小洪水電站大壩位移觀測資料分析

羅曉華

（廣東水電二局股份有限公司 ,廣東 廣州 511300）

1 工程概況

小洪水電站是沅水一級支流巫水河中游上的重要水工建筑物,水電站正常蓄水位為245 m（汛期244 m）,死水位為244 m（汛期243 m）。裝機容量為22 MW,2臺燈泡貫流式水輪發(fā)電機組的單機裝機容量均按照11MW設(shè)計,多年發(fā)電量均值為7056×104kW·h。結(jié)合SL252-2000 等相關(guān)規(guī)范的規(guī)定,該水電站屬于Ⅲ等等別。水電站大壩和廠房擋水部分均按照50 a一遇（P=2%）的洪水標(biāo)準(zhǔn), 500 a一遇（P=0.2%）的校核洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。本水電站工程屬于中型工程,混凝土閘壩壩型設(shè)計,最大壩高28.0 m,壩頂軸長235.78 m（含廠房段）。

2 大壩位移觀測概況

2.1 觀測點布置

小洪水電站大壩位移觀測主要分為大壩水平位移和豎向位移觀測兩個方面。大壩水平位移主要設(shè)置五條視準(zhǔn)線：一條視準(zhǔn)線設(shè)置在大壩上游側(cè)0-008.00 m樁號處,并設(shè)置5 個觀測點；其余四條視準(zhǔn)線分別設(shè)置在大壩下游側(cè)0+010.50 m下游壩肩、0+035.41 m高程548 m馬道、0+087.41 m高程550 m馬道、0+057.12 m高程610 m馬道,共布置21 個測點,分別表示為Hi-j。水電站大壩竣工后,在樁號0-008.00 m、0-010.50 m、0+000.00 m、0+010.50 m、0+035.30 m、0+087.00 m、0+057.10 m等處共布置38 個大壩豎向位移觀測點,分別表示為Si-j。

2.2 觀測資料

水電站大壩水平位移觀測系統(tǒng)自2010 年建站后次年1 月開始運行,且按1 次/月的頻次觀測；壩頂垂直觀測也從次年1 月開始,1 月觀測1 次。根據(jù)工程實際情況及規(guī)范要求,設(shè)置以下觀測項目以進行大壩及其余水工建筑物安全運行狀況的監(jiān)測和潰控：大壩壩頂可能水平位移的觀測、大壩壩體垂直位移總量觀測、揚壓力基礎(chǔ)量觀測、繞壩滲流及壩內(nèi)滲流觀測、上游和下游實際水位觀測、大壩溫度觀測等。小洪水電站2011 年~2018 年庫區(qū)環(huán)境特征值監(jiān)測資料統(tǒng)計見表1。

表1 小洪水電站2011年~2018年庫區(qū)環(huán)境特征值監(jiān)測資料統(tǒng)計

續(xù)表1

3 大壩位移觀測資料分析

本文采用定性分析2011 年~2018 年大壩觀測資料及統(tǒng)計模型回歸定量分析相結(jié)合的方法,對大壩位移情況進行分析評價。具體而言,在定性分析觀測資料后確定出各因素的影響因子,再通過逐步回歸構(gòu)建各個測點統(tǒng)計模型[1]；針對復(fù)相關(guān)系數(shù)與剩余均方差取值均合理[2]的觀測點,將其典型年觀測值年變動幅度分離后進行庫水位水壓、溫度、應(yīng)力等影響程度的定量分析,基于分析結(jié)果進行大壩變形情況的評價。

3.1 構(gòu)建回歸模型

庫水位、環(huán)境溫度及時效等因素是影響小洪水電站大壩壩體水平位移和豎向位移的主要因素[3],所以可將其壩體位移表示如下：

式中：δH為小洪水電站庫水位水壓的分量；δT為水庫大壩運行環(huán)境溫度的分量；δθ為時效的分量。

3.1.1 庫水位水壓分量

大壩壩體在庫水位水壓荷載影響下其壩體靜水壓力會發(fā)生迅速變化,變動量可以根據(jù)當(dāng)日庫水位確定,根據(jù)相關(guān)資料并結(jié)合該水電站大壩位移實測資料,壩體沉降量與上游水深1 次方、2 次方和3 次方均存在定量關(guān)系。此外,大壩壩體還會在庫水位水壓荷載等因素的綜合作用下而出現(xiàn)滲流和水體豎向位移,在庫水位發(fā)生如此變化后,滲流變化會滯后1~2 個月發(fā)生,為此,在水庫大壩豎向位移觀測日期之前的1 d~3 d、4 d~10 d、11 d~30 d、30 d~60 d等時間段內(nèi)選取所對應(yīng)的上游庫水位均值,以作為庫水位水壓荷載影響因子使用,則體現(xiàn)庫水位水壓的分量可作如下表示：

