小洪水電站大壩位移觀測資料分析

羅曉華

（廣東水電二局股份有限公司 ,廣東 廣州 511300）

1 工程概況

小洪水電站是沅水一級支流巫水河中游上的重要水工建筑物,水電站正常蓄水位為245 m（汛期244 m）,死水位為244 m（汛期243 m）。裝機容量為22 MW,2臺燈泡貫流式水輪發電機組的單機裝機容量均按照11MW設計,多年發電量均值為7056×104kW·h。結合SL252-2000 等相關規范的規定,該水電站屬于Ⅲ等等別。水電站大壩和廠房擋水部分均按照50 a一遇（P=2%）的洪水標準, 500 a一遇（P=0.2%）的校核洪水標準設計。本水電站工程屬于中型工程,混凝土閘壩壩型設計,最大壩高28.0 m,壩頂軸長235.78 m（含廠房段）。

2 大壩位移觀測概況

2.1 觀測點布置

小洪水電站大壩位移觀測主要分為大壩水平位移和豎向位移觀測兩個方面。大壩水平位移主要設置五條視準線：一條視準線設置在大壩上游側0-008.00 m樁號處,并設置5 個觀測點；其余四條視準線分別設置在大壩下游側0+010.50 m下游壩肩、0+035.41 m高程548 m馬道、0+087.41 m高程550 m馬道、0+057.12 m高程610 m馬道,共布置21 個測點,分別表示為Hi-j。水電站大壩竣工后,在樁號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等處共布置38 個大壩豎向位移觀測點,分別表示為Si-j。

2.2 觀測資料

水電站大壩水平位移觀測系統自2010 年建站后次年1 月開始運行,且按1 次/月的頻次觀測；壩頂垂直觀測也從次年1 月開始,1 月觀測1 次。根據工程實際情況及規范要求,設置以下觀測項目以進行大壩及其余水工建筑物安全運行狀況的監測和潰控：大壩壩頂可能水平位移的觀測、大壩壩體垂直位移總量觀測、揚壓力基礎量觀測、繞壩滲流及壩內滲流觀測、上游和下游實際水位觀測、大壩溫度觀測等。小洪水電站2011 年~2018 年庫區環境特征值監測資料統計見表1。

表1 小洪水電站2011年~2018年庫區環境特征值監測資料統計

續表1

3 大壩位移觀測資料分析

本文采用定性分析2011 年~2018 年大壩觀測資料及統計模型回歸定量分析相結合的方法,對大壩位移情況進行分析評價。具體而言,在定性分析觀測資料后確定出各因素的影響因子,再通過逐步回歸構建各個測點統計模型[1]；針對復相關系數與剩余均方差取值均合理[2]的觀測點,將其典型年觀測值年變動幅度分離后進行庫水位水壓、溫度、應力等影響程度的定量分析,基于分析結果進行大壩變形情況的評價。

3.1 構建回歸模型

庫水位、環境溫度及時效等因素是影響小洪水電站大壩壩體水平位移和豎向位移的主要因素[3],所以可將其壩體位移表示如下：

式中：δH為小洪水電站庫水位水壓的分量；δT為水庫大壩運行環境溫度的分量；δθ為時效的分量。

3.1.1 庫水位水壓分量

大壩壩體在庫水位水壓荷載影響下其壩體靜水壓力會發生迅速變化,變動量可以根據當日庫水位確定,根據相關資料并結合該水電站大壩位移實測資料,壩體沉降量與上游水深1 次方、2 次方和3 次方均存在定量關系。此外,大壩壩體還會在庫水位水壓荷載等因素的綜合作用下而出現滲流和水體豎向位移,在庫水位發生如此變化后,滲流變化會滯后1~2 個月發生,為此,在水庫大壩豎向位移觀測日期之前的1 d~3 d、4 d~10 d、11 d~30 d、30 d~60 d等時間段內選取所對應的上游庫水位均值,以作為庫水位水壓荷載影響因子使用,則體現庫水位水壓的分量可作如下表示：

