浅谈地震期间混凝土大坝变形监测分析方法及经验

李 瑞，秦 涛，张忠举

(1.四川省水利水电勘测设计研究院，成都，610500；2.南京水利水文自动化研究所，南京，210012)



浅谈地震期间混凝土大坝变形监测分析方法及经验

李 瑞1，秦 涛1，张忠举2

(1.四川省水利水电勘测设计研究院，成都，610500；2.南京水利水文自动化研究所，南京，210012)

本文以四川某水电站混凝土大坝为研究对象，利用四川汶川5.12地震和雅安4.20地震期间的变形监测数据对大坝安全性进行分析，并对相应的分析方法进行总结，可为类似电站在地震期间的监测数据分析提供一定的参考和借鉴作用。

地震 多元线性回归 大坝变形监测 水平位移 点位分布

1 引言

四川为地震高发地区，境内有鲜水河地震带、安宁河-则木河地震带、金沙江地震带、松潘-较场地震带、龙门山地震带等多个地震带，近年来地震频发。而四川水力资源较为丰富，水电开发总量在全国名列前茅，对地震期间大坝变形监测资料分析的目的是掌握闸坝、电厂运行期的工作状态，以保证闸坝、电厂能安全正常运行。目前对大坝监测资料进行分析主要有定性分析和定量分析，其中定性分析为历年资料对比法、点位分布图法，定量分析主要为数学建模法。

2 工程概况

四川某电站工程位于四川省阆中市河溪镇境内，距阆中市城区11km，上游接沙溪场梯级，下与红岩子梯级相连，是一座航运、发电及旅游综合利用的工程。该航电枢纽工程由船闸、发电厂房、泄洪闸、冲砂闸和左、右岸接头坝组成，坝顶全长529.93m，坝顶高程为363.00m。该电站前后经历过汶川5.12地震和雅安4.20地震考验，本文主要以大坝水平位移为例并选择代表性的点位进行数据分析。

大坝水平位移采用视准线(小角度法)观测。坝顶共布置16个测点，视准线布置于坝顶上游侧，从右至左编号为A01～A16；两个相互通视的工作基点，编号LA11～LA12，工作基点与坝顶测点能通视，大坝工作基点左右岸两端延长线各布设一基准点，基准点编号为LA09、LA13。

图1 大坝测点布置

3 监测资料分析方法

3.1 历年各期资料对比法

将大坝历年各期资料汇总成数据库，将地震期间监测数据与震前数据、历年同期数据进行对比。为增强数据对比的直观性，本文仅选择大坝单号测点监测数据绘制成大坝水平位移过程线图，图中矩形框所标记数据为震后监测数据。

图2 大坝水平位移过程线

从大坝水平位移过程线图可以看出：大坝震后与震前测值接近，并未发生数据突变等异常现象，且震后测值并未超过历年最大特征值；其中2008年5.12地震期间，温度偏低，5月份监测期间并未出现明显温升，造成测点的变形规律有所延迟，6月份之后变形规律性恢复正常；将地震期间监测数据与历年同期监测数据进行对比可知，各年度同时期的测值接近，大坝测点变形规律较好，受坝体热胀冷缩影响，测点测值呈季节性变化，地震的发生并未对这种变形规律产生明显影响。

3.2 点位分布图分析法

点位分布图法主要是将地震前后各期监测数据绘制成点位分布图，其中X表示测点布置情况，Y方向表示测点位移量。将地震前后位移断面分布线进行对比，分析地震前后大坝各坝段位移分布情况是否一致，地震的发生是否使各坝段之间增加错动变形情况。

图3 大坝水平位移点位分布

从图3可以看出，震前、震后测点水平位移点位分布线平行，说明各坝段震前、震后相对位移一致，地震并未造成各坝段之间错动变形。

3.3 数据模型法

对监测数据进行数据建模，各观测点位移主要受水压、温度和时效的影响，因此，位移的统计模型包括水压、温度和时效分量，即：

δ=δH+δr+δθ

(1)

式中：δ——位移值；

δH——水压分量；

δr——温度分量；

δθ——时效分量。

通常影响坝体位移的主要因素是上、下游水位、坝体温度、时效。其中，因运行期大坝的坝体温度取决于外界温度，且其间存在滞后现象，因此，坝体温度可用大气温度及其一系列“滞后”因子来表示。在进行变形建模分析过程中，采用多元回归法计算，主要考虑了如下影响因子：

(1)上游水位H：测值(H-H0)的1、2、3次方；

(2)坝区气温T：选取前1、3、7、15、30、45、60、90、120、150、180d平均温度测值；

(3)时效t：ln(1+t)，其中t=t′/30，t′为测时日期距分析起始日期的时间长度(天)。

本文数据建模主要以多元线性回归为主，首先对数据进行数据回归，然后将各分量进行分离，并对各分量的变化趋势进行分析。

图4 大坝水平位移各影响因子分量图

由图4可以看出，水平位移温度分量随温度呈季节性变化，变化幅度在5mm之内；大坝蓄水初期，水位上升，水位分量有所增加，蓄水期间水位分量影响在7mm之内，大坝运行期，库水位变化不大，水位分量随水位变化呈少量波动，运行期水位分量影响在1mm左右；水平位移时效分量运行初期有所增加，但随着时间的推移逐步趋于收敛，时效分量影响在-6mm～2mm之间；2008年5.12地震和2013年4.20地震期间，时效分量并未成为某种变形趋势的节点或者改变原有的变形趋势。

现分别利用2006年至2008年4月和2006年至2013年3月两个时间段震前监测数据建模，将震后水位H、温度T、时效t作为已知量，对2008年5月和2013年4月震后数据进行预测，将预测数据和实测数据进行比较，分析震后各测点水平位移变形趋势，若预测数据与震后实测数据一致，说明测点位移按原有规律进行变化，地震对大坝位移无影响或者影响不明显。

表1 2008年5月份监测数据预测成果 单位：mm

从表1可以看出，预测值和实测值的差值大都在±1mm之内，考虑到观测误差、模型精度等因素的影响，可以认为震后测点测值变形规律和震前一致，两次地震并未对大坝坝体水平位移产生明显影响，大坝坝体变形主要受温度、水位、时效等因素的综合影响。如若遇到预测值和实测值之间差值较大的情况，可以对预测值进行区间估计，同时根据实测值和区间估计值计算出地震对大坝位移影响量大小。

4 结语

通过上述不同方法进行数据分析，得出了地震对该电站坝体无影响或者影响较小的结论。值得注意的是，由于地震有可能造成工作基点的变动，因此应在震后对监测网进行全面复测，以保证坝体变形测值的准确性。另外本文主要是以某一混凝土大坝为例进行数据分析，选择的模型为多元回归模型，在实际工作中可以根据坝型结构的差异选择其它数据模型。

笔者认为针对地震期间的监测数据，应综合利用各种分析方法，分析测点测值变化是地震，还是水位、气温等外部环境因素变化引起的，且使用的各种分析方法应对分析结论有相互印证的作用。

〔1〕SL601-2013，混凝土坝安全监测技术规范[S].

〔2〕何金平.大坝安全监测理论与应用[M].北京：中国水利水电出版社，2010.

〔3〕申惟文.混凝土重力坝变形监测统计模型研究[D].兰州：兰州交通大学，2014.

〔4〕王德厚.大坝安全与监测[J].水利水电技术，2006，40(1)：1-9.

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