水電站礫石土心墻變形特征及智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)研究

李彩云

(莘縣水利局，山東 聊城 252400)

當(dāng)今世界的水利工程發(fā)展十分迅速，水利工程的發(fā)展離不開(kāi)水庫(kù)大壩的建設(shè)，我國(guó)西部雅礱江等河流上方已經(jīng)修建或即將修建數(shù)十座土石壩等工程[1]。心墻土石壩由于可以就地取材、經(jīng)濟(jì)成本低和施工便捷等優(yōu)勢(shì)成為當(dāng)今世界土石壩中的主流壩型[2- 3]。我國(guó)的心墻土石壩發(fā)展較晚，但是發(fā)展速度很快，為了滿(mǎn)足我國(guó)廣闊地域的水資源合理配置，我國(guó)已經(jīng)修建了壩高超過(guò)300m的特高心墻土石壩[4]。

以往的研究表明，心墻土石壩中的心墻料在滲流作用下的濕化變形和流變變形等是導(dǎo)致壩體變形的關(guān)鍵因素，嚴(yán)重影響壩體及水庫(kù)的運(yùn)行安全[5]。針對(duì)上述問(wèn)題，許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究，如保華富等[6- 7]根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)土料場(chǎng)多且分散以及土料偏細(xì)等問(wèn)題，提出了土料摻礫改性的觀點(diǎn)，并且通過(guò)室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)，得到了摻礫土料的最大干密度和最優(yōu)含水率等指標(biāo)隨擊實(shí)功的變化規(guī)律，并從實(shí)際工程防滲角度出發(fā)，得到礫石含量不能高于50%的結(jié)論；董訓(xùn)山[8]依托雙江口工程，對(duì)堆石料的流變特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并利用試驗(yàn)結(jié)果模擬計(jì)算了壩體的流變特征；張延億等[9]研究了級(jí)配分布范圍較寬的土石混合料的濕化變形特性，探究了材料級(jí)配和豎向應(yīng)力等對(duì)材料濕化變形的影響規(guī)律。

雖然針對(duì)土心墻自身穩(wěn)定性和土料優(yōu)化及穩(wěn)定性等方面的研究已經(jīng)取得一定的研究成果，但是針對(duì)長(zhǎng)期荷載作用下礫石料對(duì)高土心墻的穩(wěn)定性研究還比較少見(jiàn)，其工程特性和流變特征理論研究尚顯不足[10]。因此，文章以某水電站為背景，研究礫石料工程特性和流變特征，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了大壩變形智能監(jiān)測(cè)預(yù)警理論，為大壩的長(zhǎng)期穩(wěn)定性提供了理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

文章所研究的礫石料原型是依托工程下游某采石場(chǎng)原巖而制定的，原巖的基本物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，參數(shù)來(lái)源為三組及以上試樣測(cè)試的平均值。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)堆石料的相應(yīng)指標(biāo)等比例縮小制作室內(nèi)試驗(yàn)試樣，試樣的粒徑范圍為1～100mm，最大干密度和最優(yōu)含水率分別為2.272g/cm3和6%。

表1 原巖基本物理力學(xué)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

通過(guò)常規(guī)三軸試驗(yàn)對(duì)試樣進(jìn)行濕化變形特性研究，試驗(yàn)均設(shè)置了三組圍壓(1、2和3MPa)，其中應(yīng)力水平均為S=0.3、0.5、0.7和0.9，根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試樣變形與應(yīng)力狀態(tài)關(guān)系的三軸剪切試驗(yàn)。大壩土石料在濕化過(guò)程中承受著自身的重力作用，這與單線(xiàn)法的試驗(yàn)原理更加接近，因此為了更加貼合現(xiàn)場(chǎng)情況，本次試驗(yàn)采用單線(xiàn)法進(jìn)行濕化變形試驗(yàn)，濕化穩(wěn)定時(shí)間設(shè)置為24h，當(dāng)試樣變形達(dá)到軸向應(yīng)變的15%或破壞時(shí)停止試驗(yàn)。流變特性試驗(yàn)設(shè)置了四組圍壓(0.5、1.0、2和2.5MPa)，應(yīng)力水平與三軸濕化變形試驗(yàn)相同。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 濕化變形結(jié)果分析

試樣三軸濕化軸向變形和體積變形等數(shù)值見(jiàn)表2。從表中可以看出，在圍壓不變的情況下，隨著應(yīng)力水平的增大，試樣的軸向應(yīng)變和體積應(yīng)變均逐漸增大，且軸向應(yīng)變的增大幅度更加明顯；在應(yīng)力水平不變的情況下，試樣的軸向應(yīng)變和體積應(yīng)變與圍壓呈正相關(guān)；相比于圍壓而言，應(yīng)力水平的增長(zhǎng)對(duì)試樣的變形影響更加明顯。

