大壩視準(zhǔn)線與真空激光觀測(cè)值的銜接回歸分析

羅文廣 胡升偉 文聘 胡明秀

摘要：某水電站大壩水平位移2000年前采用視準(zhǔn)線法監(jiān)測(cè)，2000年后采用真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，但這兩種方法觀測(cè)成果存在空間和時(shí)間上的相對(duì)性，因此對(duì)該水電站水平位移2000年前后各自的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，然后選擇代表性測(cè)點(diǎn)嘗試將二者銜接起來(lái)展現(xiàn)連續(xù)的水平位移變化過(guò)程和趨勢(shì)。各系列測(cè)值回歸復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.71～0.97，標(biāo)準(zhǔn)差為0.41～2.42mm，標(biāo)準(zhǔn)差與變幅比值為0.03～0.16；總體上水壓分量占比（36%）大于溫度分量的（18%），且初蓄期水壓激增的效應(yīng)也突出顯現(xiàn)，溫度效應(yīng)變幅為4～5mm，時(shí)效分量變幅呈收斂趨勢(shì)，回歸效果總體尚可。

關(guān)鍵詞：視準(zhǔn)線法；真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)；水平位移；監(jiān)測(cè)；回歸分析；大壩

中圖分類號(hào)：TV642.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.01.028

大壩水平位移一般采用視準(zhǔn)線法和真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)監(jiān)測(cè)川。某水電站水平位移監(jiān)測(cè)從2000年起采用真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)（同時(shí)采用視準(zhǔn)線法監(jiān)測(cè)至2004年），盡管能獲得絕對(duì)位移且精度相對(duì)較高，但具有時(shí)間上的相對(duì)性。蓄水前采用視準(zhǔn)線法監(jiān)測(cè)水平位移，捕捉到了水位激增過(guò)程的水壓效應(yīng)，但因基點(diǎn)未改正而有空間上的相對(duì)性，且觀測(cè)精度不高，不過(guò)儀器基點(diǎn)設(shè)置在靠岸邊水壓相對(duì)較小的23#壩段，絕對(duì)位移小，因此該數(shù)據(jù)仍然是很珍貴、有實(shí)際意義的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。由于兩種方法各有局限性，均不足以展示大壩蓄水以來(lái)的連續(xù)變形趨勢(shì)，因此在進(jìn)行大壩安全監(jiān)測(cè)資料分析時(shí)，嘗試將二者銜接起來(lái)展現(xiàn)連續(xù)變形過(guò)程和趨勢(shì)。

1 工程概況

某水電站位于四川省樂(lè)山市沙灣區(qū)境內(nèi)的大渡河上，建壩地點(diǎn)為峽谷出口處，河谷開(kāi)闊，右岸岸坡較陡，左岸平緩，兩岸沖溝發(fā)育，是一座以發(fā)電為主，兼顧漂木及改善下游通航條件的綜合利用工程。樞紐主要建筑物有溢流壩、發(fā)電廠房、左右沖沙底孔壩段、左右岸重力壩、左右岸堆石壩等，壩頂高程479.0m。該電站于1985年1月開(kāi)工，1986年年底工程截流，1992年4月蓄水，1994年年底機(jī)組全部發(fā)電。

自1992年蓄水至2004年，壩頂4#-24#壩段采用視準(zhǔn)線法觀測(cè)水平位移的工作基點(diǎn)沒(méi)有可靠的觀測(cè)設(shè)施來(lái)改正端點(diǎn)位移，故測(cè)點(diǎn)的水平位移為相對(duì)位移。之后，隨著真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)的完善，可以利用其觀測(cè)成果來(lái)改正視準(zhǔn)線法工作基點(diǎn)的端點(diǎn)位移。因視準(zhǔn)線法誤差較大，從2005年起4#-24#壩段不再采用視準(zhǔn)線法觀測(cè)水平位移。

