水牛家大壩沉降資料分析及評(píng)價(jià)

萬永波，袁有倉(cāng)

（中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072）

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水牛家大壩沉降資料分析及評(píng)價(jià)

萬永波，袁有倉(cāng)

（中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072）

摘 要：介紹水牛家水電站大壩沉降監(jiān)測(cè)方法，沉降儀器的檢驗(yàn)和綜合評(píng)價(jià)，保證監(jiān)測(cè)資料真實(shí)性和可靠性。通過對(duì)沉降成果資料的分析，采用分層變換篩選擬合法建立沉降變形數(shù)據(jù)模型，優(yōu)選影響因子和因子階數(shù)，并使用地震特殊工況改正數(shù)據(jù)模型；使數(shù)據(jù)模型更加符合工程的特性，為水牛家大壩的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)提供基礎(chǔ)和數(shù)模，指導(dǎo)工程的安全運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：水牛家水電站；現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試；沉降監(jiān)測(cè)；影響因子

0　引言

水牛家水電站為火溪河梯級(jí)開發(fā)的龍頭水庫(kù)，大壩正常蓄水位 2 270.0 m，正常蓄水位以下相應(yīng)水庫(kù)庫(kù)容 1.395 億m3，攔河大壩為 108.0 m 高的心墻堆石壩，混合式開發(fā)，電站裝機(jī)容量 70 MW[1]。根據(jù)《水利水電樞紐工程等級(jí)劃分及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》及其補(bǔ)充規(guī)定，確定水牛家水電站為二等工程。大壩壩高108.0 m，超過水庫(kù)大壩提級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，因而大壩按 1 級(jí)建筑物設(shè)計(jì)。水牛家水電站工程區(qū)地震基本烈度為8 度。按《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，攔河大壩工程抗震設(shè)防類別為甲類，設(shè)計(jì)烈度為 9 度，其他水工建筑物抗震設(shè)計(jì)烈度為 8 度[1]。

1　沉降觀測(cè)方法

水牛家大壩采用水管式沉降儀觀測(cè)壩體內(nèi)部沉降量。在水牛家大壩（壩）0 + 072.16 設(shè) 1-1 監(jiān)測(cè)剖面，在 1-1 監(jiān)測(cè)剖面 2 214.0 和 2 244.0 m 高程各布置 1 套水管式沉降儀，如圖 1 所示；在大壩（壩）0 + 134.4.0 設(shè) 2-2 監(jiān)測(cè)剖面，在 2-2 監(jiān)測(cè)剖面 2 214.0 和 2 244.0 m 高程各布置 1 套水管式沉降儀如圖 2 所示；在大壩（壩）0 + 202.79 設(shè) 3-3 監(jiān)測(cè)剖面，在3-3 監(jiān)測(cè)剖面 2 244.0 m 高程布置 1 套水管式沉降儀。壩體內(nèi)共計(jì)布置 5 套 23 臺(tái)水管式沉降儀，監(jiān)測(cè)壩體內(nèi)部的沉降量[4]。每條水管式沉降儀觀測(cè)房端使用水準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)校核改正壩體內(nèi)部沉降量。

圖1　大壩1-1（0+072.16）剖面沉降量分布圖

圖2　大壩2-2（0+134.40）剖面沉降量分布圖

圖3　大壩下游表面沉降量分布圖

2　監(jiān)測(cè)成果檢驗(yàn)及系統(tǒng)評(píng)價(jià)

土石壩沉降量是大壩監(jiān)控的重要指標(biāo)，沉降量的大小反映大壩運(yùn)行狀態(tài)是否正常。因此進(jìn)行大壩沉降資料分析前，必須對(duì)沉降資料成果進(jìn)行檢驗(yàn)，判定成果的真實(shí)性和可靠性，對(duì)監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行評(píng)價(jià)，剔除誤差值，使用有價(jià)值的監(jiān)測(cè)成果，并對(duì)水牛家大壩沉降量和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)評(píng)價(jià)是在檢查考證施工資料、現(xiàn)場(chǎng)檢查和測(cè)試，并對(duì)歷年監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比分析等工作的基礎(chǔ)上，結(jié)合建筑物的運(yùn)行情況，對(duì)整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的完備性、監(jiān)測(cè)精度、可靠性及監(jiān)測(cè)頻次作出綜合評(píng)價(jià)，對(duì)監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備的封存、報(bào)廢、監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的停測(cè)和監(jiān)測(cè)工作等提出意見和建議。水牛家大壩沉降成果評(píng)價(jià)主要進(jìn)行水管式沉降儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、歷年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析、監(jiān)測(cè)成果數(shù)據(jù)的評(píng)估。

