高心墻堆石壩心墻沉降變形測(cè)值延補(bǔ)方法研究

景玉蘭，陳建康，張 瀚，牟 林，盧 祥

(1.四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065；2.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610072)

0 引 言

隨著愈來(lái)愈多的高心墻堆石壩在我國(guó)西南地區(qū)的建設(shè)與運(yùn)行，高堆石壩的心墻沉降變形特性也更加引起人們的關(guān)注[1]，掌握心墻沉降變形的原形觀測(cè)資料對(duì)于避免心墻拱效應(yīng)、水力劈裂及滲漏等問(wèn)題[2]均有重要意義。實(shí)際工程中，因施工、水庫(kù)蓄水、監(jiān)測(cè)儀器或系統(tǒng)損壞等可能造成關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)長(zhǎng)期缺測(cè)或測(cè)值異常，以致無(wú)法掌握心墻沉降變形的實(shí)際規(guī)律，無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)大壩出現(xiàn)的問(wèn)題及采取補(bǔ)救措施。目前常用統(tǒng)計(jì)回歸[3]、遺傳回歸[4]、時(shí)間序列[5]、克里金插值[6]、關(guān)聯(lián)分析[7]、主成分模型樹(shù)[8]等單一預(yù)測(cè)模型對(duì)堆石壩變形的缺測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)延長(zhǎng)，或采用多種預(yù)測(cè)方法進(jìn)行組合分析，其中俞凱加等[9]基于ARIMA-BP組合分析模型，考慮了監(jiān)測(cè)序列的線(xiàn)性和非線(xiàn)性復(fù)合特性，鐘登華等[10]基于ANFIS-GM模型，考慮了測(cè)值與影響因素的灰色特性和模糊特性，均得到了較好的預(yù)測(cè)效果。但這些模型很少能綜合考慮序列的測(cè)值特性和延補(bǔ)期的長(zhǎng)短，且有些方法過(guò)于復(fù)雜，對(duì)實(shí)際工程的適用性不強(qiáng)。本文基于高心墻堆石壩心墻沉降變形測(cè)值，比較分析了多元線(xiàn)性回歸法、時(shí)間序列法、趨勢(shì)面擬合法、克里金插值法、關(guān)聯(lián)模型法等延補(bǔ)方法的適用性，考慮環(huán)境量、序列自身特性、空間變化規(guī)律、空間測(cè)值相關(guān)性等提出了一種適宜高心墻堆石壩心墻沉降變形測(cè)值插值延補(bǔ)的智適應(yīng)模型。該模型能根據(jù)數(shù)據(jù)序列及延補(bǔ)期的長(zhǎng)短智能而快速地計(jì)算出延補(bǔ)結(jié)果，能大幅提高計(jì)算效率，可為實(shí)際堆石壩工程的變形測(cè)值延補(bǔ)提供技術(shù)支持，也能為其他工程領(lǐng)域的測(cè)值延補(bǔ)方法提供一定參考。

1 工程背景

長(zhǎng)河壩水電站系大渡河干流水電規(guī)劃“三庫(kù)22級(jí)”的第10級(jí)電站，屬一等大(1)型工程。礫石土心墻堆石壩壩頂高程1 697.00 m，心墻頂高程1 696.40 m，心墻最低建基面高程1 457.00 m，最大壩高24 0 m，心墻高239.4 m。壩區(qū)河床覆蓋層基本以含泥漂卵礫石等粗顆粒為主，厚度一般30～40 m。工程于2010年12月1日開(kāi)工，2013年10月30日開(kāi)始下游堆石區(qū)填筑，2016年9月17日竣工，2016年10月25日開(kāi)始蓄水，2017年12月7日初蓄完成。

