jiān)測(cè)日的累計(jì)天數(shù);Tj——特征時(shí)段的平均氣溫，本文選取前10d、前30d、前60d相應(yīng)的大氣平均氣溫;c1，c2——時(shí)效因子回歸系數(shù);a0——常數(shù).

2.2 模型計(jì)算結(jié)果比較與分析

通過對(duì)李家峽拱壩1/4拱的6號(hào)和16號(hào)典型壩段的2個(gè)測(cè)點(diǎn)(062185和162185)1999年3月2日至2007年12月26日系列水平位移監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸建模分析，可得兩種模型的回歸特征值[8-12](表1).

根據(jù)初步分析和計(jì)算可知，在主要的影響量中，溫度對(duì)大壩的水平位移影響最大.由李家峽水電站環(huán)境監(jiān)測(cè)資料的分析可以看出，該地區(qū)在2004年氣溫年變幅最大，并且最低溫度也較往年偏低.因此，比較典型年2004年2種模型的擬合結(jié)果，繪制擬合值和實(shí)測(cè)值的對(duì)比圖如圖2所示.

表1 2種模型回歸特征值Table 1 Calculated results of two regression models

圖2 2004年李家峽拱壩水平位移實(shí)測(cè)與擬合過程線Fig.2 Observed and fitting curves of horizontal displacement of Lijiaxia Arch Dam in 2004

根據(jù)模型回歸特征值的圖中計(jì)算結(jié)果(表1)可知，2種模型中溫度分量利用周期項(xiàng)來進(jìn)行模擬的精度較高.從2種模型的實(shí)測(cè)與擬合對(duì)比圖中(圖2)，也可以發(fā)現(xiàn)溫度實(shí)測(cè)值模型在模擬徑向位移時(shí)精度尚可，但在模擬切向位移時(shí)精度較差，沒有能夠很好地表現(xiàn)出切向位移的變化規(guī)律，而溫度周期項(xiàng)模型則較好地呈現(xiàn)了位移的變化規(guī)律[8-13].因此，采用溫度周期項(xiàng)來建立的模型精度較高，且與之相對(duì)應(yīng)的模擬壩體溫度場(chǎng)也相對(duì)較為合理.所以，在李家峽拱壩的水平位移監(jiān)測(cè)中，選用溫度周期項(xiàng)建立的模型作為最終的統(tǒng)計(jì)模型.

根據(jù)選定的統(tǒng)計(jì)模型對(duì)各分量的計(jì)算結(jié)果分析可知，在2004年切向位移的年變幅中，水壓分量占20%～30%，溫度分量占60%～80%，時(shí)效分量占10%以下;而在徑向位移中，水壓分量占10%～35%，溫度分量占60%～80%，時(shí)效分量占5%以下.

3 結(jié) 語

通過對(duì)李家峽拱壩水平位移的監(jiān)測(cè)模型分析可知，利用溫度周期項(xiàng)建立的模型，其模型的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值擬合較好，精度較高，模型能夠很好地反映出大壩水平位移的變化規(guī)律.從建模計(jì)算的結(jié)果來分析，其水平位移主要受溫度的影響，庫水位和時(shí)效的影響較小，且壩體的水平位移變化規(guī)律基本正常，未發(fā)現(xiàn)明顯的異常變化.

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