混凝土壩垂直位移安全監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

宋萬石

（中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴陽550081）

1 基本情況

大壩位于紅水河中游的廣西省境內(nèi)，攔河大壩為碾壓混凝土實體重力壩，壩頂高程為233.0m，最大壩高110m，壩頂總長為525m，大壩分為28個壩段。大壩從左至右沿1#～28#壩段壩頂布置了61個垂直位移監(jiān)測點，1992年3月15日進行首次測量，1996年6月后開始正常監(jiān)測，一般每月監(jiān)測1次，資料收集截至2009年3月，其中壩體上游側(cè)垂直位移監(jiān)測點bc10-1在2005年和2006年，測點bc11-1在2004年和2005年由于門機占位暫停監(jiān)測，2006年恢復正常監(jiān)測，壩體下游側(cè)垂直位移測點bc1-2只有1992年3月15日至1997年12月17日的觀測數(shù)據(jù)，1997年以后數(shù)據(jù)一直缺測，在此不對其進行分析。從監(jiān)測資料看，1997年上半年以前監(jiān)測精度較差。1997年下半年以后，監(jiān)測精度較好。因此，本文主要以1997年下半年監(jiān)測資料為依據(jù)進行分析。

2 垂直位移的統(tǒng)計模型及其成果分析

2.1 統(tǒng)計模型原理

大壩屬于碾壓混凝土實體重力壩，垂直位移主要受水壓、溫度及時效等因素的影響［1-2］。因此，垂直位移δ由水壓分量δH、溫度分量δT、時效分量δθ組成，其公式：

式中 δ為位移值；δH為水壓分量；δT為溫度分量；δθ為時效位移分量。

考慮初始測值的影響及大壩運行情況，溫度因子采用周期項模擬，垂直位移的統(tǒng)計模型可表達為［1-2］：

式中 a1i、a2i為水壓因子回歸系數(shù)；Hu、Hu0為監(jiān)測日、始測日所對應的上游水頭，即上游水位測值與壩底高程之差；b1i、b2i為溫度因子回歸系數(shù)；t為位移監(jiān)測日到起始監(jiān)測日的累計天數(shù)；t0為建模資料系列第一個監(jiān)測日到始測日的累計天數(shù)；c1、c2為時效因子回歸系數(shù)；θ為建模資料系列第一個測值日到始測日的累計天數(shù)t除以100；θ0為建模資料系列第一個測值日到始測日的累計天數(shù)t0除以100；a0為常數(shù)項。

2.2 垂直位移回歸模型及成果分析

由壩頂、168.5m廊道及廠房（水輪機層和尾水平臺）垂直位移監(jiān)測資料分析表明，168.5m廊道、基礎廊道和水輪機層垂直位移測值受隨機因素影響較大，下面僅對壩頂和尾水平臺垂直位移進行建模分析。

2.2.1 回歸模型

采用逐步回歸方法，對60個壩頂垂直位移測點（bc1-1～bc28-2）和尾水平臺的4個測點（cc1-2～cc4-2）的垂直位移監(jiān)測資料建立了回歸模型。其中，上游側(cè)測點（bc1-1～bc24-1）的建模系列為1992年3月15日～2014年12月18日的測值 （取1992年3月15日測值作為基準值），下游側(cè)測點（bc1-4～bc28-2）的建模系列為1992年3月15日～2014年12月18日的測值 （取1992年3月15日測值作為基準值）；尾水平臺測點（cc1-2～cc4-2）的建模系列為1992年3月15日～2014年12月22日的測值（取1992年3月15日測值作為基準值）。

計算各測點回歸模型系數(shù)及相應的模型復相關系數(shù)R、標準差S和顯著性水平F及各測點垂直位移實測值、擬合值及殘差過程線。限于篇幅，這里選取壩體部分壩段垂直位移精密水準統(tǒng)計模型回歸系數(shù)統(tǒng)計表和壩頂上游側(cè)垂直位移bc1-1和壩頂下游側(cè)垂直位移bc1-4實測、擬合及殘差過程線作為典型圖進行展示，如表1及圖1～圖2。