在 2014 年 12 月對(duì)水牛家大壩所有水管式沉降儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法為：先向連通管充防凍液，待量測(cè)管內(nèi)的液面穩(wěn)定后進(jìn)行測(cè)讀，共進(jìn)行3 次測(cè)讀，以 3 次測(cè)讀的最大相互較差不超過 2 mm為合格測(cè)值。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試水牛家大壩水管沉降儀有少數(shù)測(cè)點(diǎn)短期穩(wěn)定性較差，需要進(jìn)行維護(hù)，其余測(cè)點(diǎn)短期穩(wěn)定性較好。

水牛家大壩歷年沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)估是繪制內(nèi)部沉降測(cè)值過程線如圖 4 所示。由圖 4 可見：除個(gè)別測(cè)次帶有明顯的觀測(cè)誤差外，在資料分析時(shí)進(jìn)行剔除。施工期隨著壩體的填筑，各測(cè)點(diǎn)均出現(xiàn)明顯的下沉；壩體填筑基本完成后，沉降速率逐漸減緩；大壩沉降受蓄水影響較小。大壩內(nèi)部沉降前期較大，后期已逐漸趨緩，符合堆石壩內(nèi)部沉降的一般規(guī)律。

3　監(jiān)測(cè)資料分析

壩體內(nèi)水管式沉降儀觀測(cè)成果分析，大壩內(nèi)部各測(cè)點(diǎn)沉降量不均勻，沉降成果過程線成小幅度上升趨勢(shì)，說明大壩一直處于緩慢沉降狀態(tài)。根據(jù)沉降監(jiān)測(cè)資料分析，水牛家大壩總沉降量按分層迭加計(jì)算為 847 mm，大壩沉降率占?jí)胃叩?0.78%，按照《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)，判定水牛家大壩沒有出現(xiàn)開裂等異常情況。沉降量在壩體變形允許的范圍內(nèi)，壩體變形滿足正常使用要求。

從大壩內(nèi)部沉降量分布情況分析，埋設(shè)在大壩2 244.0 m 高程馬道左岸最大沉降量為 374 mm，埋設(shè)在大壩 2 244.0 m 高程馬道中段最大沉降量為 368 mm，埋設(shè)在大壩 2 244.0 m 高程馬道右岸最大沉降量為342 mm。埋設(shè)在大壩 2 214.0 m 高程馬道左岸最大沉降量為 450 mm，埋設(shè)在大壩 2 214.0 m 高程馬道右岸最大沉降量為 591 mm[2]。根據(jù)圖 1 沉降量過程線分析，大壩沉降量總體變化趨勢(shì)沒有改變，逐年沉降量呈減小和逐漸收斂的趨勢(shì)，大壩沉降量受周期性變化的庫(kù)水位影響小。大壩內(nèi)部沉降量分布如圖 1 和 2 所示，水牛家大壩整體沉降量分布規(guī)律符合土石壩規(guī)范的要求。

圖4　水牛家大壩沉降點(diǎn)成果過程線

水牛家大壩下游表面的沉降量分布規(guī)律很好。在河床部位 2 214.0 m 高程沉降量是 50.7 mm，2 244.0 m 高程沉降量是 78.4 mm，2 274.0 m 高程沉降量是 184.1 mm；低高程的沉降量小于高高程的沉降量，表明大壩沉降量沒有出現(xiàn)“拱效應(yīng)”現(xiàn)象。在同一高程的沉降量分布規(guī)律是位于河床壩段的沉降量大，由河床向兩岸的沉降量逐漸減小，相鄰測(cè)點(diǎn)沉降量差不大，說明大壩沉降梯度變化小。因此水牛家大壩的變形規(guī)律符合一般土石壩的變形規(guī)律。水牛家大壩下游表面沉降量分布如圖 3 所示。