2000年，對(duì)壩頂位移監(jiān)測(cè)設(shè)施實(shí)施自動(dòng)化改造，在壩頂軸下0+007.2m、高程478.60m處，安裝1套真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)，布置在4#-24#壩段，全長(zhǎng)449.17m，激光發(fā)射端設(shè)在4#壩段，接收端設(shè)在24#壩段，每個(gè)壩段設(shè)置1～2個(gè)測(cè)點(diǎn)，共26個(gè)測(cè)點(diǎn)。兩端點(diǎn)各設(shè)置一套雙金屬標(biāo)/倒垂線，測(cè)量端點(diǎn)位移。取8#-16#壩段的典型測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析，該壩段為基巖上混凝土重力壩。

2 壩頂水平位移監(jiān)測(cè)資料分析

2.1 監(jiān)測(cè)資料分析方法

主要采用作圖法及數(shù)學(xué)回歸法來(lái)分析壩頂水平位移監(jiān)測(cè)資料。作圖法即通過(guò)繪制監(jiān)測(cè)量的過(guò)程線來(lái)考察監(jiān)測(cè)量的變化規(guī)律；數(shù)學(xué)回歸法的建模方法有統(tǒng)計(jì)模型法、確定性模型法和混合模型法[2]。筆者采用易于被工程界所理解和接受的統(tǒng)計(jì)模型法[3]進(jìn)行回歸分析。

大壩水平位移一般由水荷載、溫度荷載及壩體材料和基巖的徐變、塑性變形、裂縫變化等引起，可用如下數(shù)學(xué)模型表示某一點(diǎn)的位移s：

δ=δH+δT+δt式中：δH為水平水壓力變化引起的彈性位移分量；δT為溫度變化引起的彈性位移分量；δt為非彈性位移分量，即時(shí)效位移分量，是大壩工程安全評(píng)價(jià)至關(guān)重要的分量。

（1）水壓分量δH。

δH=a0+a1（H1-H0）+a2（H1-H0）2+a3（H1-H0）3+a4（H2-H0）+a5（H2-H0）2+a6（H2-H0）3+δDH

δDH=a7+a8DH1+a9DH2式中：H1、H2分別為上、下游水位；H0為建基面高程；DH1為當(dāng)日水位超過(guò)上個(gè)測(cè)次的最高水位量；DH2為DH1與當(dāng)日水深之積；ai為待定回歸系數(shù)i=1，2，…，9。

（2）溫度分量δT。

δT=b0+b1T+b2T5+b3T10+b4T15+b5T20+b6T30+b7T45+b8T60+b9T90+b10T120式中：T、T5、T10、…、T120分別為觀測(cè)日當(dāng)天及前5、10、…、120d的平均氣溫；bj為待定回歸系數(shù)，j=0，1，…，10。

（3）時(shí)效分量δt。

δt=c0+c1t+c2lnt+c3t/（t+100）式中：t為從1992年1月1日起至觀測(cè)日的累計(jì)天數(shù)；ck為待定回歸系數(shù)，k=0，1，2，3。

2.2 壩頂視準(zhǔn)線法水平位移監(jiān)測(cè)資料分析

該壩壩頂測(cè)點(diǎn)較多，筆者僅選取典型測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析。D14、D15、D16測(cè)點(diǎn)位于8#-16#壩段，觀測(cè)儀器布設(shè)在23#壩段的基準(zhǔn)點(diǎn)D23-2，后視基點(diǎn)為T04。2002年后測(cè)站改為T08-1，以T08為后視點(diǎn)，測(cè)站與后視點(diǎn)的距離僅18.0m，而測(cè)站與測(cè)點(diǎn)之間的距離最大達(dá)279.2m，其觀測(cè)精度無(wú)法滿足要求。同時(shí)隨著壩頂激光準(zhǔn)直系統(tǒng)的逐步穩(wěn)定、成熟[1]，2005年該壩段停止采用視準(zhǔn)線法監(jiān)測(cè)水平位移。該壩段從1991年11月開(kāi)始觀測(cè)，初期一般每月觀測(cè)1～2次，1993年1月后每月觀測(cè)1次。