長(zhǎng)河壩沉降變形監(jiān)測(cè)主要采用電位器式位移計(jì)、電磁式沉降儀、水管式沉降儀。其中心墻填筑區(qū)埋設(shè)36套電位器式位移計(jì)，分布于0+193、0+253、0+330三個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，編號(hào)WY14～17、WY19～24、WY26～29、WY31～34、WY36～41、WY43～46、WY48～51、WY53～56，如圖1所示；心墻填筑區(qū)埋設(shè)3套55個(gè)電磁沉降環(huán)，分布于0+137、0+253、0+394三個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，編號(hào)VE1-DC1～ DC15、VE2-DC1～ DC23、VE3-DC1～ DC17，如圖2所示；下游堆石區(qū)埋設(shè)124個(gè)水管式沉降儀，分布于0+137、0+193、0+253、0+330、0+394五個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，編號(hào)CH1～ CH124，圖1所示水管式沉降儀有CH41～CH55、CH57～CH61、CH65～CH69。

長(zhǎng)河壩大壩填筑施工中， VE1～VE3儀器下部的沉降環(huán)因擠壓變形過(guò)大而無(wú)法測(cè)值，多數(shù)測(cè)環(huán)無(wú)法獲取2015年9月至2016年7月的測(cè)值，致使無(wú)法判斷是否捕捉到該時(shí)段心墻的最大沉降變形，應(yīng)工程蓄水安全鑒定需求，需對(duì)異常及缺測(cè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)值延補(bǔ)以掌握大壩的實(shí)際運(yùn)行性態(tài)。

圖1 心墻區(qū)0+253斷面電位器式位移計(jì)監(jiān)測(cè)布置圖(單位：mm)Fig.1 Monitoring layout of Potentiometer displacement meters in 0+253 m section

圖2 沿心墻中心線(xiàn)斷面電磁式沉降環(huán)監(jiān)測(cè)布置圖Fig.2 Monitoring layout of electromagnetic settlement rings of the section along the center line of the core wall

2 高心墻堆石壩心墻沉降變形測(cè)值延補(bǔ)智適應(yīng)模型研究

2.1 傳統(tǒng)常用延補(bǔ)方法

2.1.1 時(shí)間延補(bǔ)法

(1)多元線(xiàn)性回歸法。多元線(xiàn)性回歸法是一種以環(huán)境量作為自變量，監(jiān)測(cè)效應(yīng)量為因變量，基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)建立起的數(shù)學(xué)模型?？紤]以下延補(bǔ)時(shí)段為心墻填筑期，可建立如下回歸模型：

(1)

式中：y(t)為心墻沉降變形監(jiān)測(cè)值在時(shí)間t的統(tǒng)計(jì)估計(jì)值；H(t)為t時(shí)刻心墻上升高度；T(t)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)除以100；ai(i=1，2，3，4)為待定回歸系數(shù)。

(2)時(shí)間序列法。大壩監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間序列法可在不涉及環(huán)境量的條件下，根據(jù)測(cè)值時(shí)間序列的規(guī)律性、不變性及數(shù)據(jù)間的非獨(dú)立性構(gòu)建如下時(shí)序模型：

xt=f(xt-1,xt-2,…,x1)+at

(2)

式中：{xt}為大壩變形實(shí)測(cè)值的時(shí)間序列；f為當(dāng)前測(cè)值與歷史測(cè)值的相關(guān)關(guān)系；at為隨機(jī)因素，通常假定為白噪聲序列，令其均值為0。經(jīng)計(jì)算，該心墻堆石壩沉降變形序列基本呈自相關(guān)系數(shù)拖尾，偏自相關(guān)系數(shù)一階截尾，因此考慮測(cè)值序列符合AR(P)模型。

2.1.2 空間延補(bǔ)法

(1)趨勢(shì)面擬合法。在外界荷載及環(huán)境等因素的作用下，壩體任意一點(diǎn)的變形都與空間坐標(biāo)存在相關(guān)關(guān)系[11]，趨勢(shì)面擬合法正是對(duì)多個(gè)測(cè)點(diǎn)、多個(gè)方向的測(cè)值進(jìn)行綜合分析的方法，構(gòu)建趨勢(shì)面函數(shù)如下：

(3)

(4)

式中：λi為待定權(quán)重系數(shù)，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)變異函數(shù)與變異函數(shù)模型擬合得出，此處采用的變異函數(shù)模型為球狀模型。