有媒體初步統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，從2012年至今，阿里7年來已有6位高管因“腐敗”而被調(diào)查。包括阿里巴巴旗下淘寶聚劃算原總經(jīng)理閻利珉，阿里影業(yè)原副總裁、淘票票原總經(jīng)理孔奇，阿里集團(tuán)人力資源部原副總裁王凱以及上文提到的盧梵溪等。

“5.12”汶川地震影響分析：從圖 4 沉降成果及過程線分析，地震前后大壩最大沉降量對(duì)比分析，與 2007 年底觀測(cè)成果 373 mm 對(duì)比，2008 年全年左岸 2 244 m 馬道下沉 33 mm；與 2007 年底觀測(cè)成果 470 mm 對(duì)比，2008 年全年左岸 2 214 m 馬道下沉 29 mm；與 2007 年底觀測(cè)成果 379 mm 對(duì)比，2008 年全年壩中 2 244 m 馬道下沉 39 mm；與 2007 年底觀測(cè)成果 570 mm 對(duì)比，2008 年全年右岸 2 214 m馬道下沉 21 mm；與 2007 年底觀測(cè)成果 328 mm 對(duì)比，2008 年全年右岸 2 244 m 馬道下沉 29 mm。2008 年沉降量總體情況與 2007 年相似，“5.12”汶川地震對(duì)水牛家大壩沉降量影響較小[5]。

4　數(shù)據(jù)模型建立

大壩沉降資料分析目的是用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法建立沉降量（稱為效應(yīng)值）和各影響因素（稱為原因量）之間關(guān)系，進(jìn)行沉降量的定量分析；從大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)中尋找出大壩沉降變形的變化規(guī)律。針對(duì)水牛家大壩沉降量變化規(guī)律比較復(fù)雜，影響因子較多，為了對(duì)資料進(jìn)行有效分析，本文采用多項(xiàng)式回歸、逐步回歸、參數(shù)的嶺估計(jì)等有機(jī)集成，并引進(jìn)累進(jìn)變換；有機(jī)集成后的方法稱之為分層變換篩選擬合法。在建立數(shù)據(jù)模型時(shí)主要考慮的影響因子如下：

1）庫(kù)水位因子。壩上下游水位差 H 是影響位移的重要因素。根據(jù)壩工理論，剪力引起的剪切位移和 H2有關(guān)，由水重造成庫(kù)底沉陷而導(dǎo)致壩體向上游傾斜的轉(zhuǎn)角則與 H 有關(guān)，因此壩頂水平位移的水位因子可選取 H，H2。同時(shí)考慮的水位變化對(duì)位移影響，加入另一個(gè)影響因子 △H 為前后兩次觀測(cè)之間的水位差；H 表示上下游水位差值，H2表示上下游水位差值的平方。

式中：B1，B2，B3為統(tǒng)計(jì)方程系數(shù)。

2） 溫度因子。本工程對(duì)壩體作全面觀測(cè)，已知各測(cè)點(diǎn)處的溫度 T，采用一階溫度項(xiàng)，考慮到熱膨脹系數(shù)的非線性關(guān)系，再選擇溫度的平方項(xiàng) T2。

式中：B1，B2為統(tǒng)計(jì)方程系數(shù)。

3） 時(shí)效因子。表征壩體產(chǎn)生不可逆變化的因素，本模型采用直線型時(shí)效因子 τ 及它的對(duì)數(shù)，時(shí)效分量 YD= B1τ + B2In (τ)，

式中：τ 為從起始監(jiān)測(cè)日算起至當(dāng)前觀測(cè)日的累積天數(shù)/100；B1，B2為統(tǒng)計(jì)方程系數(shù)。

4）交叉影響。由于存在溫度和水位的交互作用下產(chǎn)生的壩體位移，這里對(duì)于這種交互作用引入溫度和水位的耦合項(xiàng)，即它們的交叉項(xiàng)。交叉影響項(xiàng)YC= BT ? H，