2.2.1 歷時(shí)過(guò)程分析

1992年至2001年，水平位移過(guò)程線見(jiàn)圖1。由圖1可以看出，蓄水初期水壓升幅大，水平位移變幅也最大；之后，位移隨著水位、溫度的周期性波動(dòng)而波動(dòng)發(fā)展，同時(shí)，存在受壩基、壩體材料徐變等因素影響而顯現(xiàn)的時(shí)效增加趨勢(shì)。各測(cè)點(diǎn)相對(duì)位移受溫度、水壓年度周期波動(dòng)的影響不明顯。

2.2.2 典型測(cè)點(diǎn)位移回歸分析

選擇具有代表性的測(cè)點(diǎn)Dis進(jìn)行回歸分析，分析結(jié)果見(jiàn)圖2。1991-2000年D15測(cè)點(diǎn)水平位移（Y）的回歸方程為Y=1.36174+3.13×10-5（H1-H0）3+1.68×10-3t-0.1616T120。該測(cè)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)回歸復(fù)相關(guān)系數(shù)R2為0.71，標(biāo)準(zhǔn)差為2.424mm，標(biāo)準(zhǔn)差與變幅比值為0.16。時(shí)效、水位、溫度分量變幅分別為5.25、7.12、2.75mm，各分量所占比例分別為35%、47%、18%。回歸擬合精度較差，這與視準(zhǔn)線法人工觀測(cè)總體精度不理想有關(guān)。

水位分量變化規(guī)律符合大壩蓄水運(yùn)行過(guò)程，初蓄時(shí)水位增高30余m，形成最大水平位移約6mm，此后隨5m/a左右的水位變幅水位分量變幅在2mm以內(nèi)；溫度分量變化也正常，溫升季節(jié)向上游膨脹、溫降季節(jié)向下游收縮，變幅約2.5mm；時(shí)效分量則呈線性發(fā)展，與實(shí)際情況不符，理論分析應(yīng)呈收斂發(fā)展態(tài)勢(shì)。總體上，水壓分量占整體變位的約一半，大體是合理的，溫度、時(shí)效對(duì)水平位移也各有影響。

2.3 壩頂真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)監(jiān)測(cè)水平位移

該電站于2001年9月對(duì)真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，2003年9月改造完成后恢復(fù)觀測(cè)，對(duì)壩頂位移1周自動(dòng)觀測(cè)2次，并輔以2周1次的人工比測(cè)。經(jīng)論證確認(rèn)真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)端點(diǎn)測(cè)值的可靠性較高，且人工觀測(cè)精度明顯高于自動(dòng)化觀測(cè)精度。筆者將真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)位移測(cè)值轉(zhuǎn)換為絕對(duì)測(cè)值，并將端點(diǎn)的相關(guān)位移一并納入系統(tǒng)測(cè)值進(jìn)行時(shí)程分析。

壩頂真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)、人工觀測(cè)水平位移測(cè)值過(guò)程線見(jiàn)圖3、圖4。由圖可見(jiàn)：壩頂水平位移呈明顯的年度周期性波動(dòng)，結(jié)合壩區(qū)氣溫、上下游水位運(yùn)行規(guī)律進(jìn)行分析，認(rèn)為這種壩頂水平位移的波動(dòng)，應(yīng)該是受到氣溫變化致大體積混凝土熱脹冷縮及上下游水壓力變化雙重效應(yīng)的疊加影響，只是不同建基面高程壩段所受水壓力效應(yīng)的程度有差異。具體表現(xiàn)為，夏秋季溫升、上游水位下降、下游水位升高，上下游水位差減小，測(cè)點(diǎn)處于橫剖面的上游側(cè)，混凝土熱脹向外側(cè)即上游發(fā)展，冬春季則反向發(fā)展[4]。

2.4 視準(zhǔn)線法與真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)監(jiān)測(cè)成果銜接分析

視準(zhǔn)線法從蓄水前開(kāi)始監(jiān)測(cè)大壩水平位移，捕捉到了水位激增過(guò)程的水壓效應(yīng)，但因基點(diǎn)未改正而有空間上的相對(duì)性；真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)自2000年起測(cè)，盡管能獲得絕對(duì)位移且精度相對(duì)較高，但具有時(shí)間上的相對(duì)性。筆者對(duì)代表性測(cè)點(diǎn)D14、D15、D16，嘗試將二者銜接起來(lái)展現(xiàn)連續(xù)水位變化過(guò)程和趨勢(shì)。其測(cè)值過(guò)程及回歸分析見(jiàn)圖2、圖5～圖8，回歸方程及參數(shù)和分量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1、表2。

