小洪水电站大坝位移观测资料分析

罗晓华

（广东水电二局股份有限公司 ,广东 广州 511300）

1 工程概况

小洪水电站是沅水一级支流巫水河中游上的重要水工建筑物,水电站正常蓄水位为245 m（汛期244 m）,死水位为244 m（汛期243 m）。装机容量为22 MW,2台灯泡贯流式水轮发电机组的单机装机容量均按照11MW设计,多年发电量均值为7056×104kW·h。结合SL252-2000 等相关规范的规定,该水电站属于Ⅲ等等别。水电站大坝和厂房挡水部分均按照50 a一遇（P=2%）的洪水标准, 500 a一遇（P=0.2%）的校核洪水标准设计。本水电站工程属于中型工程,混凝土闸坝坝型设计,最大坝高28.0 m,坝顶轴长235.78 m（含厂房段）。

2 大坝位移观测概况

2.1 观测点布置

小洪水电站大坝位移观测主要分为大坝水平位移和竖向位移观测两个方面。大坝水平位移主要设置五条视准线：一条视准线设置在大坝上游侧0-008.00 m桩号处,并设置5 个观测点；其余四条视准线分别设置在大坝下游侧0+010.50 m下游坝肩、0+035.41 m高程548 m马道、0+087.41 m高程550 m马道、0+057.12 m高程610 m马道,共布置21 个测点,分别表示为Hi-j。水电站大坝竣工后,在桩号0-008.00 m、0-010.50 m、0+000.00 m、0+010.50 m、0+035.30 m、0+087.00 m、0+057.10 m等处共布置38 个大坝竖向位移观测点,分别表示为Si-j。

2.2 观测资料

水电站大坝水平位移观测系统自2010 年建站后次年1 月开始运行,且按1 次/月的频次观测；坝顶垂直观测也从次年1 月开始,1 月观测1 次。根据工程实际情况及规范要求,设置以下观测项目以进行大坝及其余水工建筑物安全运行状况的监测和溃控：大坝坝顶可能水平位移的观测、大坝坝体垂直位移总量观测、扬压力基础量观测、绕坝渗流及坝内渗流观测、上游和下游实际水位观测、大坝温度观测等。小洪水电站2011 年~2018 年库区环境特征值监测资料统计见表1。

表1 小洪水电站2011年~2018年库区环境特征值监测资料统计

续表1

3 大坝位移观测资料分析

本文采用定性分析2011 年~2018 年大坝观测资料及统计模型回归定量分析相结合的方法,对大坝位移情况进行分析评价。具体而言,在定性分析观测资料后确定出各因素的影响因子,再通过逐步回归构建各个测点统计模型[1]；针对复相关系数与剩余均方差取值均合理[2]的观测点,将其典型年观测值年变动幅度分离后进行库水位水压、温度、应力等影响程度的定量分析,基于分析结果进行大坝变形情况的评价。

3.1 构建回归模型

库水位、环境温度及时效等因素是影响小洪水电站大坝坝体水平位移和竖向位移的主要因素[3],所以可将其坝体位移表示如下：

式中：δH为小洪水电站库水位水压的分量；δT为水库大坝运行环境温度的分量；δθ为时效的分量。

3.1.1 库水位水压分量

大坝坝体在库水位水压荷载影响下其坝体静水压力会发生迅速变化,变动量可以根据当日库水位确定,根据相关资料并结合该水电站大坝位移实测资料,坝体沉降量与上游水深1 次方、2 次方和3 次方均存在定量关系。此外,大坝坝体还会在库水位水压荷载等因素的综合作用下而出现渗流和水体竖向位移,在库水位发生如此变化后,渗流变化会滞后1~2 个月发生,为此,在水库大坝竖向位移观测日期之前的1 d~3 d、4 d~10 d、11 d~30 d、30 d~60 d等时间段内选取所对应的上游库水位均值,以作为库水位水压荷载影响因子使用,则体现库水位水压的分量可作如下表示：

