白莲崖水库大坝径向位移变形监测分析

李君廷

(安徽省临淮岗洪水控制工程管理局,安徽 合肥 230088)

水库大坝安全运行极其重要,如何监测大坝各种数据,及时分析大坝状态,国际和国内都有一整套的规程规定,每座大坝的地理位置各异,坝型、材料、高度、地质条件等均有不同。白莲崖水库各种安全监测数据有环境量监测、大坝变形监测、大坝渗流监测、坝体裂缝监测、泄洪设施监测等[1]。由监测资料时空数值,建立典型效应量的监控模型,用典型年的年变幅中的数据,分析各监测量的规律及其影响因素。采用逐步回归分析法原理对大坝的坝体及坝基径向位移进行监测和分析,综合评价大坝安全监测系统工作状态,提出运行管理监测建议。

1 白莲崖水库大坝概况

白莲崖水库大坝为碾压混凝土坝,坝型为抛物线双曲变厚拱坝,坝顶高程234.6m,坝基高程130m,最大坝高104.6m,正常蓄水位208m,汛期限制水位205m,设计洪水位209.24m,校核洪水234.5m,死水位180m。两岸地形非对称,坝轴线与河道中心线微斜交。大坝共分12个坝段,拱坝中心线走向NE5°5’29.9”,拱冠处坝顶曲率半径右岸为189.408m、左岸为199.809m,底拱右岸半中心角26.3060°,底拱左岸半中心角25.5511°,顶拱右岸半中心角为47.5°,顶拱左岸半中心角为39.185°,坝顶宽8.0m,拱冠处坝底最厚处30.064m[1],厚高比为0.287;坝顶弧长421.860m,弧高比为4.033;弦长366.994m,弦高比为3.509。

白莲崖大坝在2号、4号、6号、8号、11号坝块布置有正、倒垂线,采用人工和自动化两种方式监测。下游面立视测点布置与6号坝段剖视测点布置见图1和图2。

图1 下游面立视测点布置

图2 6号坝段剖视测点布置

2 坝体正垂线径向位移监测资料分析

2.1 坝体径向位移变化规律

根据实测的正垂线径向(Y向)位移的自动化和人工实测过程线分析:

a.温度变化是影响坝体径向位移变化的主要因素,坝体径向位移变化规律具有显著的年周期性。各测点向上游位移的最大值或向下游位移的最小值一般出现在7—10月;向上游位移的最小值或向下游位移的最大值则发生在1—4月。

b.库水位变化对坝体径向位移具有一定的影响。库水位升高,坝体向下游位移增大;库水位降低,坝体向下游位移减小[2]。

c.从测点空间分布变化规律来看,同一高程下,越靠近拱冠坝段,测点径向位移年际变化越显著;测点高程越高,其径向位移受库水位变化的影响越显著。

d.4号坝段测点04号ZC1-(PP-05)-198与测点04号ZC2-(PP-12)-171实测值常年表现为正值,即该坝段坝体常年向下游发生位变,其余测点过程线均呈现正负交替状态。

2.2 坝体径向位移特征值分析

坝体径向位移自动化和人工各测点的特征值统计情况分别见表1和表2。

表1 2010—2016年正垂线Y向位移自动化监测特征值统计 单位:mm

表2 2010—2016年正垂线Y向位移人工监测特征值统计 单位:mm

2.2.1 极值分析

2010—2016年,正垂线Y向位移极大值介于1.25～27.96mm之间,其中04号ZC2-(PP-12)-171测点极大值最大(27.96mm,2016年2月21日),02号ZC1-(PP-06)-198测点极大值最小(1.25mm,2012年3月28日);极小值介于-10.77～2.99mm之间,其中04号ZC2-(PP-12)-171测点极小值最大(2.99mm,2010年7月9日),06号ZC1-(PP-04)-198测点极小值最小(-10.77mm,2010年8月15日)。正垂线Y向位移极值分布见图3。

图3 正垂线Y向位移极值分布

2.2.2 年变幅分析

2010—2016年,正垂线Y向位移最大年变幅介于3.87～29.44mm之间,其中06号ZC2-(PP-11)-171测点最大年变幅最大(29.44mm,2012年),02号ZC1-(PP-06)-198测点最大年变幅最小(3.87mm,2012年);最小年变幅介于2.6～22.27mm之间,其中06号ZC2-(PP-11)-171测点最小年变幅最大(22.27mm,2015年),02号ZC1-(PP-06)-198测点最小年变幅最小(2.6mm,2015年)。正垂线Y向位移年变幅分布见图4。