各系列測(cè)值回歸復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.712～0.968，標(biāo)準(zhǔn)差為0.44～2.424mm，標(biāo)準(zhǔn)差與變幅比值為0.03～0.16，且分解的各分量變化符合工程實(shí)際，因此回歸效果總體尚可。

（1）銜接合理性分析。2000年前，15#壩段位移的水壓分量占比高達(dá)47%，溫度分量占18%，時(shí)效分量呈線性增加趨勢(shì)；2000年后，則以溫度分量為主，占63%，水位變幅約5m/a的水壓所致的效應(yīng)分量?jī)H占8%，時(shí)效分量趨于收斂。銜接后，總體上還是水壓分量（占比為36%）大于溫度分量（占比為18%），且初蓄期水壓激增的效應(yīng)也突出顯現(xiàn)。將兩種方法的測(cè)值銜接后，可以看出溫度效應(yīng)引起的大壩位移在2000年前與2000年后基本一致，為4～5mm，時(shí)效分量呈收斂趨勢(shì)，符合工程實(shí)際，因此兩種測(cè)值的銜接分析盡管存在誤差，但仍是合理、可接受的。

（2）水壓位移分量。各測(cè)點(diǎn)測(cè)值均受水壓分量影響，其中D14、D16測(cè)點(diǎn)還受初期蓄水位的影響，Dis測(cè)點(diǎn)受上游水壓力的影響，均表現(xiàn)為在初蓄期水平變位急劇增加，向下游產(chǎn)生位移，隨后進(jìn)入穩(wěn)定時(shí)期；各測(cè)點(diǎn)位移的水壓分量變幅為3.20～8.62mm，占總變幅的22%～35%，這與常規(guī)其他測(cè)點(diǎn)分析的水壓分量（占比為8%）相比，差別顯著。

（3）溫度位移分量。各測(cè)點(diǎn)均分解出溫度分量，與氣溫呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即溫度升高，壩頂向上游位移[5]（測(cè)值減小）；溫度降低，壩頂向下游位移（測(cè)值增大）。溫度因子包括T90、T120，表明壩頂水平位移滯后于氣溫變化，滯后3～4個(gè)月。各測(cè)點(diǎn)溫度分量變幅為3.64～4.58mm，占總變幅的18%～25%，對(duì)水平位移影響較大。

（4）時(shí)效位移分量。3個(gè)測(cè)點(diǎn)時(shí)效分量變幅為7.71～11.84mm，占總變幅的47%～53%，但均呈收斂趨勢(shì)，表明大壩基本是穩(wěn)定安全的。

3 結(jié)論

由某水電站壩頂視準(zhǔn)線法觀測(cè)水平位移資料可知，混凝土重力壩有向下游的趨勢(shì)性位移，位移總體呈收斂趨勢(shì)，符合基巖上混凝土重力壩的一般變形規(guī)律，其水平變位是安全的。測(cè)點(diǎn)間的水平變位連續(xù)、協(xié)調(diào)，無(wú)大的突變，位移量在可接受的安全范圍內(nèi)。由真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)觀測(cè)資料可知，各壩段水平變位相互間連續(xù)、協(xié)調(diào)，不存在相鄰壩段間的突變、錯(cuò)縫，且各壩段的變幅基本為2～5mm，變形是安全的。

視準(zhǔn)線法、真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)監(jiān)測(cè)水平位移分別存在空間、時(shí)間上的相對(duì)性，數(shù)據(jù)存在缺陷。代表性測(cè)點(diǎn)的銜接分析基本展現(xiàn)了一種連續(xù)的過(guò)程和趨勢(shì)：總體上水壓分量占比（36%）大于溫度分量的（18%），且初蓄期水壓激增的效應(yīng)也突出顯現(xiàn)，溫度效應(yīng)變幅為4～5mm，時(shí)效分量變幅呈收斂趨勢(shì)，符合大壩工程的實(shí)際變化特征。

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