混凝土坝变形过程及监控指标研究

于 君

（新疆塔里木河流域阿克苏管理局，新疆阿克苏843000）



混凝土坝变形过程及监控指标研究

于 君

（新疆塔里木河流域阿克苏管理局，新疆阿克苏843000）

摘要：通过对某水利枢纽混凝土重力坝监测资料的分析，建立了混凝土坝位移监控模型。对典型坝段水平位移的监控指标进行了拟定，并运用K-S法对坝顶水平位移监测样本进行了检验。得出典型坝段向下游和上游方向水平位移的限定值，为判定大坝所处的状态提供了相关依据。对预防事故、杜绝安全隐患具有至关重要的作用。

关键词：监测；位移；模型；指标

大坝出现安全事故，将造成不同程度的损失［1-2］。大坝失事破坏往往是缓慢发生的，因此通过监测系统来掌握大坝的工作状态，对预防事故、杜绝安全隐患，具有至关重要的作用。对大坝进行安全监测就需要从以下四个方面入手：（1）原型观测资料正分析，主要依据实测资料建立数学监控模型；（2）观测资料反分析，用正分析的结果，按照理论分析，反演出坝体和坝基材料的相关参数和结构的特性；（3）反馈分析，在前面两项分析的基础上，找出规律和相关信息，反馈到设计、施工和运行管理中，实现优化设计和施工、促进科学运行管理的目的；（4）根据上面的分析，利用计算机和软件，依据前面观测和分析的成果，结合领域内相关专家的经验对大坝设计、施工及运行管理进行全面的分析和评价［3］。通过对大坝监测资料进行分析，可以建立监控模型，拟定监控指标，并可以对大坝设计时的各种物理力学参数和相关模型进行反演分析，可以有效地对大坝建成后的运行状况和变化规律进行预测和监控。

1　工程概况

某水利枢纽由主坝、副坝、开敞式溢洪道、左岸输水建筑物和地下发电厂房、右岸船闸等建筑物组成。主坝为混凝土重力坝，坝高113.0m，坝顶长305.5m、宽7.0m，最大坝底宽84.5m。坝顶高程179.0m，正常蓄水位173.0m，相应库容11.22亿m3，校核洪水位177.8m，相应库容20.35亿m3。坝址两岸山体呈对称“V”型，山体浑厚，坡度25°～45°，岩性为黑云母花岗岩，无规模较大不良地质构造发育，区域地质构造较稳定。

2　混凝土坝位移监控模型

根据该混凝土坝的垂线自动监测资料，按照坝体水平位移向下游为正，垂线编号采用PL表示，测点用垂线PL和高程确定，如PL2（140.0m）表示正垂线PL2上高程140.0m处测点的位移值［4-5］。首先选取PL2（140.0m）和PL5（179.0m）来研究大坝顺水流方向的位移的变化规律。其结果如图1、图2所示。

图1　测点PL2（140.0m）的水平位移变化过程线

图2　测点PL5（179.0m）的水平位移变化过程线

从图2和图3可以看出，顺水流方向大坝水平位移与库水位呈正相关性，库水位高时，向下游位移增大，库水位降低时，向下游水位减小，当水位低至一定高度，水平位移会向上游方向开始增大。气温的变化也对大坝位移有影响，大体呈负相关性，气温高时，向上游方向位移变大，气温低时向下游方向增大。结合水位和气温的影响可以得出，在气温较高、水位较低时，大坝向下游的水平位移最小；当气温较低，水位较高时，大坝向下游的水平位移最大。

根据上面的分析，大坝向下游方向的水平位移主要与水库水位、气温和时间等因素有关。因此，采用水压分量、气温分量和时效分量，通过理论和经验公式进行回归分析，选取PL5（179.0m）监测点的监测数据，采用逐步回归法，得出了如图3所示的水平位移统计模型拟合过程线。

图3　测点PL5（179.0m）的水平位移统计模型拟合过程线

由图3可以看出，水平位移统计模型的拟合值与实际监测值较接近，相关系数为0.966，拟合效果好，精度可以达到预测的需要。

3　混凝土坝位移监控指标

该坝已建成运行十几年，根据监测资料，本次采用典型小概率法对典型坝段的水平位移的监控指标进行拟定。选择典型坝段每年水平位移的最大值和最小值作为监测样本，见表1。

本次运用柯尔莫哥洛夫-斯米尔洛夫检验法即K-S法对表1中的数据进行检验［6］。K-S法的基本原理为：

表1　坝顶垂线测点水平位移极值统计表（单位：mm）

式（1）中：D为Fn（xi）与F0（xi）的最大差值；Fn（xi）为经验分布函数；F0（xi）为理论分布函数。

当D＜D（n，a）时，认为样本数据分布符合F0（xi），D（n，a）为临界柯尔莫哥洛夫值。根据正态分布，取显著性水平为0.05，则对应的临界柯尔莫哥洛夫值为0.519。