图4 正垂线Y向位移年变幅分布

2.2.3 年均值变化分析

2010—2016年,正垂线Y向位移最大年均值介于-0.21～20.41mm之间,其中04号ZC2-(PP-12)-171测点最大年均值最大(20.41mm,2015年),02号ZC1-(PP-06)-198测点最大年均值最小(-0.21mm,2011年);最小年均值介于-2.66～12.68mm之间,其中04号ZC2-(PP-12)-171测点最小年均值最大(12.68mm,2010年),06号ZC1-(PP-04)-198测点最小年均值最小(-2.66mm,2010年)。正垂线Y向位移年均值分布见图5。

图5 正垂线Y向位移年均值分布

2.2.4 年变幅年际变化分析

由表3和图6、图7可以看出,靠近河床的4号、6号、8号坝块径向位移的年变幅为10～35mm,而靠近岸坡的2号、11号坝块径向位移的年变幅均小于5mm,符合一般混凝土拱坝的变形变化规律。2010年以来各测点的年变幅和年际变化趋于稳定,无异常趋势性变化,表明白莲崖大坝系统的整体刚度未出现明显降低,结构整体性完好。

图6 198m高程点年变幅变化趋势

图7 171m高程点年变幅变化趋势

表3 2010—2016年自动化监测正垂线Y向位移年变幅统计 单位:mm

3 坝基倒垂线径向位移监测资料分析

坝基径向位移自动化和人工各测点的特征值统计情况分别见表4和表5。

表4 2010—2016年倒垂线Y向位移自动化监测特征值统计 单位:mm

表5 2010—2016年倒垂线Y向位移人工监测特征值统计 单位:mm

3.1 极值分析

2010—2016年,倒垂线Y向位移极大值介于1.02～13.19mm之间,其中06号DC1-(PP-10)-171测点极大值最大(13.19mm,2016年4月7日),02号DC1-(PP-07)-198测点极大值最小(1.02mm,2016年12月19日);极小值介于-0.45～1.99mm之间,其中06号DC2-(PP-15)-136测点极小值最大(1.99mm,2010年1月10日),02号DC1-(PP-07)-198测点极小值最小(-0.45mm,2014年8月30日)。倒垂线Y向位移极值分布见图8。

图8 倒垂线Y向位移极值分布

3.2 年变幅分析

2010—2016年,倒垂线Y向位移最大年变幅介于1.26～11.36mm之间,其中06号DC1-(PP-10)-171测点最大年变幅最大(11.36mm,2016年),02号DC1-(PP-07)-198测点最大年变幅最小(1.26mm,2012年);最小年变幅介于0.45～7.65mm之间,其中06号DC1-(PP-10)-171测点最小年变幅最大(7.65mm,2015年),11号DC1-(PP-02)-198测点最小年变幅最小(0.45mm,2016年)。倒垂线Y向位移年变幅分布见图9。

图9 倒垂线Y向位移年变幅分布

3.3 年均值分析

2010—2016年,倒垂线Y向位移最大年均值介于0.48～8.54mm之间,其中06号DC1-(PP-10)-171测点最大年均值最大(8.54mm,2015年),02号DC1-(PP-07)-198测点最大年均值最小(0.48mm,2016年);最小年均值介于0.1～5.86mm之间,其中06号DC1-(PP-10)-171测点最小年均值最大(5.86mm,2010年),02号DC1-(PP-07)-198测点最小年均值最小(0.1mm,2014年)。倒垂线Y向位移年均值分布见图10。

图10 倒垂线Y向位移年均值分布

3.4 年变幅年际变化分析

由表6和图11、图12可以看出,河床中部的06号DC1-(PP-10)-171测点的坝基径向位移年变幅在10mm左右,其余河床中部测点的年变幅在2～6mm,而靠近岸坡的2号、11号坝块测点的年变幅均小于2mm。2010年以来各测点的年变幅和年际变化趋于稳定,无异常趋势性变化,表明白莲崖大坝系统的整体刚度未出现明显降低,结构整体性完好[3]。

图11 02号DC1-(PP-07)-198～06号DC1-(PP-10)-171测点年变幅变化趋势

图12 06号DC2-(PP-15)-136～11号DC1-(PP-02)-198测点年变幅变化趋势

表6 2010—2016年自动化监测倒垂线Y向位移年变幅统计 单位:mm

4 典型年2012年大坝径向位移分布规律分析

2012年坝体垂线径向位移年变幅分布见图13。由分布图看出:

图13 2012年坝体垂线径向位移年变幅分布 (高程单位:m,尺寸单位:mm)

a.白莲崖大坝径向位移年变幅呈现出同一高程由河床中部向两岸逐渐减小,同一断面由高高程向低高程逐渐减小的分布规律,大坝变形协调[4]。

b.靠近河床的4～8号坝段坝体径向位移的年变幅较大,坝顶径向位移的最大年变幅为39.93mm,靠近岸坡的2号、11号坝段的径向位移年变幅很小,均不超过5mm。

5 统计模型

5.1 逐步回归分析法基本原理

由以上分析可知,影响大坝水平径向位移的主要因素有水位、温度和时效等,因此分析时采用下列统计模型[5]:

δ=δW+δr+δθ

(1)

式中:δ为水平位移拟合值;δW、δr、δθ分别为水压分量、温度分量和时效分量。

5.1.1 水压分量

根据坝工理论,拱坝坝体水平位移与上游库水位的4次方成正相关,根据白莲崖大坝实际运行情况,水压分量可表示为

(2)

式中:h为监测日上游水深;h0为起测日上游水深;αi为水压因子回归系数。

5.1.2 温度分量

采用多周期的谐波作为温度因子,温度分量表达式为

(3)

式中:b1i、b2i为温度分量因子的回归系数;t0为建模起始日至起测日的累计天数;t为监测日至起测日的累计天数。

5.1.3 时效分量

时效分量的影响因素极为复杂,采用如下形式:

δθ=c1θ+c2lnθ

(4)

式中:θ值为从始测日至监测日的累计天数除以100;c1、c2为回归系数。

综上所述,大坝水平位移的统计模型为

c1(θ-θ0)+c2ln(θ-θ0)

(5)

式(5)中的符号意义同式(2)～式(4),a0为常数。

5.2 坝体径向位移统计回归模型及成果分析

5.2.1 资料系列

白莲崖大坝正垂线监测系统布置在2号、4号、6号、8号、11号坝块,共有8个测点。对04号、06号、08号、11号坝段测点进行建模,采用2009年4月—2017年9月的监测序列。

5.2.2 统计模型

采用逐步回归分析法,由式(5)对正垂线监测资料进行回归分析,得到各测点的统计模型的参数及特征值。

5.2.3 精度分析

从模型分析结果看出:坝体Y向位移的复相关系数R均在0.9以上。复相关系数较高,所建模型精度较高,故可用该统计模型评价坝体径向位移的变化规律。

5.2.4 各分量对坝体径向位移的效应分析

为了定量分析和评价各分量对坝体径向位移的影响,以2016年实测坝体位移年变幅为例,用统计模型对正垂测点测值进行分离变量,分离结果见表7。

表7 2016年坝体Y向位移年变幅实测值、拟合值及各分量值统计 单位:mm

5.2.4.1 水压分量

由表7可知,所选典型年2016年水压分量对坝体径向位移的年变幅影响较大。库水位升高,坝体向下游位移增大;库水位降低,坝体向下游位移减小[6-7]。坝体径向位移水压分量约为35%,所占比重较大。

5.2.4.2 温度分量

由表7可知,所选典型年2016年温度分量对坝体径向位移的年变幅影响较大.温度升高,坝体向上游径向位移增大或向下游径向位移减小;温度降低,坝体向上游径向位移减小或向下游径向位移增大。各测点温度分量所占年变幅的比重均高于水压分量,占60%左右,这表明温度因素对于坝体径向位移的影响程度大于水压因素。

5.2.4.3 时效分量

由表7可知,所选典型年2016年时效分量年变幅占总位移年变幅的比重较小,均在5%以下,说明时效因素对坝体径向位移的影响很小。

5.3 预报模型

由模型分析结果看出,大部分测点的统计模型精度较高,因此,可以用于预报大坝今后运行性态,其预报方程如下:

6 结 语

a.库水位变化对坝体径向位移具有一定的影响。库水位升高,坝体向下游位移增大;库水位降低,坝体向下游位移减小。统计模型分析成果表明,2016年年变幅中,水压分量约占35%。

b.温度分量对于坝体径向位移的影响程度与水压分量基本相当,温度升高,坝体向上游径向位移增大或向下游径向位移减小;温度降低,坝体向上游径向位移减小或向下游径向位移增大。统计模型分析成果表明,2016年年变幅中,温度分量约占60%。

c.时效分量年变幅占总位移年变幅的比重较小,均在5%以下,说明时效因素对坝体径向位移的影响很小。

d.2010—2016年,坝体径向位移最大值为27.96mm,发生在04号ZC2-(PP-12)-171测点;最小值为-10.77mm,发生在06号ZC1-(PP-04)-198测点。最大年变幅为29.44mm,发生在06号ZC2-(PP-11)-171测点;最小年变幅为2.6mm发生在02号ZC1-4PP-06-198测点。最大年均值为20.41mm,发生在04号ZC2-(PP-12)-171测点:最小年均值为-2.66mm,发生在06号ZC1-(PP-04)-198测点。

e.白莲崖大坝径向位移年变幅呈现出同一高程由河床中部向两岸逐渐减小,同一断面由高高程向低高程逐渐减小的分布规律,大坝变形协调。2010年以来各测点的年变幅和年际变化趋于稳定,无异常趋势性变化,表明白莲崖大坝的整体刚度未出现明显降低,结构整体性完好。总体来说,坝体径向位移变化规律正常,近年来的实测位移变化平稳,无明显异常现象。