基于沉降數(shù)據(jù)對Tatay面板壩變形參數(shù)的反演分析

張小清，沈振中

(河海大學水利水電學院，南京 210098)

0 引 言

Tatay水電站位于柬埔寨西部的豆蔻山脈西南側(cè)的Tatay河上。電站裝機容量246 MW, 水庫相應(yīng)庫容4.04億m3,校核水位217.75 m，蓄水位215.00 m，死水位180.00 m。Tatay混凝土面板堆石壩壩頂高程220.00 m，最大壩高115.00 m，壩頂長度882.30 m，壩頂寬度10 m，上游坡1∶1.4，下游綜合坡1∶1.5。趾板寬度4～8 m，厚度0.5～0.8 m，面板最大厚度為0.62 m，最小厚度為0.30 m。

Tatay從大壩施工期到蓄水運行期都進行了全方位的安全監(jiān)測控制，從已經(jīng)有的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，部分實測數(shù)據(jù)與前期設(shè)計成果相差較大，例如設(shè)計時計算得到壩體最大沉降值為 0.6～0.8 m，而實際監(jiān)測沉降約為 1.5 m。面板壩堆石體的變形對面板壩的結(jié)構(gòu)安全有著至關(guān)重要的作用。當前，計算面板堆石壩變形的主要根據(jù)是室內(nèi)試驗結(jié)果，但室內(nèi)測出的變形參數(shù)與在實際施工時的變形參數(shù)是有很大差別的。因此，對大壩蓄水期的變形參數(shù)進行反演計算分析是非常有必要的。對此，高蓮士等人[1,2]已經(jīng)根據(jù)三板溪大壩的實際觀測資料和天生橋的現(xiàn)場試驗結(jié)果反演分析了堆石體的K-G模型參數(shù)；沈長松等[3]結(jié)合了西北口面板壩的觀測數(shù)據(jù)資料，對堆石體的鄧肯張 E-B模型參數(shù)進行了反分析；朱晟等人[4]也結(jié)合水布埡和公伯峽面板壩的現(xiàn)場試驗資料，反演分析了堆石體的鄧肯張 E-B模型參數(shù)。

前人對面板壩變形參數(shù)的反演分析大致都是基于完整的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)上進行的，并沒有涉及到前期的監(jiān)測數(shù)據(jù)處理，而反演所用的監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性和完整性對反演變形參數(shù)的正確性有著重要的作用。但是在實際的工程中，監(jiān)測儀器時常會由于其他外在因素的影響而受到損壞不能監(jiān)測。所以在壩體變形監(jiān)測數(shù)據(jù)不完整的情況下，對堆石體的變形參數(shù)進行反演分析是有必要的。

本文結(jié)合了兩種變形監(jiān)測儀器電磁式沉降管及水管式沉降儀的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用可變?nèi)莶罘ㄟM行反演分析，確定該大壩計算模型的鄧肯張E -B模型參數(shù)。以期對同類變形監(jiān)測資料不完整的大壩變形參數(shù)反演分析提供參考意見。

1 監(jiān)測資料分析處理

1.1 數(shù)據(jù)選取

根據(jù)面板壩的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可得知，堆石體的變形大小直接影響著面板變形的大小，因此對堆石體的位移產(chǎn)生較大影響的變形參數(shù)也會對面板的位移產(chǎn)生很大的影響；另一方面面板和堆石體兩者的變形情況又會進一步影響周邊縫的變形情況；而壩體在施工期的水平位移監(jiān)測誤差較大。因此，本次反演分析計算以壩體的沉降數(shù)據(jù)為依據(jù)。

該面板壩設(shè)置有變形監(jiān)測儀器電磁式沉降管和水管式沉降儀兩種。由于施工及其他原因，部分電磁式沉降管已被損壞，而根據(jù)資料，水管式沉降儀的監(jiān)測時間滯后長達至少5個月，施工期壩體的沉降丟失嚴重，但在壩體蓄水過程中，其量測得的沉降值誤差較小，測值相對穩(wěn)定；所以反演選取其中較為完好的一根電磁式沉降管ES7作為大壩蓄水期變形反演分析的對比依據(jù)，具體布置見圖1。根據(jù)反演計算結(jié)果，用水管式沉降儀測得結(jié)果作為反演結(jié)果校核依據(jù)，具體布置見圖2。