表1 壩段垂直位移模型回歸系數(shù)統(tǒng)計

圖1 壩頂上游側(cè)垂直位移bc1-1實測、擬合及殘差過程線

圖2 壩頂下游側(cè)垂直位移bc1-4實測、擬合及殘差過程線

2.2.2 精度分析

利用溫度因子用周期項進行了模型的回歸分析，計算可知，在64個精密水準監(jiān)測點中，復相關系數(shù)大于0.9的有17個測點，介于0.8～0.9之間的測點有41個，在0.7～0.8之間的有5個測點，其余測點均為小于0.7的。同時，各模型對應的標準差S最大為5.54mm（bc26-1），最小為0.271m（bc24-1），與相應的垂直位移最大值和年變幅相比，S值較小。

由此可見，用周期項模擬溫度因子的影響，建立的回歸模型精度較高。

本文考慮溫度周期項建立的回歸模型分離各變量，并分析各影響量對垂直位移的作用。

2.2.3 各主要影響量對壩體垂直位移的影響

為了分析各分量對壩頂垂直位移的影響，以壩頂上游側(cè)典型測點在2013年的實測垂直位移年變幅為例，依據(jù)構(gòu)建的回歸模型，對各個分量進行分離，具體結(jié)果如表2。

表2 2013年壩頂?shù)湫蜏y點垂直位移年變幅分量分離統(tǒng)計單位：mm

結(jié)合回歸分析成果，對垂直位移的各個影響量作定量分析。

2.2.3.1 水壓分量

庫水位對壩頂垂直位移變化有一定影響，在所有壩頂垂直位移測點中，19個測點選上水位因子。在2013年壩頂垂直位移年變幅中，庫水位占0%～7%。

2.2.3.2 溫度分量

溫度的高低是影響壩體垂直位移變化最主要的因素，由統(tǒng)計模型計算結(jié)果可看出，溫度分量約占總影響量的92%～99%。壩頂垂直位移所有測點均選上了溫度因子，溫升時，溫度分量減小，即壩頂上抬；反之，溫降時，溫度分量增大，即壩頂下沉。

2.2.3.3 時效分量

時效分量對壩頂垂直位移的影響很小，壩頂垂直位移已基本穩(wěn)定。如在2013年壩頂垂直位移年變幅中，時效分量占1%。

3 結(jié)語

（1）溫度分量是3個因素中最主要的影響量。壩頂垂直位移存在以年為周期的變化規(guī)律。壩體的垂直位移隨溫度升高而上抬，隨溫度降低而下沉；溫度越高，這種差值表現(xiàn)就愈發(fā)明顯。同時，溫度分量對壩體垂直位移也有滯后作用的影響，每年的8～10月份壩體位移上抬量較大，而1～3月份壩體位移下沉量較大。此外，庫水位變化對壩體垂直位移也產(chǎn)生了一定影響，但其影響程度比溫度變化小。

（2）壩頂相鄰壩段各個測點數(shù)據(jù)中出現(xiàn)波谷的時間段很接近，具有相同的變化規(guī)律。剔除了個別突變時段之后，壩頂各個測點的垂直位移變化總體穩(wěn)定。各測點在2002～2008年之間測值的突變過程主要與相應年份溫度變化和基點等觀測系統(tǒng)擾動有關。由上述分析可知，壩頂垂直位移變化規(guī)律基本正常。

［1］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.

［2］顧沖時，吳中如.大壩與壩基安全監(jiān)控理論和方法及其應用［M］.南京：河海大學出版社，2006.

［3］張博，陶家祥，曹其光，等.豐滿大壩垂直位移監(jiān)測資料分析［J］.三峽大學學報（自然科學版），2010（6）：25-28.

［4］向衍，鄭東健，顧沖時，等.古田溪四級大壩垂直位移的突變值解析［J］.水電自動化與大壩監(jiān)測，2003（2）：51-55.

［5］丁建軍，劉國明.良淺大壩垂直位移觀測資料分析［J］.福州大學學報（自然科學版），2002（2）：230-234.

［6］曹邱林，顧沖時.長湖大壩垂直位移性態(tài)分析［J］.灌溉排水，2002（4）：53-56.