某高面板堆石坝运行期沉降特性模型分析

唐朝 史波

摘要：为判断某高面板堆石坝运行期的工作性态，定性分析了坝体内部沉降监测成果，并建立运行期坝体内部沉降统计模型，定量分析运行期沉降影响因素，并采用基于统计模型的运行期坝体内部沉降分析方法来判别变形稳定性。分析成果表明，坝体内部沉降变形规律正常，分析规律协调，运行期时效变形是沉降变化主要影响因素，蓄水7～8年之后沉降变化趋于稳定，沉降性态正常。

关键词：高面板堆石坝;沉降;运行期;统计模型;沉降稳定性

1 工程概述

某水电枢纽工程位于甘肃省，是黑河中上游梯级水电站。枢纽工程等别为Ⅱ等，主要建筑物级别为2级，枢纽主要由面板堆石坝、溢洪道、发电涵洞及厂房、变电站等主要建筑物组成。水库正常蓄水位1920.00m，设计洪水位1921.00m，校核洪水位1923.00m。

大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高146.50m，坝顶高程1924.5m，坝顶宽度10.50m，坝顶长度190.64m。上游坝坡1：1.5;下游坝坡1：1.5～1：1.4，坡间设有2.5m宽的马道，平均坝坡1：1.498。本工程于2001年底正式开工建设，于2004年开始大坝堆石体填筑，2005年底大坝坝体填筑至坝顶高程，2005年12月下闸蓄水，2006年之后上游水位基本稳定。工程于2007年通过竣工安鉴，正式转为运行期。

2 坝体内部沉降监测布置

监测测点布置是大坝安全监测设计的基本内容，测点布置合理性与有效性对监控大坝安全、提高监测系统的针对性具有重要意義。

某高面板堆石坝采用水管式沉降仪来监测典型断面坝体沉降，共布置3个内部沉降监测断面，河床断面（主监测断面）内部沉降监测布置见图1，河床断面共布置3个典型高程内部沉降监测测线，测点高程间距20m～30m，每条测线布置4～6个沉降测点，测点间距20m～60m，测读装置集中布置在每条测线下游坝坡的观测房内，观测房顶设有下游坝坡表面垂直位移观测墩。

3 坝体内部沉降监测数据常规分析

3.1 坝体内部沉降时程变化过程分析

坝体内部水管式沉降仪代表性测点实测垂直位移变化过程线见图2，其中垂直位移向下沉方向变形为正，向上抬方向变形为负。结合坝体填筑和蓄水过程，可知坝体内部沉降具有如下特点：

（1）坝体内部沉降各测点均表现为向下沉方向变形，沉降主要发生在填筑期和蓄水初期，蓄水结束后，沉降前期缓慢增长，后期逐渐收敛。

（2）各沉降测线最大沉降量均发生在坝轴线或其附近的测点处，断面中部测点沉降量相对较大，上下游侧测点沉降量相对较小，符合一般规律性。

3.2 坝体内部沉降特征值分析局限性

坝体内部沉降特征值分析是面板堆石坝分析的一个主要内容，但是由图2可见，转为运行期后，由于仪器性态下滑以及日常维护不到位等因素影响，沉降测值出现突变、毛刺等异常波动现象，实测坝体内部沉降值虽然总体上可以反映运行期坝体内部沉降规律，但是在分析坝体内部沉降特征值时容易给出异常或错误数据，在分析沉降变化量时尤为明显，故在分析此类内部沉降监测数据时，有必要对沉降测值过程线进行必要的处理，尽可能消除误差影响。

4 基于统计模型的运行期坝体内部沉降分析

4.1 建模原理和方法

监测统计模型是一种根据已取得的监测资料、以环境量作为自变量、以监测效应量作为因变量、利用数理统计分析方法而建立起来的、定量描述监测效应量与环境量之间的统计关系的数学方程。