圖1 沉降管監(jiān)測布置圖Fig.1 Monitoring layout of electromagnetic settlement tube

圖2 沉降儀監(jiān)測布置圖Fig.2 Monitoring layout of water tube settlement gauge

1.2 時效分量分離模型

采用鄧肯-張非線性彈性模量模型擬合壩體堆石料的應(yīng)力應(yīng)變特性，主要僅考慮壩體自重、庫水壓力等因素，不能考慮堆石體濕化、流變、溫度等因素作用的影響。而監(jiān)測資料實測數(shù)據(jù)還受到壩體堆石料濕化、流變、溫度及施工不確定等因素的影響，所以進行反演分析前，需對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行回歸分析處理，以分離壩體自重、庫水壓力影響下的壩體變形以及時效分量。

一般情況下，溫度影響堆石體的變形較小，可以不計。依據(jù)相關(guān)理論及實際經(jīng)驗，壩體自重引起的變形分量與填筑高度有著直接聯(lián)系，故可用填筑高度的多項式表示；大壩開始蓄水后，水荷載作用下的變形分量是由于壩體會受到水壓力、浮托力和濕化變形的影響，所以水壓力分量與壩前水深有密切關(guān)聯(lián)，可用壩前水深的多項式表示；而在中等水平應(yīng)力和常溫作用下，可采用四元件模型模擬時效分量，即是非松弛模型與松弛模型的串聯(lián)，具體公式詳見文獻[5]。綜上所述，運行期堆石體變形可用公式表示為

S=A0+A1(ΔH)+A2(ΔH)2+A3h+A4h2+

A5(t-t0)+A6(e-0.30t-e-0.30t0)

式中：A0、A1…A6為待定系數(shù)；ΔH為填筑高度；h為壩前水深；t0為觀測儀器埋設(shè)到觀測開始的時間；t為觀測儀器埋設(shè)到觀測時間。

1.3 分離結(jié)果

根據(jù)資料，電磁式沉降管ES7在運行期的時候已經(jīng)被損壞不能監(jiān)測，所以運行期用水管式沉降儀的監(jiān)測數(shù)據(jù)。對監(jiān)測所得的數(shù)據(jù)進行回歸分析處理然后進行分離，具體結(jié)果見表1，表2。

表1 ES7沉降管分離后的沉降值 mm

表2 200 m水位水管式沉降儀分離后的沉降值 mm

2 堆石體計算模型參數(shù)反演分析

2.1 有限元模型

根據(jù)工程的實際工程特點建立了三維有限元模型如圖3所示。按大壩的實際施工和蓄水順序，結(jié)合壩體單元剖分情況，確定荷載分級為29級，采用中點增量法，每一荷載級均一次性加載。

圖3 模型網(wǎng)格圖Fig.3 Finite element mesh of 3D model

2.2 反演參數(shù)的確定

用鄧肯張E-B 模型來計算混凝土面板壩變形時，常用室

內(nèi)三軸試驗測得的參數(shù)共有φ0、Kb、m、Rf、Δφ、K和n七個參數(shù)。據(jù)以前的經(jīng)驗，φ0、c、Rf參數(shù)實際值與試驗結(jié)果相差很小，可以取用試驗值。而由于試驗時的各方面條件與現(xiàn)場地質(zhì)環(huán)境條件的差別很大，Kb、m、K和n四個參數(shù)其試驗值與實際大小有時差別很大，因此，本文僅對Kb、m、K和n這四個變形參數(shù)進行反演分析。由于墊層區(qū)和過渡區(qū)相對于壩體堆石區(qū)厚度較小，該區(qū)材料對壩體的變形影響甚小，該區(qū)材料的參數(shù)可以不反演分析，取用試驗值計算。

