水电站大坝安全性态分析研究

王 璐，张 鹏

(黑龙江省庆达水利水电工程有限公司，哈尔滨 150080)

水电站大坝安全性态分析研究

王 璐，张 鹏

(黑龙江省庆达水利水电工程有限公司，哈尔滨 150080)

水利工程在国民经济基础建设中占有很大比重，工程效益众多。但水利工程失事后的危害性也影响巨大，因此，进行大坝安全监测和安全评价具有重要的实际意义。文章通过原型试验加密观测资料分析成果与大坝有限元计算成果进行对比，得出大坝在水位大幅波动期间监测量值的变化规律并对此进行安全性评价。

水电站；大坝；安全性态分析；安全监测

0 前 言

大坝安全监测及其相关资料的研究相辅相成，对大坝安全监测资料进行分析，可以准确判断大坝的安全稳定性，评价大坝的正常工作性态，同时可对设计施工方案检验可行性，及时反馈数据和运行状态，优化设计方案，施工工艺提高坝体施工的可靠度和安全性。进行安全监测和数据处理分析，能够客观评价安全监测系统和技术的可行性和适用性，提高经济效益。通过正常分析成果客观及时的发现大坝施工期和运行期的各种问题，分析原因并采取相应工程措施，有效的保证了坝体安全性，极大的提高大坝综合效益，同时对于大坝安全监测方面的研究起到推动作用[1]。水利工程为系统工程，相比其他建筑工程结构更为复杂，地质地形条件的明显差异，运行工况的区分性，因此需要借助大坝安全监测项目，获得全面性和准确性兼顾的的大坝真实状态的监测数据。

1 有限元分析基本原理

大坝变形主要来自水头值、温度等的时间效应，故大坝的几何结构点变形量δ表达式[2]为：

δ=fH(t)+fT(t)+fθ(t)

(1)

式中：fH(t)水平位移的水头压力；fT(t)为温度；fθ(t)为时效分量。

1)水压分量fH(t)：

(2)

式中：ai为拟合系数；H监测位移时的坝前水位；ni最高幂次数。

2)温度分量fT(t)：

(3)

式中：bi为温度因子回归系数；Td前d天的平均气温。

3)时效分量fθ(t)：

时效位移主要表达坝体变形的不可逆特性，表达式为：

fθ(t)=ci(In(1+t0+t))+c2(t0+t)

(4)

式中：c1,c2时效分量回归系数。

4)位移的统计模型数学表达式：

由上分析，得到统计模型表达式为：

(5)

式中：a0为常数项。

2 工程实例

2.1 工程概况

某水利枢纽位于西北省份境内，工程主要以发电为主，兼顾灌溉、供水等工程效益。工程规模为Ⅰ等大(1)型工程，主要建筑物为拱坝、重力墩、中低孔泄水、电站厂房组成[3]。混凝土拱坝坝顶高程2176m，最大坝高142m，大坝轴线长420m，分22个坝段。

2.2 有限元模型

边界选取：沿上游坝踵处向上游取1倍坝高，左右建基面和坝基竖直方向各取1倍坝高，沿下游坡脚处顺水流方向选取2倍坝高。模型中单元主要采用六面体八节点等参单元，模型共划分了41385个单元，44926个节点[4]。有限元网格剖分见图1。

图1 坝体的三维有限元网格图

2.3 变形监测布置

坝址区布置了垂线观测、坝表和岩表的交汇或极坐标观测、谷幅和弦长观测等类项目，监测水平位移。

1)坝体和坝肩岩体安全监测布设[5]：①左、右1/4拱、拱冠处、各布置1组垂线，监测坝体和基础岩体的变形，在拱冠处按竖直深度(20m、40m、60m)共布设3条倒垂监，监测基岩的变形；②重力墩布设2组垂线，用以监测变形；③坝表和两岸坝肩岩表共布设了42个水平位移测点，及5条谷幅和2条弦长测线；④在大坝下游两岸岩体共布设了24个测点(左边10个、右边14个)，用于监测边坡变形。