表2 試樣濕化變形值

選取圍壓為3MPa時(shí)試樣在不同應(yīng)力水平下的濕化變形應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)進(jìn)行分析，如圖1所示。從圖中可以看出，在不同的應(yīng)力水平之下，試樣的濕化變形應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)形態(tài)幾乎一致，當(dāng)軸向應(yīng)變?yōu)?%～9%時(shí)，隨著應(yīng)力水平的增大，試樣的應(yīng)力逐漸增大；但是當(dāng)軸向應(yīng)變大于9%后，不同應(yīng)力水平下的試樣的應(yīng)力值幾乎相同。

圖1 試樣在不同應(yīng)力水平下的濕化變形應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

選取圍壓為3MPa時(shí)試樣在不同應(yīng)力水平下的軸向變形與體積應(yīng)變的關(guān)系進(jìn)行分析，如圖2所示。從圖中可以看出，在不同的應(yīng)力水平之下，所有試樣的體積變形均是隨著軸向變形的增加先增大后穩(wěn)定，當(dāng)軸向應(yīng)變?yōu)?%～3%時(shí)，隨著應(yīng)力水平的增大，所有試樣的體積應(yīng)變幾乎相同，說(shuō)明此時(shí)試樣的體積應(yīng)變不受應(yīng)力水平大小的影響；但是當(dāng)軸向應(yīng)變大于3%后，隨著應(yīng)力水平的增加，試樣的體積應(yīng)變顯著增大。

圖2 試樣在不同應(yīng)力水平下濕化變形軸向應(yīng)變與體積應(yīng)變的關(guān)系

2.2 流變特性結(jié)果分析

試樣的流變軸向應(yīng)變和流變體積應(yīng)變與流變時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)如圖3所示。從圖中可以看出，試樣的流變軸向應(yīng)變和體積應(yīng)變受?chē)鷫旱挠绊戄^大，當(dāng)圍壓較小時(shí)，試樣的流變變形較小，當(dāng)圍壓增大時(shí)，流變變形也顯著增大；當(dāng)圍壓和加載水平相同時(shí)，試樣的軸向應(yīng)變始終大于其體積應(yīng)變，且圍壓越大，效果越明顯；從分級(jí)加載流變曲線(xiàn)可以看出，當(dāng)施加一級(jí)荷載后，試樣的流變呈現(xiàn)出先增大后穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，且前期增加速率很快，往往只需要幾個(gè)小時(shí)就能達(dá)到現(xiàn)有加載水平下最大的流變量，這與水庫(kù)大壩現(xiàn)場(chǎng)的流變特性具有較大的差異，試驗(yàn)結(jié)果明顯快于現(xiàn)場(chǎng)土心墻的流變變形速率。

圖3 試樣的流變應(yīng)變與流變時(shí)間的關(guān)系

3 智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

基于礫石土心墻壩體的典型變形特性研究結(jié)果，結(jié)合多智能體和變形施工控制等多方面條件構(gòu)建壩體運(yùn)營(yíng)變形監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)，為壩體的長(zhǎng)期穩(wěn)定性運(yùn)行提供技術(shù)保障。智能體是基于人工智能發(fā)展起來(lái)的實(shí)體單元，通過(guò)結(jié)合多個(gè)智能體，可以構(gòu)建多智能體預(yù)警系統(tǒng)，文章所用的多智能體預(yù)警系統(tǒng)是通過(guò)黑板模型實(shí)現(xiàn)單個(gè)智能體之間的信息協(xié)作，該多智能體預(yù)警結(jié)構(gòu)主要由六個(gè)智能體單元構(gòu)成，分別為料源質(zhì)量監(jiān)測(cè)預(yù)警智能體、料源運(yùn)輸監(jiān)測(cè)預(yù)警智能體、施工質(zhì)量監(jiān)測(cè)預(yù)警智能體、質(zhì)量檢測(cè)預(yù)警智能體、濕化變形監(jiān)測(cè)預(yù)警智能體和流變變形監(jiān)測(cè)預(yù)警智能體，如圖4所示，單個(gè)智能體的主要單元包括了知識(shí)庫(kù)、推理模型、反應(yīng)器、規(guī)則庫(kù)和感知器等。通過(guò)該多智能體監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)施工前、施工過(guò)程和運(yùn)營(yíng)過(guò)程三個(gè)方面全方位的壩體質(zhì)量監(jiān)測(cè)及預(yù)警。

圖4 多智能體監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 結(jié)論

文章研究了礫石土心墻濕化變形和流變變形兩種典型條件下的變形特性，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工與變形特性試驗(yàn)研究構(gòu)建了多智能體監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，得到如下結(jié)論：

(1)礫石石料濕化變形受?chē)鷫汉蛻?yīng)力水平影響，在同等條件下，軸向應(yīng)變比體積應(yīng)變?cè)龃蠓雀用黠@。

(2)礫石石料流變變形與圍壓呈正相關(guān)，且軸向變形增大幅度更為明顯；室內(nèi)試驗(yàn)流變變形速率較現(xiàn)場(chǎng)變形而言顯著加快。

(3)利用黑板模型構(gòu)建以單智能體為基礎(chǔ)的多智能體壩體監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)施工前、施工過(guò)程和運(yùn)營(yíng)過(guò)程三個(gè)方面的全方位壩體質(zhì)量監(jiān)測(cè)及預(yù)警。