GGQ 水電站重力壩壩基揚壓力監(jiān)測成果分析

方 晗，陶興陽

(華能瀾滄江水電股份有限公司,云南 大理 672700)

1 工程概況及揚壓力監(jiān)測布置情況

GGQ 水電站于云南省大理市，為二等大（2）型工程，電站樞紐工程由擋水建筑物、河床壩身泄洪建筑物、右岸地下引水發(fā)電系統(tǒng)組成。擋水、泄洪、引水及發(fā)電等永久性主要建筑物為2 級建筑物，次要建筑物為3 級建筑物。壩體類型為碾壓混凝土重力壩，最大壩高105.0 m，壩體從左到右分為17 個壩段。共設(shè)5 個溢流表孔，布置在8 號～12 號壩段，有1 個泄洪底孔，設(shè)置在13 號壩段，剩余1 號～7 號、14 號～17 號壩段分別為左岸、右岸非溢流壩段。

鉆孔布置測壓管用于壩基揚壓力監(jiān)測，測壓管鉆入基巖深度1 m。將滲壓計安裝在測壓管中，并連接至安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)，同時在廊道內(nèi)安裝壓力表用于人工讀數(shù)。沿壩軸線方向自上游至下游分別設(shè)置了第一排基礎(chǔ)灌漿廊道、第二排縱向排水廊道、第四排排水廊道3 個監(jiān)測斷面，各斷面上每個壩段有一個測點。垂直壩軸線方向選取了3 個典型壩段作為監(jiān)測斷面，包括5 號壩段、8 號壩段和14 號壩段中線，各個斷面從上游帷幕前開始沿線布置測壓管或滲壓計。

2 監(jiān)測成果定性分析

（1）首先繪制每個揚壓力測點的測值過程線，從圖中可以清楚地看到第一排基礎(chǔ)灌漿廊道內(nèi)揚壓力測孔水位主要受上游水位變化影響，第四排排水廊道內(nèi)揚壓力測孔水位主要受下游水位變化影響。兩排廊道內(nèi)揚壓力測值都隨著水位升高而增大，水位下降而減小，呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，但也有一滯后過程。

（2）為分析上游主帷幕的防滲效果，計算2018 年6 月16日第一排基礎(chǔ)灌漿廊道上各測點的實測揚壓力系數(shù)見表1。除了位于6 號壩段的UP09 外，第一排基礎(chǔ)灌漿廊道內(nèi)的測點實測揚壓力系數(shù)為0.01～0.17，均小于設(shè)計折減系數(shù)0.2，由此可以推斷出大壩主防滲帷幕起到了良好的防滲作用，有效保障了大壩安全，實現(xiàn)了設(shè)計預期效果。

表1 第一排基礎(chǔ)灌漿廊道揚壓力折減系數(shù)表

（3）第一排基礎(chǔ)灌漿廊道內(nèi)6 號壩段UP09 測點的揚壓力折減系數(shù)為0.3，顯著高于第一排廊道位置設(shè)計揚壓力折減系數(shù)0.2。經(jīng)查閱地質(zhì)資料，F(xiàn)25 斷層通過該點位置，雖然斷層已經(jīng)過處理，但該測點可能正好位于破碎裂隙位置，導致?lián)P壓力測值偏高。經(jīng)與同斷面及附近測孔水位比較，可判斷屬于個別現(xiàn)象，不影響整個主帷幕防滲效果。現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)距該點0.5 m有一個壩基排水孔，孔口無水，也能夠佐證這一點。

（4）8 號壩段為最大壩高壩段，選取該壩段橫向監(jiān)測斷面上從上游至下游的4 個揚壓力測點，分別計算其換算水位見表2。由于下游水位較高，加上第四排排水廊道與上游防滲帷幕距離較遠，因此第四排排水廊道內(nèi)揚壓力測孔水位受下游水位影響較大，說明設(shè)置下游帷幕是必要的。經(jīng)計算，雖然UP39 測孔水位相對較高，但殘余揚壓力系數(shù)也未超出設(shè)計值0.5，不影響壩基安全。

表2 8 號壩段揚壓力測孔水位表

3 監(jiān)測成果定量分析

3.1 統(tǒng)計模型

使用逐步回歸分析法[1]，利用揚壓力測孔水位主要受上下游水位、溫度、時效影響的原理，根據(jù)統(tǒng)計模型公式建立了46個壩基揚壓力測點的回歸模型。

式中：a0、a1、a2、b1i、b2i、c1、c2為回歸系數(shù)；Hu、hd為分別為對應(yīng)日期的上游水深、下游水深；Hu0、hd0為分別為初始監(jiān)測日上游水深、下游水深。t 為監(jiān)測日至始測日的累計天數(shù)；t0為計算時段起測日至始測日之間的累計天數(shù)；θ 為監(jiān)測日至測點始測日的累計天數(shù)除以100；θ0為建模起始日至始測日的累計天數(shù)除以100。