2.4 环境量变化情况

2.4.1 库水位变化

大坝上游水位测值变化过程线见图2，上游年平均水位特征值统计。

图2 上游水位变化过程线

2.4.2 气温变化情况

坝址区历年气温测值变化过程线见图3。气温变化规律如下：

1)气温呈明显的年周期性变化，历史最高日平均气温为29.5℃，出现在2000年7月24日；历史最低日平均气温为-13.4℃，出现在2008年1月29日。

2)日平均气温年变幅在31.9℃-38.3℃之间，其中2008年的日平均气温年变幅最大，达38.3℃；2007年最小，其值为31.9℃。

图3 气温变化过程线

2.4.3 降雨量情况

坝址区日降雨量历年统计曲线图见图4，分析如下：

1)坝址区降雨平均分布在每年的6-9月份，最大日降雨量为55.2mm，出现在2008年7月30日。

2)最大年平均降雨量为1.1mm(2007)；最小年平均降雨量为0.2mm(2001)。

3)最大年降雨量为486.34mm(2007)；最小年降雨量为260.68mm(2000)。

图4 降雨量过程线

2.5 计算成果与原型试验加密资料分析对比

对应于垂线PL2-1、 PL3-1、 PL4-1测点的有限元计算成果与实测值对比见表1。

图5 垂线PL2-1点径切向位移监测值和有限元计算值对比图

表1 原型试验实测位移量与有限元计算位移量统计表

对比实测值和有限元计算结果，二者之间相差较为明显，PL2-1两组数据间的比例关系见图5。其余组变形规律和PL2-1基本一致。

从实测值与计算值对比看规律一致，理论计算对监测资料分析有一定的支持，规律性变化基本一致。通过拱冠、左右1/4拱处的测点监测结果分析规律如下：

1)大坝的温度分量周期变化滞后气温1-2个月。

2)径向位移：蓄水位上升大坝向下游移动、蓄水位下降坝体向上游移动，气温升高坝体向上游产生位移，下降坝体向下游移动。

3)切线方向：蓄水位升高左1/4拱、拱冠处向左岸移动，下降时向右岸移动，气温下降坝段向左岸移动，下降时反之；气温下降向左岸移动、气温升高向右岸移动；蓄水位升高右1/4拱向右岸发生移动、蓄水位下降时向左岸发生移动，气温下降时与左岸位移变化规律相反。

4)三条垂线测值的成果对比得出：右1/4拱坝段径向位移大于左1/4拱坝段；切线方向，以温度位移分量年变幅对比为例，左1/4拱坝段位移是右1/4的近4倍，表现出明显的左右变形不对称。

5)经计算得知：库水位在2174-2180m之间变化时，库水位每变化1m坝顶右1/4拱坝段径向位移0.55mm、左1/4拱坝段0.52 mm，拱冠坝段0.60 mm。

6)对试验时段的资料进行分析，发现水位波动期间上述规律均符合，包括库水位高程平均上升后拱冠和左右1/4拱的水压和位移分布规律未发生变化，基本一致。故分析得出坝体的的水平位移变化合理。

通过历史大坝安全监测资料分析结果与有限元计算结果规律对比一致，即大坝水平位移性态与理论计算相符合。

3 总 结

文章在大坝安全监测的现行研究方法和有限元分析原理的基础上，结合工程实例，对大坝环境量、坝体垂线、几何水准、静力水准等监测资料进行了定性和定量分析研究，得出在观测资料序列时段内的水电站拱坝变形的性态和规律，通过对比分析表明了大坝设计方案的适用性和合理性。

[1]赵卫，杨定华.工程安全监测技术[M].北京：中国水利水电出版社,2006：31-34.

[2]刘祖强.工程变形监测分析预报的理论与实践[M].北京：中国水利水电出版社,2008：12.

[3]吴云芳.大坝安全监测神经网络模型研究和子系统开发[D].武汉：武汉大学，2002.

[4]陈振强.基于混合编程的大坝安全监测评价系统研究[D].郑州：郑州大学，2009.

[5]范庆来.大坝监测资料分析与安全指标拟定的研究[D].杭州：浙江大学，2004.

AnalysisandStudyonHydropowerDamSafetyBehavior

WANG Lu and ZHANG Peng

(Heilongjiang Provincial Qingda Water Conservancy & Hydropower Project Limited Company, Harbin 150080, China)

Water conservancy project accounts for a considerable proportion with many project benefits in national economic construction. The hazard is enormous after the water conservancy project crashes, therefore, to monitor the dam safety and evaluate the safety behavior will be of great importance and necessity. By comparing the analysis results of intensive detecting data about prototype test with the calculated results of dam finite elements, this paper got the monitoring value changing regular as dam water level fluctuates dramatically and evaluated its safety.

hydropower station;dam;analysis of safety behavior;safety monitoring

TV698.2

B

2017-08-16

王璐(1989- )，女，山东高密人，助理工程师；张鹏(1989-)，男，黑龙江尚志人，助理工程师。