某水电站大坝扬压力统计回归分析

陈浩洁，吴震宇，罗文广

(四川大学水利水电学院，成都，610065)

1 工程概况

重庆龙溪河梯级水电站大坝为混凝土重力坝，左岸挡水坝长79.4m，坝顶高程225.00m，右岸挡水坝长52.3m，坝顶高程231.00m(1985年加固改造时加高)，最大坝高45.50m，坝顶全长212.50m。河床中部开敞式溢流坝长80.80m，堰顶高程218.15m，泄洪能力为2700m3/s。坝址控制流域面积3256km2，多年平均流量48.9m3/s。

水电站所在的龙溪河流域属亚热带季风湿润气候区，具有春旱、初夏多雨、盛夏炎热多伏旱、秋多阴雨、冬暖少雪、无霜期长、湿度大、云雾多等气候特点，尤以冬暖、夏炎热为主要特征。

该梯级电站，在大地构造上属重庆NE向弧形褶皱带，区内地质构造简单，无断层出现，亦无牵引褶皱。

2 数学模型

2.1 监测系统及其布置

扬压力观测采用测深钟和压力表进行，共计设测孔44个，编号为L1～L41、F34、F36、F38，分别布置在8#、10#、13#、14#、15#、16#、17#、18#八个坝段上。坝基渗漏设有二个渗漏水观测点(编号为QL和QR)，均布设在拦河坝廊道中，位于14#坝段内，分别监测7#～14#坝段(左半部分)和14#～18#坝段的渗漏水。扬压力观测方法是，当测孔内水位低于孔口时，采用测深钟法观测孔内的水位;当孔内水位高于孔口时，采用压力表观测。

2.2 右岸加固后新的监测系统

新的扬压力观测系统包括5个扬压力横断面和1个纵断面，共设测孔18个，扬压力测孔分别设在观测廊道内、下游坝坡及坝趾处。5个横断面分别布置在7#、14#、15#、16#、17#坝段上，每个观测断面由2～4个扬压力测孔组成。纵向扬压力观测断面由12个扬压力测孔组成。其中，中部9#、11#、13#溢流坝段各布置一个测孔;右岸15#、16#、18#非溢流坝段各布置一个测孔;7#、14#、17#坝段布置2个测孔。测孔编号为A4～Al9，A13－1、A14－1。

2.3 扬压力分析数学模型

目前，常见的大坝监测资料分析数学模型有统计模型、确定性模型及混合模型等三类。根据本工程的特点，鉴于该工程拦河坝枢纽安全监测资料系列较长，并考虑两次大坝安全定检监测资料分析的连续性，本设计采用逐步回归法建立统计模型进行分析。

众所周知，影响坝基扬压力大小的因素有上、下游水位，帷幕的工作状态，排水系统及库内泥沙淤积对基岩裂隙的堵塞，降雨及渗透作用等。所以统计分析中，模型的因子初选是极为复杂的。

通常可按以下形式构造扬压力分析数学模型:

式中:YW(t)——扬压力监测值在时间t的统计估

计值;

YW1［H(t)］——扬压力的水压分量;

YW2［T(t)］——扬压力的温度分量;

YW3［θ(t)］——扬压力的时效分量;

C——待定常数项。

2.3.1 水位分量

扬压力反映坝基的渗透压力，与其它物理量有所不同，由于它不仅与当时库水位有关，而且与前期的库水位有关(即库水位的滞后效应)。坝基扬压力与坝体温度一样，服从拉普拉斯方程，所以它可以用温度滞后一样的方法来处理。

式中:ai——模型待定回归系数;

Hi(t)——变形观测日及前续若干月的平均水位;H(t0)——基准水位，通常选为第一次变形观测日的平均水位，亦可选为坝底高程或其它特征水位，在此基准水位取死水位214.5m;

i——超前的月份。

本模型采用当时库水位和超前6个月的平均库水位，每月一点，共7个因子。

2.3.2 温度分量

扬压力与温度变化无直接关系，但由于温度变化会引起基岩裂隙张开度的改变而间接影响扬压力的测值，一般情况下温度因素对扬压力测值的影响较小，特别是对于处在水位较深处的扬压力测点，测值影响更是如此。因此，本文模型中，扬压力统计不计温度因子。

2.3.3 时效分量

泥沙的淤积情况是越靠近坝踵、颗粒越细小，这是由于水流速度由库尾至坝前逐渐减慢的缘故。随着泥沙的不断淤积，使坝基附近的上游面铺盖层逐年增厚，影响坝基渗流场，这种作用实际上与时间有关。因此，参考位移其他物理量的时效分量的构造形式，在分析中采用如下的模式考虑其时效分量:

式中:ti——观测时刻距初始时刻的天数，下硐大坝观测该初始时刻取1987年6月16日;ci——待定回归系数。

综上所述，上硐大坝扬压力监测分析数学模型有如下形式:

根据大坝扬压力实际测值数据系列进行回归分析，可获得其相应模型参数。

3 坝基扬压力计算分析

运用上述模型，通过分析整理监测资料的实测数据，得到各测点扬压力的极值、年变化率、年变幅以及扬压力回归值，时效值和残差值。现选取部分测点的实测值如表1所示。

表1 实测各孔最大扬压力水头(1987年至今) 单位:m

通过统计回归分析可以看出:

(1)从扬压力测值回归分析图表中可以看出，相关系数最高为0.925(A10)，最低为0.248(A13)，显著性较高。

(2)从图表的观测资料看，坝基扬压力总体变化不大，绝大多数测孔的实测扬压力水头均小于设计允许值，且已趋于稳定，但也有少部分测孔扬压力测值超过了设计允许值。

①测点A4、A5、A7、A8、A9、Al0、A11、A13、A14、A15、A16及A19的测值均小于设计允许值。其中，A4、A5、A8、A9、A13、A16孔测值随时间递减，它们所在坝段7#、11#、13#、15#、17#坝下扬压力总值小于设计值，发展变化是渐趋减小，所以情况良好。测点A11、A10有缓慢增大趋势，但增幅极小，趋于稳定。

②测点A6、A12、A13－1、A14－1、A17、A18均超出设计允许值，但各自的横断面上总扬压力未超过设计允许值。其中，A13－1和A14－1测点所在的15#、16#坝段坝下扬压力分布有利于减小坝踵拉应力。只要总量不超过设计允许值，这种分布在应力方面还有一定的好处。

(3)坝基扬压力随库水位的变化具有一定的规律性。即随库水位的升高而增大，随库水位的降低而减小，但其中有部分孔变化甚微，规律性较差。

(4)廊道内，比如测点A9、A13、A14、A15、A16、A19测孔(分别位于13#、15#、16#、17#、18#坝段，桩号在0+140.10～0m+196.61m之间)，扬压力变化极小，很多孔甚至一直没有变化，这些扬压力孔均处在大坝右侧，说明大坝右侧坝基防渗效果很好。同时从年变化率表、过程线图及年变幅过程线图中也可以看出，右岸非溢流坝段的测点，年变幅逐渐减小，并趋于稳定;年变化率在2009年12月除A17为－0.83外，其余基本趋于0，说明大坝右岸非溢流坝段坝基防渗效果很好。

(5)大坝左侧廊道内的扬压力孔变化也不大。廊道内的扬压力孔均未超过扬压力设计允许系数，说明该坝基防渗效果良好。

部分具有代表性测点的过程线(A4、A10、A11测点的相关系数最高)见图1、图2、图3。

图1 下硐大坝A4测点扬压力实测、回归、时效过程线

4 结论

运用逐步回归分析法求出扬压力统计模型及回归方程，该模型与水位分量和时效分量有关，用该统计模型分析实测资料，其分析结果与实测值拟合较好。

从数据分析中可以得出，坝基扬压力随库水位的变化具有一定的规律性，即扬压力随库水位的升高而增大，随库水位的降低而减小。绝大多数测点的扬压力测值小于设计允许值，也有少部分大于允许值。其中，A13－1、A14－l、A17、A18孔位于右岸挡水坝下游坝坡上，距离右岸坝肩很近。该坝肩分布的A20～A23四个地下水位监测孔表明，其地下水位较高;另外右岸挡水坝段的基础为粘土岩，施工资料也反映该处基础开挖成深槽，这些因素决定了右岸挡水坝段坝趾基础排水不畅。因此，A13－1、A14－l、A17、A18孔扬拉力长期超过设计允许值;A6、A12处于溢流坝脚护坦上的左右两侧，受溢流体翻水影响，所以扬压力测值也长期超过设计允许值。但整个断面的总扬压力小于设计允许值，所以是允许的。

针对上述扬压力超出设计允许值的情况，虽然目前不会对坝体稳定和应力造成危害性影响，但仍应予以重视，继续加强监测。

但是，由于此模型忽略了温度分量和降雨分量对扬压力的影响，且没有考虑泥沙淤积情况，建议加强监测，同时再考虑其它相关影响因子，比较回归分析成果，以便得出更合理的计算成果，为大坝的稳定提供强有力的理论支持。

〔1〕丁晓唐，顾冲时，王 健.水口水电站变形监测资料分析.长江科学院院报，2002，(4).

〔2〕何勇军等著.大坝安全监测与自动化.北京:中国水利水电出版社，2008.1. ■