式中：H1為大壩壩體位移觀測日的上游水頭為簡化分析,統一按上游庫水位和死水位之差計,m；H10為大壩壩體位移資料序列起始日的上游水頭,按觀測起始日上游庫水位和死水位之差計,m；為大壩壩體位移觀測日之前的1 d~3 d、4 d~10 d、11 d~30 d、30 d~60 d所對應的上游庫水位均值,m；為大壩壩體位移觀測資料序列起始日之前1 d~3 d、4 d~10 d、11 d~30 d、30 d~60 d等時間段所對應的上游庫水位均值,m；a1i、a2i為水壓因子回歸系數, i=1、2、3 ,j=1、2、3、4 。

3.1.2 環境溫度分量

因水電站水庫大壩環境溫度呈周期性變動趨勢,故本分析通過正弦、余弦函數周期項表示水庫大壩運行環境溫度分量,公式如下：

式中：b1i、b2i為大壩運行環境溫度因子回歸系數；t為水庫大壩位移觀測日與觀測基準日之間所包含天數的累計值,d；to為大壩壩體位移觀測資料序列起始日至觀測基準日天數累計值,d；其余參數含義同前。

3.1.3 時效分量

式中：c1、c2為時效因子回歸系數；θ為水庫大壩位移觀測日與觀測基準日之間所包含天數累計值與100之商數,d；θθ為大壩壩體位移觀測資料序列起始日與觀測基準日之間所包含天數的累計值與100之商數,d。

將式（2）~（4）帶入式（1）后得到該水電站大壩壩體位移統計回歸模型：

3.2 豎向位移觀測成果分析

采用逐步回歸法通過式（5）進行水庫大壩豎向位移各觀測點的回歸分析,大壩壩體豎向位移實測結果及擬合回歸結果見表2。根據對大壩壩體豎向位移所設置的38 個觀測點中觀測值系列較好的測點豎向位移實測結果及回歸擬合結果的分析表明,各測點均選用水壓分量因子,所以庫水位變動對大壩壩體豎向位移存在一定影響,且各斷面豎向位移在庫水位影響下變化較大。環境溫度變動對壩體豎向位移存在一定影響,但是影響程度較小。

表2 大壩壩體豎向位移實測結果及回歸擬合結果 單位：mm

通過對各測點豎向位移變幅的分析發現,時效分量在大壩壩體豎向位移年變動幅度中的占比高達80%~85%,且該水電站水庫大壩建站且沉降快速發展后,其豎向位移在運行期內逐漸達到穩定狀態,時效分量的變化也逐漸趨于收斂狀態。

3.3 水平位移觀測成果分析

采用式（5）對本水電站水庫大壩壩體部分水平位移觀測點中觀測值系列較好的測點水平位移實測結果及回歸擬合結果的分析表明,時效分量對大壩壩體水平位移存在一定影響,且各斷面水平位移在時效分量影響下變化較大。庫水位變動對壩體水平位移存在一定影響,但是影響程度較小。

根據表3分析結果可知,不同測點對大壩壩體水平位移年變動幅度的分離結果中,水壓分量在壩體水平位移年變動幅度中的占比較小,且越靠近下游的壩體水壓分量越小,這也說明,庫水位水壓僅對上游壩體水位位移存在影響,而對下游壩體水平位移影響很小。環境溫度變化對大壩壩體水平位移也存在一定作用,根據表中對水平位移年變動幅度的分離結果,環境溫度分量在壩體水平位移年變動幅度中的占比在10%左右。時效分量對大壩壩體水平位移的影響程度最大,根據表中的分離結果,時效分量在壩體水平位置總變幅中的占比達到80%~85%,且各測點時效分量表現為一種收斂趨勢。

表3 大壩壩體水平位移實測結果及回歸擬合結果 單位：mm

4 結論

通過對小洪水電站水庫大壩壩體水平及豎向位移觀測資料的分析表明,回歸模型質量較好,結果誤差也主要表現為觀測誤差,且其大壩壩體水平位移和豎向位移過程線變動趨勢規律正常,大壩壩體水平位移變化表現為三種類型：河床壩段春冬、夏秋分別向上游和下游位移,左岸壩段正好相反,右岸壩段無明顯的運行規律。大壩壩體水平位移和豎向位移變動幅度和庫水位、環境溫度及時效等分量變動幅度均沿壩軸線方向表現出較為明顯的規律性,即河床壩段數值最大,向兩岸過度的過程中數值逐漸減小,且與壩段高度存在線性關系。壩體變形性狀也較為符合常態,且壩體運行安全,觀測資料能夠較好地反映大壩變形性態,符合大壩安全運行監測方面的要求。