K-S法的原理是对于每一个样本，均对其经验分布和理论分布的偏差进行检验，而不是采用分区抽样检测两者之间偏差的方法，因而其检测结果较为准确［7］。对于2#坝段水平位移最大值的平均值为-0.228，标准差为2.004，计算结果如表2所示。

表2　2#坝段年最大位移数据分布情况计算结果

由表2可知，D=0.1316＜D（6，0.05），说明坝顶位移最大值服从正态分布。根据其分布情况，可以确定2 #坝段坝顶水平位移的监控指标为3.068mm。

对于2 #坝段水平位移最小值的平均值为-7.815，标准差为0.885，计算结果如表3所示。

由表3可知，D=0.1577＜D（6，0.05），说明坝顶位移最小值服从正态分布。根据其分布情况可以确定2 #坝段坝顶水平位移的监控指标为-9.270mm。

对于4 #坝段水平位移最大值的平均值为2.055，标准差为2.280，计算结果

如表4所示。

表3　2#坝段年最小位移数据分布情况计算结果

表4　4#坝段年最大位移数据分布情况计算结果

由表4可知，D=0.2143＜D（6，0.05），说明坝顶位移最大值服从正态分布。根据其分布情况可以确定4 #坝段坝顶水平位移的监控指标为5.805mm。

对于4 #坝段水平位移最小值的平均值为-9.272，标准差为2.079，计算结果如表5所示。

表5　4#坝段年最小位移数据分布情况计算结果

由表5可知，D=0.1734＜D（6，0.05），说明坝顶位移最小值服从正态分布。根据其分布情况可以确定4 #坝段坝顶水平位移的监控指标为-12.912mm。

由上述计算分析可以得出，2#典型坝段向下游方向的坝顶水平位移一般不应超过3.068mm，且向上游方向的坝顶水平位移一般也不应超过-9.270mm；4#典型坝段向下游方向的坝顶水平位移一般不应超过5.805mm，且向上游方向的坝顶水平位移一般也不应超过-12.912mm。

4　结语

本文通过对某水利枢纽混凝土重力坝监测资料的分析，建立了混凝土坝位移监控模型，水平位移统计模型的拟合值与实际监测值较接近，拟合效果好，精度可以达到预测的需要。通过典型小概率法对典型坝段的水平位移的监控指标进行了拟定，选择典型坝段每年水平位移的最大值和最小值作为监测样本，并运用柯尔莫哥洛夫-斯米尔洛夫检验法对2009～2014年坝顶水平位移监测样本进行了检验，监测样本均服从正态分布规律，得出典型坝段的向下游方向和向上游方向的水平位移的限定值，为判定大坝所处的状态提供了相关的依据。

参考文献

［1］王伟，钟启明，刘守华，等.混凝土坝变形组合预报模型的蛙跳建模方法［J］.水利水运工程学报，2013（02）：9-14.

［2］王建，卢兆辉，路振刚.混凝土坝变形初值反演及校准［J］.水利学报，2012，43（10）：1223-1229.

［3］张国新，沙莎.混凝土坝全过程多场耦合仿真分析［J］.水利水电技术，2015（06）：87-93.

［4］吕文丽.碾压混凝土重力坝整体三维仿真分析［J］.水利规划与设计，2011（03）：40-43.

［5］娄一青，王林素，苏怀智.碾压混凝土坝层面渗流变异特性研究［J］.水利规划与设计，2011（06）：56-58.

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［7］陈文华，帅辉玲.拉模法在溢流堰堰面混凝土浇筑上的应用［J］.水利技术监督，2014（04）：55-57.

［8］彭圣军.混凝土坝安全监控模型数值优化及变位预警指标研究［D］.南昌大学，2014.

作者简介：于 君（1967年—），女，工程师。

收稿日期：2015-11-27

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.02.019

中图分类号：TV698.1

文献标识码：B

文章编号：1672-2469（2016）02-0052-02