式中：H1為大壩壩體位移觀測日的上游水頭為簡化分析,統(tǒng)一按上游庫水位和死水位之差計,m；H10為大壩壩體位移資料序列起始日的上游水頭,按觀測起始日上游庫水位和死水位之差計,m；為大壩壩體位移觀測日之前的1 d~3 d、4 d~10 d、11 d~30 d、30 d~60 d所對應(yīng)的上游庫水位均值,m；為大壩壩體位移觀測資料序列起始日之前1 d~3 d、4 d~10 d、11 d~30 d、30 d~60 d等時間段所對應(yīng)的上游庫水位均值,m；a1i、a2i為水壓因子回歸系數(shù), i=1、2、3 ,j=1、2、3、4 。

3.1.2 環(huán)境溫度分量

因水電站水庫大壩環(huán)境溫度呈周期性變動趨勢,故本分析通過正弦、余弦函數(shù)周期項表示水庫大壩運行環(huán)境溫度分量,公式如下：

式中：b1i、b2i為大壩運行環(huán)境溫度因子回歸系數(shù)；t為水庫大壩位移觀測日與觀測基準(zhǔn)日之間所包含天數(shù)的累計值,d；to為大壩壩體位移觀測資料序列起始日至觀測基準(zhǔn)日天數(shù)累計值,d；其余參數(shù)含義同前。

3.1.3 時效分量

式中：c1、c2為時效因子回歸系數(shù)；θ為水庫大壩位移觀測日與觀測基準(zhǔn)日之間所包含天數(shù)累計值與100之商數(shù),d；θθ為大壩壩體位移觀測資料序列起始日與觀測基準(zhǔn)日之間所包含天數(shù)的累計值與100之商數(shù),d。

將式（2）~（4）帶入式（1）后得到該水電站大壩壩體位移統(tǒng)計回歸模型：

3.2 豎向位移觀測成果分析

采用逐步回歸法通過式（5）進行水庫大壩豎向位移各觀測點的回歸分析,大壩壩體豎向位移實測結(jié)果及擬合回歸結(jié)果見表2。根據(jù)對大壩壩體豎向位移所設(shè)置的38 個觀測點中觀測值系列較好的測點豎向位移實測結(jié)果及回歸擬合結(jié)果的分析表明,各測點均選用水壓分量因子,所以庫水位變動對大壩壩體豎向位移存在一定影響,且各斷面豎向位移在庫水位影響下變化較大。環(huán)境溫度變動對壩體豎向位移存在一定影響,但是影響程度較小。

表2 大壩壩體豎向位移實測結(jié)果及回歸擬合結(jié)果 單位：mm

通過對各測點豎向位移變幅的分析發(fā)現(xiàn),時效分量在大壩壩體豎向位移年變動幅度中的占比高達80%~85%,且該水電站水庫大壩建站且沉降快速發(fā)展后,其豎向位移在運行期內(nèi)逐漸達到穩(wěn)定狀態(tài),時效分量的變化也逐漸趨于收斂狀態(tài)。

3.3 水平位移觀測成果分析

采用式（5）對本水電站水庫大壩壩體部分水平位移觀測點中觀測值系列較好的測點水平位移實測結(jié)果及回歸擬合結(jié)果的分析表明,時效分量對大壩壩體水平位移存在一定影響,且各斷面水平位移在時效分量影響下變化較大。庫水位變動對壩體水平位移存在一定影響,但是影響程度較小。

根據(jù)表3分析結(jié)果可知,不同測點對大壩壩體水平位移年變動幅度的分離結(jié)果中,水壓分量在壩體水平位移年變動幅度中的占比較小,且越靠近下游的壩體水壓分量越小,這也說明,庫水位水壓僅對上游壩體水位位移存在影響,而對下游壩體水平位移影響很小。環(huán)境溫度變化對大壩壩體水平位移也存在一定作用,根據(jù)表中對水平位移年變動幅度的分離結(jié)果,環(huán)境溫度分量在壩體水平位移年變動幅度中的占比在10%左右。時效分量對大壩壩體水平位移的影響程度最大,根據(jù)表中的分離結(jié)果,時效分量在壩體水平位置總變幅中的占比達到80%~85%,且各測點時效分量表現(xiàn)為一種收斂趨勢。

表3 大壩壩體水平位移實測結(jié)果及回歸擬合結(jié)果 單位：mm

4 結(jié)論

通過對小洪水電站水庫大壩壩體水平及豎向位移觀測資料的分析表明,回歸模型質(zhì)量較好,結(jié)果誤差也主要表現(xiàn)為觀測誤差,且其大壩壩體水平位移和豎向位移過程線變動趨勢規(guī)律正常,大壩壩體水平位移變化表現(xiàn)為三種類型：河床壩段春冬、夏秋分別向上游和下游位移,左岸壩段正好相反,右岸壩段無明顯的運行規(guī)律。大壩壩體水平位移和豎向位移變動幅度和庫水位、環(huán)境溫度及時效等分量變動幅度均沿壩軸線方向表現(xiàn)出較為明顯的規(guī)律性,即河床壩段數(shù)值最大,向兩岸過度的過程中數(shù)值逐漸減小,且與壩段高度存在線性關(guān)系。壩體變形性狀也較為符合常態(tài),且壩體運行安全,觀測資料能夠較好地反映大壩變形性態(tài),符合大壩安全運行監(jiān)測方面的要求。