基于沉降数据对Tatay面板坝变形参数的反演分析

张小清，沈振中

(河海大学水利水电学院，南京 210098)

0 引 言

Tatay水电站位于柬埔寨西部的豆蔻山脉西南侧的Tatay河上。电站装机容量246 MW, 水库相应库容4.04亿m3,校核水位217.75 m，蓄水位215.00 m，死水位180.00 m。Tatay混凝土面板堆石坝坝顶高程220.00 m，最大坝高115.00 m，坝顶长度882.30 m，坝顶宽度10 m，上游坡1∶1.4，下游综合坡1∶1.5。趾板宽度4～8 m，厚度0.5～0.8 m，面板最大厚度为0.62 m，最小厚度为0.30 m。

Tatay从大坝施工期到蓄水运行期都进行了全方位的安全监测控制，从已经有的沉降监测数据来看，部分实测数据与前期设计成果相差较大，例如设计时计算得到坝体最大沉降值为 0.6～0.8 m，而实际监测沉降约为 1.5 m。面板坝堆石体的变形对面板坝的结构安全有着至关重要的作用。当前，计算面板堆石坝变形的主要根据是室内试验结果，但室内测出的变形参数与在实际施工时的变形参数是有很大差别的。因此，对大坝蓄水期的变形参数进行反演计算分析是非常有必要的。对此，高莲士等人[1,2]已经根据三板溪大坝的实际观测资料和天生桥的现场试验结果反演分析了堆石体的K-G模型参数；沈长松等[3]结合了西北口面板坝的观测数据资料，对堆石体的邓肯张 E-B模型参数进行了反分析；朱晟等人[4]也结合水布垭和公伯峡面板坝的现场试验资料，反演分析了堆石体的邓肯张 E-B模型参数。

前人对面板坝变形参数的反演分析大致都是基于完整的变形监测数据上进行的，并没有涉及到前期的监测数据处理，而反演所用的监测数据的准确性和完整性对反演变形参数的正确性有着重要的作用。但是在实际的工程中，监测仪器时常会由于其他外在因素的影响而受到损坏不能监测。所以在坝体变形监测数据不完整的情况下，对堆石体的变形参数进行反演分析是有必要的。

本文结合了两种变形监测仪器电磁式沉降管及水管式沉降仪的沉降监测数据，采用可变容差法进行反演分析，确定该大坝计算模型的邓肯张E -B模型参数。以期对同类变形监测资料不完整的大坝变形参数反演分析提供参考意见。

1 监测资料分析处理

1.1 数据选取

根据面板坝的应力应变关系可得知，堆石体的变形大小直接影响着面板变形的大小，因此对堆石体的位移产生较大影响的变形参数也会对面板的位移产生很大的影响；另一方面面板和堆石体两者的变形情况又会进一步影响周边缝的变形情况；而坝体在施工期的水平位移监测误差较大。因此，本次反演分析计算以坝体的沉降数据为依据。

该面板坝设置有变形监测仪器电磁式沉降管和水管式沉降仪两种。由于施工及其他原因，部分电磁式沉降管已被损坏，而根据资料，水管式沉降仪的监测时间滞后长达至少5个月，施工期坝体的沉降丢失严重，但在坝体蓄水过程中，其量测得的沉降值误差较小，测值相对稳定；所以反演选取其中较为完好的一根电磁式沉降管ES7作为大坝蓄水期变形反演分析的对比依据，具体布置见图1。根据反演计算结果，用水管式沉降仪测得结果作为反演结果校核依据，具体布置见图2。

图1 沉降管监测布置图Fig.1 Monitoring layout of electromagnetic settlement tube

图2 沉降仪监测布置图Fig.2 Monitoring layout of water tube settlement gauge

1.2 时效分量分离模型

采用邓肯-张非线性弹性模量模型拟合坝体堆石料的应力应变特性，主要仅考虑坝体自重、库水压力等因素，不能考虑堆石体湿化、流变、温度等因素作用的影响。而监测资料实测数据还受到坝体堆石料湿化、流变、温度及施工不确定等因素的影响，所以进行反演分析前，需对监测数据进行回归分析处理，以分离坝体自重、库水压力影响下的坝体变形以及时效分量。

一般情况下，温度影响堆石体的变形较小，可以不计。依据相关理论及实际经验，坝体自重引起的变形分量与填筑高度有着直接联系，故可用填筑高度的多项式表示；大坝开始蓄水后，水荷载作用下的变形分量是由于坝体会受到水压力、浮托力和湿化变形的影响，所以水压力分量与坝前水深有密切关联，可用坝前水深的多项式表示；而在中等水平应力和常温作用下，可采用四元件模型模拟时效分量，即是非松弛模型与松弛模型的串联，具体公式详见文献[5]。综上所述，运行期堆石体变形可用公式表示为