已有的坝工知识和经验表明，运行期面板堆石坝内部沉降在时刻t的变形效应量主要受上游水位（水压）、温度、降雨及时间效应（时效）等因素的影响，因此监测统计模型主要由水压分量、温度分量、降雨分量和时效分量构成[1][2]。其模型的一般表达式为

式中，为监测效应量y在时刻t的统计估计值;为的水压分量;为的温度分量;为的降雨分量;为的时效分量。

相关研究表明，水位分量与水压H的1～4次方有关;温度分量取决于大坝温度场的变化，可采用坝体实测温度值，也可采用外界气温变化间接地描述坝体温度场的变化;降雨分量采用实测坝址降雨量数据;时效分量是一种随时间推移而朝某一方向发展的不可逆分量，时效分量的变化一般与时间呈曲线关系，可采用对数式、指数式、双曲线式、直线式等表示[3]。则传统统计模型一般表达式为

（2）

式中，a0为回归常数;ai、bi、ci、di为回归系数，均由回归分析确定;n1、n2、n3、n4分别为水压因子、温度因子、降雨因子和时效因子个数;H（t）为t时刻作用在大坝上的水压;Ti（t）为t时刻温度测点i的温度测值;yi（t）为t时刻坝址降雨量测值;Ii（t）为时效因子。

4.2 模型精度和影响因素分析

（1）模型精度分析

根据以上方法建立运行期坝体内部沉降各测点统计模型，对运行期沉降测值进行逐步回归分析，在统计回归分析中进行统计检验的置信水平为0.05，各测点模型精度见表1。

各测点统计模型的复相关系数R在0.73～0.97之间，中间高程测线各测点（V2-1～ V2-5）复相关系数R在0.90～0.95之间;统计模型剩余标准差与实测值变幅的比值η在0.78%～6.84%之间，中间高程测线各测点（V2-1～ V2-5）η在0.95%～3.72%之间。总体来说，所建立的统计模型质量尚可，中间高程测线各测点（V2-1～ V2-5）统计模型质量较高，后面着重分析中间高程测线。

（2）影响因素分析

中间高程测线各测点（V2-1～ V2-5）统计模型质量较高，运行期水压分量对于坝体内部沉降基本无影响，降雨对运行期坝体内部沉降有一定影响，在0～14.42%之间，影响程度较小，运行期坝体内部沉降主要受时效变形影响，分量比重在83.04%～100.00%之间，符合一般规律性。

4.3 基于统计模型的运行期内部沉降稳定性分析

坝体内部沉降稳定性判断的一个重要指标是沉降年增长量值，一般情况下坝体内部沉降年增长在5mm以内时，可认为坝体运行期沉降已处于稳定状态。

运行期水压以及降雨等分量对内部沉降影响很小，运行期坝体内部沉降时效分量年增长逐年减小，沉降逐年趋稳;2013年坝体内部沉降各测点时效分量年增量在1.67mm～5.46mm之间，沉降增量基本在5mm以内， 2014年之后坝体内部沉降各测点时效分量年增量均在5mm以内，2014年之后沉降可认为坝体内部沉降处于稳定状态，该本工程在2016年蓄水，堆石坝内部沉降在蓄水7～8年后处于稳定状态。

5 结语

本文定性分析了某高面板堆石坝内部沉降监测成果，建立运行期坝体内部沉降监测统计模型，定量分析了统计模型精度和运行期沉降影响因素，同时，考虑到沉降测值的突变、毛刺等异常波动现象，采用基于统计模型的运行期坝体内部沉降分析方法来判别内部沉降变形稳定性，分析结果表明，该高面板堆石坝内部沉降变化规律合理，时效变形是运行期沉降的主要影响因素，蓄水7～8年之后坝体内部沉降趋稳。

参考文献：

[1]李珍照. 大坝安全监测[M]. 北京：中国电力出版社， 1997.

[2]吴中如. 水工建筑物安全监控理论及其应用[M]. 北京：高等教育出版社， 2003.

[3]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.