(3)關(guān)聯(lián)模型法。大壩沉降變形一般有若干個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，各斷面沿高程或上下游方向均會(huì)布置一系列測(cè)點(diǎn)，由于各斷面外部環(huán)境、荷載條件和儀器基本一致，因此同一斷面相鄰測(cè)點(diǎn)的沉降變形測(cè)值及其變化趨勢(shì)一般具有很強(qiáng)的相關(guān)性。對(duì)于關(guān)聯(lián)度較大的測(cè)點(diǎn)，可根據(jù)測(cè)點(diǎn)測(cè)值直接建立關(guān)聯(lián)模型，序列之間的關(guān)聯(lián)強(qiáng)度可通過(guò)相關(guān)系數(shù)的大小來(lái)判別，如表1所示。

表1 相關(guān)系數(shù)和相關(guān)強(qiáng)度關(guān)系Tab.1 The relationship between correlation coefficient and correlation strength

2.2 延補(bǔ)效果分析

對(duì)于時(shí)間延補(bǔ)法，取長(zhǎng)河壩工程心墻部位WY33、WY40和VE2-DC11、VE3-DC8作為驗(yàn)證測(cè)點(diǎn)，分不同時(shí)段分別對(duì)其進(jìn)行多元線(xiàn)性回歸和時(shí)間序列建模。由表2可知，兩種方法均適用于短期延補(bǔ)。由于要建立效應(yīng)量與多個(gè)自變量的數(shù)理關(guān)系，多元線(xiàn)性回歸法較適用于長(zhǎng)序列數(shù)據(jù)；建模時(shí)采用的因子及表達(dá)式受人為主控因素的影響較大，可能造成因子的漏取和誤取，加之受隨機(jī)因素的影響，模型的延補(bǔ)精度會(huì)隨著時(shí)間的增加而逐漸降低，該法在120 d以?xún)?nèi)的延補(bǔ)精度較高，最大相對(duì)誤差M(ΔA(%))基本可控制在17%以?xún)?nèi)，復(fù)相關(guān)系數(shù)R均大于0.9。時(shí)間序列法要求序列為自相關(guān)程度較高的等時(shí)間間隔連續(xù)數(shù)據(jù)，對(duì)如圖3所示測(cè)點(diǎn)VE2-DC11、VE3-DC8的非等間距、非平穩(wěn)序列不適用；建模時(shí)主要依靠數(shù)據(jù)內(nèi)部的依存關(guān)系來(lái)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的發(fā)展趨勢(shì)，更適用于短序列的短期延補(bǔ)，該法在15 d以?xún)?nèi)的延補(bǔ)精度較高，且略高于多元線(xiàn)性回歸法，復(fù)相關(guān)系數(shù)R均大于0.8，但隨著延補(bǔ)時(shí)間的增加，延補(bǔ)值幾乎處于不變或緩慢增長(zhǎng)的狀態(tài)，屬無(wú)效值。

對(duì)于空間延補(bǔ)法，取長(zhǎng)河壩工程心墻部位的電磁式沉降環(huán)VE1-DC5～VE1-DC8、VE2-DC10～ VE2-DC13作為驗(yàn)證測(cè)點(diǎn)，取下游堆石區(qū)同監(jiān)測(cè)斷面相近高程的水管式沉降儀作為參照測(cè)點(diǎn)。由表3可知，由于三種方法均無(wú)時(shí)間維度，僅受基礎(chǔ)測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)、相關(guān)程度及空間位置的影響，誤差不隨時(shí)間波動(dòng)，對(duì)序列的短期和長(zhǎng)期延補(bǔ)均適用。關(guān)聯(lián)模型法的延補(bǔ)精度最高，延補(bǔ)測(cè)點(diǎn)與參照測(cè)點(diǎn)間的相關(guān)系數(shù)均大于0.87，從平均誤差來(lái)看穩(wěn)定性較好，但其受限于參照點(diǎn)的個(gè)數(shù)及其與延補(bǔ)測(cè)點(diǎn)間的相

表2 典型測(cè)點(diǎn)沉降變形多元線(xiàn)性回歸法與時(shí)間序列法延補(bǔ)精度對(duì)比Tab.2 Comparison between MLR and TSM of settlement deformation of typical measuring points