用于評估回歸方程的有效性和精度的常用指標有復相關(guān)系數(shù)、標準差等[2]，因此，統(tǒng)計計算各測點數(shù)學模型回歸方程的復相關(guān)系數(shù)見表3?？梢钥闯?，46 個測點中復相關(guān)系數(shù)大于0.8 的共有29 個測點，且最小復相關(guān)系數(shù)為0.68。結(jié)果表明，該統(tǒng)計模型具有較高的精度，可用于揚壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)的定量分析。

表3 揚壓力測點回歸模型復相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計表

圖1 UP06 實測擬合對比曲線圖

3.2 影響因素分析

為了掌握上下游水位、溫度和時效等各種因素對壩基揚壓力測孔水位的影響，選擇典型年份（2014 年）的數(shù)據(jù)，計算和分析統(tǒng)計模型中各個組成部分的變化值占總變化量的比例。

除UP2 外，其他壩基揚壓力測點數(shù)學模型均選中上下游水位分量，且其占比最高，說明上下游水位分量對壩基揚壓力變化影響最大。在2014 年揚壓力總變化量中，UP03、UP25、UP36、UP38、UP40、UP41 等測點上下游水位分量占揚壓力變化量的44.41%～73.19%，其他測點的上下游水位分量占揚壓力變化量的8.39%～37.46%。

在大多數(shù)揚壓力測點數(shù)學模型中，溫度分量占比居中，表明其對揚壓力變化有著明顯的影響。在2014 年揚壓力總變化量中，UP11、UP25、UP27、UP29、UP36、UP38、UP40 等測點溫度分量占揚壓力變化量的7.15%～29.47%，其他測壓管溫度分量占揚壓力變化量的31.58%～86.28%。

各揚壓力測點數(shù)學模型均選中了時效分量，但其比例反映出時效分量對該重力壩壩基揚壓力變化影響最小。在2014年揚壓力總變化量中，UP13、UP26、UP27、UP33、UP37 等測點時效分量占揚壓力變化量的47.45%～66.24%，剩余測壓管時效分量占比相對較低，占揚壓力變化量的2.21%～38.46%。

經(jīng)分析，在影響該重力壩壩基揚壓力變化的3 個因素中，上下游水位分量影響最大，溫度分量居中，時效分量影響最小。由于該電站為日調(diào)節(jié)水庫，影響最大的上下游水位全年變化不大，溫度也保持比較穩(wěn)定的周期性變化，而可能變化較大的時效分量則影響最小，因此可初步推斷該重力壩壩基揚壓力總體不會有太大的變化。

4 安全監(jiān)控指標

4.1 安全監(jiān)控指標制定方法

除了根據(jù)設(shè)計階段各類計算成果提出的設(shè)計監(jiān)控指標外，大壩運行期還需要根據(jù)安全監(jiān)測資料的積累情況適時提出運行期監(jiān)控指標。運行期監(jiān)控指標一般可以通過綜合比較法、置信區(qū)間估計法、典型效應(yīng)量小概率法、結(jié)構(gòu)計算法和可能不利荷載組合法來制定。根據(jù)該重力壩的特點和實際情況，采用置信區(qū)間估計法和典型效應(yīng)量小概率法來制定安全監(jiān)控指標。

（1）置信區(qū)間估計法

置信區(qū)間估計法首先需要建立揚壓力測點的數(shù)學模型，然后使用數(shù)學模型的結(jié)果計算監(jiān)測效應(yīng)量（E^）與實測值E 的差值（E^-E）。該值有100（1-α）%的概率落在置信帶Δ=±iS 范圍之內(nèi)，而且測值過程沒有出現(xiàn)明顯的趨勢性變化，則可以認為運行時正常的，反之是異常的[3]。

根據(jù)該重力壩具體情況，參考其他同壩型、同規(guī)模工程經(jīng)驗，取顯著性水平α 為5%，此時i 取值1.96，即Δ=±1.96S。此時，判別標準為：