式中：H1为大坝坝体位移观测日的上游水头为简化分析,统一按上游库水位和死水位之差计,m；H10为大坝坝体位移资料序列起始日的上游水头,按观测起始日上游库水位和死水位之差计,m；为大坝坝体位移观测日之前的1 d~3 d、4 d~10 d、11 d~30 d、30 d~60 d所对应的上游库水位均值,m；为大坝坝体位移观测资料序列起始日之前1 d~3 d、4 d~10 d、11 d~30 d、30 d~60 d等时间段所对应的上游库水位均值,m；a1i、a2i为水压因子回归系数, i=1、2、3 ,j=1、2、3、4 。

3.1.2 环境温度分量

因水电站水库大坝环境温度呈周期性变动趋势,故本分析通过正弦、余弦函数周期项表示水库大坝运行环境温度分量,公式如下：

式中：b1i、b2i为大坝运行环境温度因子回归系数；t为水库大坝位移观测日与观测基准日之间所包含天数的累计值,d；to为大坝坝体位移观测资料序列起始日至观测基准日天数累计值,d；其余参数含义同前。

3.1.3 时效分量

式中：c1、c2为时效因子回归系数；θ为水库大坝位移观测日与观测基准日之间所包含天数累计值与100之商数,d；θθ为大坝坝体位移观测资料序列起始日与观测基准日之间所包含天数的累计值与100之商数,d。

将式（2）~（4）带入式（1）后得到该水电站大坝坝体位移统计回归模型：

3.2 竖向位移观测成果分析

采用逐步回归法通过式（5）进行水库大坝竖向位移各观测点的回归分析,大坝坝体竖向位移实测结果及拟合回归结果见表2。根据对大坝坝体竖向位移所设置的38 个观测点中观测值系列较好的测点竖向位移实测结果及回归拟合结果的分析表明,各测点均选用水压分量因子,所以库水位变动对大坝坝体竖向位移存在一定影响,且各断面竖向位移在库水位影响下变化较大。环境温度变动对坝体竖向位移存在一定影响,但是影响程度较小。

表2 大坝坝体竖向位移实测结果及回归拟合结果 单位：mm

通过对各测点竖向位移变幅的分析发现,时效分量在大坝坝体竖向位移年变动幅度中的占比高达80%~85%,且该水电站水库大坝建站且沉降快速发展后,其竖向位移在运行期内逐渐达到稳定状态,时效分量的变化也逐渐趋于收敛状态。

3.3 水平位移观测成果分析

采用式（5）对本水电站水库大坝坝体部分水平位移观测点中观测值系列较好的测点水平位移实测结果及回归拟合结果的分析表明,时效分量对大坝坝体水平位移存在一定影响,且各断面水平位移在时效分量影响下变化较大。库水位变动对坝体水平位移存在一定影响,但是影响程度较小。

根据表3分析结果可知,不同测点对大坝坝体水平位移年变动幅度的分离结果中,水压分量在坝体水平位移年变动幅度中的占比较小,且越靠近下游的坝体水压分量越小,这也说明,库水位水压仅对上游坝体水位位移存在影响,而对下游坝体水平位移影响很小。环境温度变化对大坝坝体水平位移也存在一定作用,根据表中对水平位移年变动幅度的分离结果,环境温度分量在坝体水平位移年变动幅度中的占比在10%左右。时效分量对大坝坝体水平位移的影响程度最大,根据表中的分离结果,时效分量在坝体水平位置总变幅中的占比达到80%~85%,且各测点时效分量表现为一种收敛趋势。

表3 大坝坝体水平位移实测结果及回归拟合结果 单位：mm

4 结论

通过对小洪水电站水库大坝坝体水平及竖向位移观测资料的分析表明,回归模型质量较好,结果误差也主要表现为观测误差,且其大坝坝体水平位移和竖向位移过程线变动趋势规律正常,大坝坝体水平位移变化表现为三种类型：河床坝段春冬、夏秋分别向上游和下游位移,左岸坝段正好相反,右岸坝段无明显的运行规律。大坝坝体水平位移和竖向位移变动幅度和库水位、环境温度及时效等分量变动幅度均沿坝轴线方向表现出较为明显的规律性,即河床坝段数值最大,向两岸过度的过程中数值逐渐减小,且与坝段高度存在线性关系。坝体变形性状也较为符合常态,且坝体运行安全,观测资料能够较好地反映大坝变形性态,符合大坝安全运行监测方面的要求。