圖3 測(cè)點(diǎn)VE2-DC11、VE3-DC8沉降變形多元線(xiàn)性回歸法不同時(shí)段延補(bǔ)歷時(shí)過(guò)程線(xiàn)Fig.3 MLR for settlement deformation in VE2-DC11 and VE3-DC8

表3 典型測(cè)點(diǎn)沉降變形空間延補(bǔ)法精度對(duì)比Tab.3 Precision comparison of space interpolation and extension method for settlement deformation of typical measuring points

關(guān)程度，參照點(diǎn)越多且相關(guān)度越高，測(cè)值延補(bǔ)誤差越小。從平均誤差來(lái)看，趨勢(shì)面擬合法與克里金插值法的延補(bǔ)精度相當(dāng)。由于在此建立的是一次三元趨勢(shì)面方程，趨勢(shì)面擬合對(duì)于變化復(fù)雜的插值情形適用效果不佳，擬合表面較少地通過(guò)原觀測(cè)點(diǎn)，導(dǎo)致各測(cè)點(diǎn)的延補(bǔ)誤差較大；雖然克里金插值的延補(bǔ)精度較高，但半變異函數(shù)受人為選定影響較大，且插值曲面通常比真實(shí)曲面平滑，導(dǎo)致個(gè)別測(cè)點(diǎn)的延補(bǔ)測(cè)值出現(xiàn)極值，穩(wěn)定性相對(duì)較差。

2.3 智適應(yīng)模型的構(gòu)建與應(yīng)用

2.3.1 智適應(yīng)模型構(gòu)建

高心墻堆石壩一般位于高山峽谷地區(qū)，壩區(qū)環(huán)境條件復(fù)雜，影響壩體各部分變形的因素眾多，而傳統(tǒng)常用的單一時(shí)間延補(bǔ)法和空間延補(bǔ)法在心墻沉降變形延補(bǔ)過(guò)程中不能綜合考慮環(huán)境變量、序列自身特性、空間變化規(guī)律和空間測(cè)值相關(guān)性的影響。因此基于高心墻堆石壩心墻沉降變形特征，結(jié)合傳統(tǒng)方法的延補(bǔ)精度、適用性及其計(jì)算的復(fù)雜程度，構(gòu)建了適宜高心墻堆石壩心墻沉降變形測(cè)值的智能適應(yīng)模型，該模型可根據(jù)各測(cè)點(diǎn)的測(cè)值特性從優(yōu)選擇延補(bǔ)方法，以求得到較高的延補(bǔ)精度，具體流程見(jiàn)圖4。多元線(xiàn)性回歸和時(shí)間序列的短期延補(bǔ)精度較高，短序列15 d以?xún)?nèi)的延補(bǔ)宜優(yōu)先選用時(shí)間序列法，長(zhǎng)序列120 d以?xún)?nèi)的延補(bǔ)宜優(yōu)先選用多元線(xiàn)性回歸法。三種空間延補(bǔ)法對(duì)長(zhǎng)、短序列的延補(bǔ)均適用，綜合考慮表1及表3，可認(rèn)為當(dāng)延補(bǔ)測(cè)點(diǎn)與參照測(cè)點(diǎn)間的相關(guān)系數(shù)≥0.8時(shí)，兩者呈極強(qiáng)相關(guān)性，且此時(shí)延補(bǔ)精度較高。當(dāng)短序列的延補(bǔ)期超過(guò)15 d或長(zhǎng)序列的延補(bǔ)期超過(guò)120 d時(shí)，宜優(yōu)先選用關(guān)聯(lián)模型法；若參照序列的相關(guān)度小于0.8，宜改用趨勢(shì)面擬合法和克里金插值法，對(duì)兩種方法計(jì)算得出的相對(duì)誤差進(jìn)行比較，選取誤差較小的方法。為驗(yàn)證智適應(yīng)模型的延補(bǔ)精度，取長(zhǎng)河壩心墻區(qū)WY33作為驗(yàn)證測(cè)點(diǎn)，與上述單一的多元線(xiàn)性回歸延補(bǔ)結(jié)果相對(duì)比，見(jiàn)表4。可知，智適應(yīng)模型的延補(bǔ)精度明顯高于傳統(tǒng)方法，且該測(cè)點(diǎn)270 d以?xún)?nèi)測(cè)值延補(bǔ)的相對(duì)誤差均可控制在10%以?xún)?nèi)。