①當（E^-E）＜1.96S，且測值過程沒有出現(xiàn)明顯的趨勢性變化時，可認為該測點測值正?；虬踩?。

②當（E^-E）≥1.96S 時，測值異常。

因此，相應(yīng)監(jiān)測效應(yīng)量的監(jiān)控指標為：Em=E^±1.96S。

（2）典型效應(yīng)量小概率法

根據(jù)工程具體情況，從壩基揚壓力的長期監(jiān)測資料中，選擇在不利荷載組合時的監(jiān)測效應(yīng)量Xmi，Xmi則為隨機變量，由長期監(jiān)測數(shù)據(jù)可以獲得一個子樣數(shù)為n 的樣本空間：

根據(jù)下式計算其平均值和標準差：

然后，用小樣本統(tǒng)計檢驗方法，進行分布檢驗，以確定其概率密度f(x)的分布函數(shù)F(x)(如正態(tài)分布、對數(shù)正態(tài)分布以及極值I 型分布等)[4]。

假設(shè)Xm為監(jiān)測效應(yīng)量的極值，因此當X＞Xm時，大壩將要出現(xiàn)異常或險情，由分布函數(shù)可以計算出X＞Xm的概率為：

參考其他同壩型、同規(guī)模工程經(jīng)驗取失事概率Pα為5%，可由Xm的分布函數(shù)直接求出Xm=F-1（x，σx，α）。

4.2 安全監(jiān)控指標確定原則

首先根據(jù)工程主副防滲帷幕及排水孔的布置形式，按照規(guī)范及設(shè)計計算參數(shù)，計算出揚壓力測點的結(jié)構(gòu)計算值。然后，根據(jù)置信區(qū)間估計法、典型效應(yīng)量小概率法，分別計算揚壓力測點監(jiān)控指標，同時統(tǒng)計各測點的歷史極值，將以上計算結(jié)果和統(tǒng)計值與結(jié)構(gòu)計算值比較。當以上數(shù)值沒有超過結(jié)構(gòu)計算值時，取以上數(shù)值中的極值為安全監(jiān)控指標。當以上數(shù)值超過結(jié)構(gòu)計算值時，取結(jié)構(gòu)計算值為安全監(jiān)控指標。

4.3 揚壓力安全監(jiān)控指標

首先對各揚壓力測點的數(shù)據(jù)質(zhì)量進行評判，在此基礎(chǔ)上選擇UP 08、UP11、UP17、UP25、UP26、UP27、UP33、UP39、UP41、UP46 共9 個揚壓力測點制定安全監(jiān)控指標。接著根據(jù)上述制定方法和確定原則，計算制定揚壓力測點安全監(jiān)控指標，詳見表4。

表4 揚壓力測點安全監(jiān)控指標統(tǒng)計表（單位：kPa）

由于該重力壩揚壓力監(jiān)測手段有滲壓計和壓力表兩種，其中滲壓計測值為負值時表示有壓，因此選擇最小值作為不利值，計算最小值作為安全監(jiān)控指標；而壓力表測值為正值時表示有壓，因此選擇最大值作為不利值，計算最大值作為安全監(jiān)控指標。

揚壓力測點UP25 置信區(qū)間估計法、典型效應(yīng)量小概率法計算結(jié)果以及歷史極值都未超過結(jié)構(gòu)計算值，因此將選擇計算結(jié)果和歷史極值中的最小值作為安全監(jiān)控指標。但由于UP25揚壓力測點的數(shù)學模型復相關(guān)系數(shù)R＜0.8，置信區(qū)間與測值區(qū)間比例大于50%，因此置信區(qū)間估計法計算結(jié)果不作為監(jiān)控指標依據(jù)，最終選用典型效應(yīng)量小概率法計算結(jié)果作為UP25 測點安全監(jiān)控指標。

當上述測點測值接近或超過安全監(jiān)控指標時，應(yīng)立即進行測值復測，增加觀測頻次，關(guān)注測值變化。如測值出現(xiàn)趨勢性變化，應(yīng)加強現(xiàn)場檢查，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析和評估，必要時進行壩體滲流穩(wěn)定復核結(jié)構(gòu)計算，提出大壩運行控制要求。

5 結(jié)語

為充分運用GGQ 水電站重力壩壩基揚壓力監(jiān)測成果對大壩安全進行評估，定性分析了壩基揚壓力的分布規(guī)律、UP09 揚壓力系數(shù)偏高的原因，同時建立了壩基揚壓力統(tǒng)計模型進行定量分析，得出了該重力壩壩基揚壓力主要受上下游水位影響、主帷幕防滲效果良好、UP09 測值偏高不影響大壩安全等結(jié)論，最后通過置信區(qū)間估計法、典型效應(yīng)量小概率法，制定了揚壓力安全監(jiān)控指標，為大壩運行期間的揚壓力安全監(jiān)測提供了科學依據(jù)。