S=A0+A1(ΔH)+A2(ΔH)2+A3h+A4h2+

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

式中：A0、A1…A6为待定系数；ΔH为填筑高度；h为坝前水深；t0为观测仪器埋设到观测开始的时间；t为观测仪器埋设到观测时间。

1.3 分离结果

根据资料，电磁式沉降管ES7在运行期的时候已经被损坏不能监测，所以运行期用水管式沉降仪的监测数据。对监测所得的数据进行回归分析处理然后进行分离，具体结果见表1，表2。

表1 ES7沉降管分离后的沉降值 mm

表2 200 m水位水管式沉降仪分离后的沉降值 mm

2 堆石体计算模型参数反演分析

2.1 有限元模型

根据工程的实际工程特点建立了三维有限元模型如图3所示。按大坝的实际施工和蓄水顺序，结合坝体单元剖分情况，确定荷载分级为29级，采用中点增量法，每一荷载级均一次性加载。

图3 模型网格图Fig.3 Finite element mesh of 3D model

2.2 反演参数的确定

用邓肯张E-B 模型来计算混凝土面板坝变形时，常用室

内三轴试验测得的参数共有φ0、Kb、m、Rf、Δφ、K和n七个参数。据以前的经验，φ0、c、Rf参数实际值与试验结果相差很小，可以取用试验值。而由于试验时的各方面条件与现场地质环境条件的差别很大，Kb、m、K和n四个参数其试验值与实际大小有时差别很大，因此，本文仅对Kb、m、K和n这四个变形参数进行反演分析。由于垫层区和过渡区相对于坝体堆石区厚度较小，该区材料对坝体的变形影响甚小，该区材料的参数可以不反演分析，取用试验值计算。

2.3 电磁式沉降管反演分析结果

经可变容差法位移反演分析计算，坝料参数如表3所示，其中，K、n、Kb和m为反演分析得到的参数，其余参数参考同类工程取值。

经反演计算得，自重引起的沉降变形实测值与计算值的比较结果见表4所示，自重引起的坝体沉降实测值与计算值对比结果如图4所示。其中相对误差等于坝体实测值与反演计算值的差与实测值的比值。

表3 非线性材料的反演参数(邓肯 -张模型)Tab.3 Inversion parameters of nonlinear materials (Duncan Chang model)

表4 坝体沉降实测数值和反演计算值的比较 mm

由表4可以看出：坝体沉降的反演计算值与所给的实测值基本吻合，仅在坝体少数几个测点的沉降内拟合误差较大，该部分测点范围内沉降的计算数值与实测数值的最大相对误差为3.4%。引起误差的原因可能有：①电磁式沉降仪在监测的过程中会一直受到施工的干扰从而引起误差；②在监测的过程中电磁式沉降仪会受到温度的影响。

由图4可以得出：在该坝横断面，自重引起的坝体最大沉降出现在坝体中部偏上部位，计算值与实测值的拟合误差较小，坝体沉降基本上符合面板堆石坝变形的常规规律。

图4 自重引起的坝体沉降计算数值与实测值大小比较图Fig.4 Comparison chart of calculated and measured settlement value caused by weight

2.4 水管式沉降仪校核分析结果

根据电磁式沉降管的反演结果，取水管式沉降仪在蓄水位200.00 m下水荷载引起的沉降变形作为反演校核依据。根据反演计算的结果和水管式沉降仪监测成果对比见表5所示。

表5 200.00 m水位下计算值与水管式沉降仪实测值比较 mm

从表5可以看出：由电磁式沉降仪反演计算得到的200.00 m水压力引起的沉降变形和水管式沉降仪测得的水压力引起的沉降变形基本一致，相对误差较小。这说明反演得出的变形参数与实际工程情况比较吻合。

3 结 论

(1)由于监测仪器在施工期和运行期易受到损坏，监测数据不完整；而且电磁式沉降管及水管式沉降仪都有各自的优点和缺点，在大坝的反演分析过程中，应充分结合两者的监测数据。

(2)邓肯张E-B模型计算不考虑堆石体的湿化、流变等时效因素的影响，而实测的监测变形包含了这些因素引起的变形，所以应先对监测资料进行回归分析，以分离出荷载作用下的变形值大小。

(3)时效分量的分离存在着复杂性，应根据工程的实际情况选择合适的分离模型。

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[1] 高莲士，宋文晶，张宗亮，等.天生桥面板堆石坝实测变形的三维反馈分析[J]. 水利学报，2002，(3)：26-31.

[2] 高莲士，蔡昌光，朱家启. 堆石料现场侧限压缩试验解耦K-G模型参数分析方法及在面板坝中的应用[J]. 水力发电学报，2006，25(6)：26-33.

[3] 沈长松，顾淦臣.面板堆石坝参数反分析及变性规律探讨[J].河海大学学报，1996,24(6)：13-19.

[4] 朱 晟，梁现培，冯树荣.基于现场大型承载试验的筑坝原级配堆石料力学参数反演研究[J]. 岩土工程学报，2009，31(6)：155-160.

[5] 夏富洲，汤电波，王长德.混凝土面板堆石坝反分析的神经网络方法[J].中国农村水利水电，2008,(7):64-67.