圖4 高心墻堆石壩心墻沉降變形測(cè)值延補(bǔ)智適應(yīng)模型Fig.4 Intelligence adaptation model for settlement deformation of core wall of high core rockfill dam

表4 測(cè)點(diǎn)WY33智適應(yīng)模型與傳統(tǒng)方法延補(bǔ)精度對(duì)比Tab.4 Precision comparison of intelligence adaptation model and traditional method in WY33

2.3.2 應(yīng)用效果分析

將上述智適應(yīng)模型應(yīng)用于長(zhǎng)河壩2015年9月至2016年7月心墻區(qū)電磁沉降環(huán)VE1-DC3～ DC8、VE2-DC6～ DC13、VE3-DC2～ DC10的測(cè)值延補(bǔ)中，其中四個(gè)典型日期沿心墻中心線(xiàn)斷面的沉降變形分布見(jiàn)圖5?？煽闯?，不同時(shí)段延補(bǔ)后的長(zhǎng)河壩心墻沉降變形均呈現(xiàn)出沿高程方向中部大、頂部和底部小，沿壩軸線(xiàn)方向河床中部大、兩岸岸坡小的分布特征，左右岸岸坡沉降較為接近，符合高心墻堆石壩心墻沉降變形的一般規(guī)律。結(jié)合原觀監(jiān)測(cè)資料分析，截止2016年7月30日，心墻最大沉降量為1 950 mm，發(fā)生在(縱)0+253.00斷面1 590.50 m高程測(cè)點(diǎn)處的電磁沉降環(huán)VE2-DC12。經(jīng)插補(bǔ)延長(zhǎng)，截止2016年7月30日，心墻最大沉降值仍位于測(cè)環(huán)VE2-DC12處，量值為1 985.23 mm，僅與延補(bǔ)前相差35.23 mm，占心墻最大填筑高度229 m的0.87%，且與類(lèi)似工程瀑布溝水電站填筑期的沉降變形特征相似，見(jiàn)表5。

圖5 沿心墻中心線(xiàn)斷面不同時(shí)段沉降分布圖Fig.5 Settlement distribution at different periods along the central section of core wall

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)通過(guò)對(duì)常用數(shù)據(jù)延補(bǔ)方法的精度分析可看出，多元線(xiàn)性回歸法適用于長(zhǎng)序列120 d以?xún)?nèi)的短期延補(bǔ)；時(shí)間序列法更適用于短序列15 d以?xún)?nèi)的超短期延補(bǔ)，且其15 d以?xún)?nèi)的延補(bǔ)精度略高于多元線(xiàn)性回歸法。當(dāng)延補(bǔ)序列與參照序列呈極強(qiáng)相關(guān)性時(shí)，關(guān)聯(lián)模型法的延補(bǔ)精度較高，且高于克里金插值法和趨勢(shì)面法，后兩者的精度相當(dāng)，三種方法對(duì)長(zhǎng)、短序列的短期和長(zhǎng)期延補(bǔ)均適用。

(2)鑒于傳統(tǒng)常用的數(shù)據(jù)延補(bǔ)方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)和適用性，基于高心墻堆石壩心墻沉降變形測(cè)值，考慮環(huán)境量、序列自身特性、空間變化規(guī)律、空間測(cè)值相關(guān)性等，提出了一種適宜高心墻堆石壩心墻沉降變形測(cè)值插值延補(bǔ)的智適應(yīng)模型。

(3)高心墻堆石壩心墻沉降變形測(cè)值延補(bǔ)智適應(yīng)模型在長(zhǎng)河壩心墻沉降變形測(cè)值延補(bǔ)的應(yīng)用表明，延補(bǔ)結(jié)果符合心墻沉降時(shí)變趨勢(shì)，心墻最大沉降變形占心墻填筑高度比與瀑布溝工程具有相似性，驗(yàn)證了模型的合理性與有效性，具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。

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