某水電站大壩揚壓力統計回歸分析

陳浩潔，吳震宇，羅文廣

(四川大學水利水電學院，成都，610065)

1 工程概況

重慶龍溪河梯級水電站大壩為混凝土重力壩，左岸擋水壩長79.4m，壩頂高程225.00m，右岸擋水壩長52.3m，壩頂高程231.00m(1985年加固改造時加高)，最大壩高45.50m，壩頂全長212.50m。河床中部開敞式溢流壩長80.80m，堰頂高程218.15m，泄洪能力為2700m3/s。壩址控制流域面積3256km2，多年平均流量48.9m3/s。

水電站所在的龍溪河流域屬亞熱帶季風濕潤氣候區，具有春旱、初夏多雨、盛夏炎熱多伏旱、秋多陰雨、冬暖少雪、無霜期長、濕度大、云霧多等氣候特點，尤以冬暖、夏炎熱為主要特征。

該梯級電站，在大地構造上屬重慶NE向弧形褶皺帶，區內地質構造簡單，無斷層出現，亦無牽引褶皺。

2 數學模型

2.1 監測系統及其布置

揚壓力觀測采用測深鐘和壓力表進行，共計設測孔44個，編號為L1～L41、F34、F36、F38，分別布置在8#、10#、13#、14#、15#、16#、17#、18#八個壩段上。壩基滲漏設有二個滲漏水觀測點(編號為QL和QR)，均布設在攔河壩廊道中，位于14#壩段內，分別監測7#～14#壩段(左半部分)和14#～18#壩段的滲漏水。揚壓力觀測方法是，當測孔內水位低于孔口時，采用測深鐘法觀測孔內的水位;當孔內水位高于孔口時，采用壓力表觀測。

2.2 右岸加固后新的監測系統

新的揚壓力觀測系統包括5個揚壓力橫斷面和1個縱斷面，共設測孔18個，揚壓力測孔分別設在觀測廊道內、下游壩坡及壩趾處。5個橫斷面分別布置在7#、14#、15#、16#、17#壩段上，每個觀測斷面由2～4個揚壓力測孔組成。縱向揚壓力觀測斷面由12個揚壓力測孔組成。其中，中部9#、11#、13#溢流壩段各布置一個測孔;右岸15#、16#、18#非溢流壩段各布置一個測孔;7#、14#、17#壩段布置2個測孔。測孔編號為A4～Al9，A13－1、A14－1。

2.3 揚壓力分析數學模型

目前，常見的大壩監測資料分析數學模型有統計模型、確定性模型及混合模型等三類。根據本工程的特點，鑒于該工程攔河壩樞紐安全監測資料系列較長，并考慮兩次大壩安全定檢監測資料分析的連續性，本設計采用逐步回歸法建立統計模型進行分析。

眾所周知，影響壩基揚壓力大小的因素有上、下游水位，帷幕的工作狀態，排水系統及庫內泥沙淤積對基巖裂隙的堵塞，降雨及滲透作用等。所以統計分析中，模型的因子初選是極為復雜的。

通常可按以下形式構造揚壓力分析數學模型:

式中:YW(t)——揚壓力監測值在時間t的統計估

計值;

YW1［H(t)］——揚壓力的水壓分量;

YW2［T(t)］——揚壓力的溫度分量;

YW3［θ(t)］——揚壓力的時效分量;

C——待定常數項。

2.3.1 水位分量

揚壓力反映壩基的滲透壓力，與其它物理量有所不同，由于它不僅與當時庫水位有關，而且與前期的庫水位有關(即庫水位的滯后效應)。壩基揚壓力與壩體溫度一樣，服從拉普拉斯方程，所以它可以用溫度滯后一樣的方法來處理。

式中:ai——模型待定回歸系數;

Hi(t)——變形觀測日及前續若干月的平均水位;H(t0)——基準水位，通常選為第一次變形觀測日的平均水位，亦可選為壩底高程或其它特征水位，在此基準水位取死水位214.5m;

i——超前的月份。

本模型采用當時庫水位和超前6個月的平均庫水位，每月一點，共7個因子。

2.3.2 溫度分量

揚壓力與溫度變化無直接關系，但由于溫度變化會引起基巖裂隙張開度的改變而間接影響揚壓力的測值，一般情況下溫度因素對揚壓力測值的影響較小，特別是對于處在水位較深處的揚壓力測點，測值影響更是如此。因此，本文模型中，揚壓力統計不計溫度因子。

2.3.3 時效分量

泥沙的淤積情況是越靠近壩踵、顆粒越細小，這是由于水流速度由庫尾至壩前逐漸減慢的緣故。隨著泥沙的不斷淤積，使壩基附近的上游面鋪蓋層逐年增厚，影響壩基滲流場，這種作用實際上與時間有關。因此，參考位移其他物理量的時效分量的構造形式，在分析中采用如下的模式考慮其時效分量:

式中:ti——觀測時刻距初始時刻的天數，下硐大壩觀測該初始時刻取1987年6月16日;ci——待定回歸系數。

綜上所述，上硐大壩揚壓力監測分析數學模型有如下形式:

根據大壩揚壓力實際測值數據系列進行回歸分析，可獲得其相應模型參數。

3 壩基揚壓力計算分析

運用上述模型，通過分析整理監測資料的實測數據，得到各測點揚壓力的極值、年變化率、年變幅以及揚壓力回歸值，時效值和殘差值。現選取部分測點的實測值如表1所示。

表1 實測各孔最大揚壓力水頭(1987年至今) 單位:m

通過統計回歸分析可以看出:

(1)從揚壓力測值回歸分析圖表中可以看出，相關系數最高為0.925(A10)，最低為0.248(A13)，顯著性較高。

(2)從圖表的觀測資料看，壩基揚壓力總體變化不大，絕大多數測孔的實測揚壓力水頭均小于設計允許值，且已趨于穩定，但也有少部分測孔揚壓力測值超過了設計允許值。

①測點A4、A5、A7、A8、A9、Al0、A11、A13、A14、A15、A16及A19的測值均小于設計允許值。其中，A4、A5、A8、A9、A13、A16孔測值隨時間遞減，它們所在壩段7#、11#、13#、15#、17#壩下揚壓力總值小于設計值，發展變化是漸趨減小，所以情況良好。測點A11、A10有緩慢增大趨勢，但增幅極小，趨于穩定。

②測點A6、A12、A13－1、A14－1、A17、A18均超出設計允許值，但各自的橫斷面上總揚壓力未超過設計允許值。其中，A13－1和A14－1測點所在的15#、16#壩段壩下揚壓力分布有利于減小壩踵拉應力。只要總量不超過設計允許值，這種分布在應力方面還有一定的好處。

(3)壩基揚壓力隨庫水位的變化具有一定的規律性。即隨庫水位的升高而增大，隨庫水位的降低而減小，但其中有部分孔變化甚微，規律性較差。

(4)廊道內，比如測點A9、A13、A14、A15、A16、A19測孔(分別位于13#、15#、16#、17#、18#壩段，樁號在0+140.10～0m+196.61m之間)，揚壓力變化極小，很多孔甚至一直沒有變化，這些揚壓力孔均處在大壩右側，說明大壩右側壩基防滲效果很好。同時從年變化率表、過程線圖及年變幅過程線圖中也可以看出，右岸非溢流壩段的測點，年變幅逐漸減小，并趨于穩定;年變化率在2009年12月除A17為－0.83外，其余基本趨于0，說明大壩右岸非溢流壩段壩基防滲效果很好。

(5)大壩左側廊道內的揚壓力孔變化也不大。廊道內的揚壓力孔均未超過揚壓力設計允許系數，說明該壩基防滲效果良好。

部分具有代表性測點的過程線(A4、A10、A11測點的相關系數最高)見圖1、圖2、圖3。

圖1 下硐大壩A4測點揚壓力實測、回歸、時效過程線

4 結論

運用逐步回歸分析法求出揚壓力統計模型及回歸方程，該模型與水位分量和時效分量有關，用該統計模型分析實測資料，其分析結果與實測值擬合較好。

從數據分析中可以得出，壩基揚壓力隨庫水位的變化具有一定的規律性，即揚壓力隨庫水位的升高而增大，隨庫水位的降低而減小。絕大多數測點的揚壓力測值小于設計允許值，也有少部分大于允許值。其中，A13－1、A14－l、A17、A18孔位于右岸擋水壩下游壩坡上，距離右岸壩肩很近。該壩肩分布的A20～A23四個地下水位監測孔表明，其地下水位較高;另外右岸擋水壩段的基礎為粘土巖，施工資料也反映該處基礎開挖成深槽，這些因素決定了右岸擋水壩段壩趾基礎排水不暢。因此，A13－1、A14－l、A17、A18孔揚拉力長期超過設計允許值;A6、A12處于溢流壩腳護坦上的左右兩側，受溢流體翻水影響，所以揚壓力測值也長期超過設計允許值。但整個斷面的總揚壓力小于設計允許值，所以是允許的。

針對上述揚壓力超出設計允許值的情況，雖然目前不會對壩體穩定和應力造成危害性影響，但仍應予以重視，繼續加強監測。

但是，由于此模型忽略了溫度分量和降雨分量對揚壓力的影響，且沒有考慮泥沙淤積情況，建議加強監測，同時再考慮其它相關影響因子，比較回歸分析成果，以便得出更合理的計算成果，為大壩的穩定提供強有力的理論支持。

〔1〕丁曉唐，顧沖時，王 健.水口水電站變形監測資料分析.長江科學院院報，2002，(4).

〔2〕何勇軍等著.大壩安全監測與自動化.北京:中國水利水電出版社，2008.1. ■