2.3 電磁式沉降管反演分析結(jié)果

經(jīng)可變?nèi)莶罘ㄎ灰品囱莘治鲇嬎?，壩料參?shù)如表3所示，其中，K、n、Kb和m為反演分析得到的參數(shù)，其余參數(shù)參考同類工程取值。

經(jīng)反演計算得，自重引起的沉降變形實測值與計算值的比較結(jié)果見表4所示，自重引起的壩體沉降實測值與計算值對比結(jié)果如圖4所示。其中相對誤差等于壩體實測值與反演計算值的差與實測值的比值。

表3 非線性材料的反演參數(shù)(鄧肯 -張模型)Tab.3 Inversion parameters of nonlinear materials (Duncan Chang model)

表4 壩體沉降實測數(shù)值和反演計算值的比較 mm

由表4可以看出：壩體沉降的反演計算值與所給的實測值基本吻合，僅在壩體少數(shù)幾個測點的沉降內(nèi)擬合誤差較大，該部分測點范圍內(nèi)沉降的計算數(shù)值與實測數(shù)值的最大相對誤差為3.4%。引起誤差的原因可能有：①電磁式沉降儀在監(jiān)測的過程中會一直受到施工的干擾從而引起誤差；②在監(jiān)測的過程中電磁式沉降儀會受到溫度的影響。

由圖4可以得出：在該壩橫斷面，自重引起的壩體最大沉降出現(xiàn)在壩體中部偏上部位，計算值與實測值的擬合誤差較小，壩體沉降基本上符合面板堆石壩變形的常規(guī)規(guī)律。

圖4 自重引起的壩體沉降計算數(shù)值與實測值大小比較圖Fig.4 Comparison chart of calculated and measured settlement value caused by weight

2.4 水管式沉降儀校核分析結(jié)果

根據(jù)電磁式沉降管的反演結(jié)果，取水管式沉降儀在蓄水位200.00 m下水荷載引起的沉降變形作為反演校核依據(jù)。根據(jù)反演計算的結(jié)果和水管式沉降儀監(jiān)測成果對比見表5所示。

表5 200.00 m水位下計算值與水管式沉降儀實測值比較 mm

從表5可以看出：由電磁式沉降儀反演計算得到的200.00 m水壓力引起的沉降變形和水管式沉降儀測得的水壓力引起的沉降變形基本一致，相對誤差較小。這說明反演得出的變形參數(shù)與實際工程情況比較吻合。

3 結(jié) 論

(1)由于監(jiān)測儀器在施工期和運行期易受到損壞，監(jiān)測數(shù)據(jù)不完整；而且電磁式沉降管及水管式沉降儀都有各自的優(yōu)點和缺點，在大壩的反演分析過程中，應(yīng)充分結(jié)合兩者的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

(2)鄧肯張E-B模型計算不考慮堆石體的濕化、流變等時效因素的影響，而實測的監(jiān)測變形包含了這些因素引起的變形，所以應(yīng)先對監(jiān)測資料進行回歸分析，以分離出荷載作用下的變形值大小。

(3)時效分量的分離存在著復(fù)雜性，應(yīng)根據(jù)工程的實際情況選擇合適的分離模型。

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[1] 高蓮士，宋文晶，張宗亮，等.天生橋面板堆石壩實測變形的三維反饋分析[J]. 水利學報，2002，(3)：26-31.

[2] 高蓮士，蔡昌光，朱家啟. 堆石料現(xiàn)場側(cè)限壓縮試驗解耦K-G模型參數(shù)分析方法及在面板壩中的應(yīng)用[J]. 水力發(fā)電學報，2006，25(6)：26-33.

[3] 沈長松，顧淦臣.面板堆石壩參數(shù)反分析及變性規(guī)律探討[J].河海大學學報，1996,24(6)：13-19.

[4] 朱 晟，梁現(xiàn)培，馮樹榮.基于現(xiàn)場大型承載試驗的筑壩原級配堆石料力學參數(shù)反演研究[J]. 巖土工程學報，2009，31(6)：155-160.

[5] 夏富洲，湯電波，王長德.混凝土面板堆石壩反分析的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法[J].中國農(nóng)村水利水電，2008,(7):64-67.