式中：T 為測(cè)點(diǎn)處溫度，H 為壩上下游水位差，B 為統(tǒng)計(jì)方程系數(shù)。

式中：t 為從起始監(jiān)測(cè)日算起至當(dāng)前觀測(cè)日的天數(shù)。B1，B2，B3，B4為系數(shù)。

利用同樣方法，針對(duì)沉降量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。經(jīng)過分析，最后建立模型為[3]

式中：Y 表示水牛家大壩的預(yù)測(cè)沉降量。

最大沉降量實(shí)測(cè)值與擬合值對(duì)比圖如圖 5 所示，水牛家大壩沉降量資料通過上述的擬合得到數(shù)據(jù)模型反映大壩沉降變形規(guī)律，擬合的復(fù)相關(guān)系數(shù)絕大多數(shù)達(dá)到 0.98 左右，說明數(shù)據(jù)模型能夠反映大壩沉降變形的客觀變化規(guī)律，擬合效果良好。通過資料擬合分析建立了水牛家大壩沉降變形的數(shù)據(jù)模型，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值吻合程度良好，預(yù)測(cè)模型有效反映了大壩沉降變形的時(shí)程變化趨勢(shì)。

水牛家大壩沉降變形擬合過程中，誤差較大的點(diǎn)出現(xiàn)在 2008 年 5 月 12 日前后，這是由于突發(fā)地震造成沉降量有小幅度階躍，隨后誤差逐漸減小，表明“5.12”地震對(duì)壩體沉降量影響較小。

5　結(jié)語

介紹水牛家大壩沉降觀測(cè)的方法，對(duì)沉降成果資料分析前進(jìn)行數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)。根據(jù)沉降儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果和對(duì)比沉降量歷史數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)沉降量資料系列中的異常數(shù)據(jù)，在資料分析和建立數(shù)據(jù)模型時(shí)剔除異常數(shù)據(jù)，保障分析資料的可靠性和真實(shí)性。通過資料分析，采用分層變換篩選擬合法建立水牛家大壩沉降量數(shù)據(jù)分析模型，選取適合大壩沉降量分析的水位、溫度、時(shí)間、周期性影響因子及因子階數(shù)，并用地震期資料修正數(shù)據(jù)模型，剔除工程特殊工況的影響，建立的數(shù)據(jù)模型符合工程特性，具有指導(dǎo)工程安全運(yùn)行，預(yù)報(bào)大壩沉降量發(fā)展趨勢(shì)。其他工程可以參考使用。

參考文獻(xiàn)：

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圖5　水牛家大壩沉降點(diǎn)成果過程線

[2] 朱偉，萬永波. 水牛家水電站監(jiān)測(cè)成果及分析年度報(bào)告[R]. 成都：成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2014: 34.

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[5] 萬永波，陳玉宇. 華能水牛家水電站 5.12 大地震以來運(yùn)行監(jiān)測(cè)總結(jié)報(bào)告[R]. 成都：成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2008: 9-11.

Analysis and Evaluation of Settlement Data about Shuiniujia Dam

WAN Yongbo, YUAN Youcang
(Chengdu Engineering Corporation Limited of PowerChina, Chengdu 610072, China)

Abstract:This paper introduces the monitoring method of the dam settlement, the inspection and comprehensive evaluation of the settlement instruments, ensures the authenticity and reliability of the monitoring data. Based on the analysis of the settlement data, the model of settlement deformation data is established by using the method of hierarchical transformation, electing influence factor and factor order, and using seismic special working conditions. So the data model is more consistent with the engineering characteristics, provides basis and mathematical model for monitoring and forecasting of Shuiniujia dam, and guides safe operation of the project.

Key words:Shuiniujia hydroelectricity station; spot test; subsidence monitor; influence factors

作者簡(jiǎn)介：萬永波（1973-），男，重慶豐都人，高級(jí)工程師，從事水電水利工程安全監(jiān)測(cè)工作。

收稿日期：2015-12-15

中圖分類號(hào)：TV64

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-9405(2016)01-0020-05