李 瑞，秦 濤，張忠舉

(1.四川省水利水電勘測設計研究院，成都，610500；2.南京水利水文自動化研究所，南京，210012)

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淺談地震期間混凝土大壩變形監(jiān)測分析方法及經驗

李 瑞1，秦 濤1，張忠舉2

(1.四川省水利水電勘測設計研究院，成都，610500；2.南京水利水文自動化研究所，南京，210012)

本文以四川某水電站混凝土大壩為研究對象，利用四川汶川5.12地震和雅安4.20地震期間的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)對大壩安全性進行分析，并對相應的分析方法進行總結，可為類似電站在地震期間的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析提供一定的參考和借鑒作用。

地震 多元線性回歸 大壩變形監(jiān)測 水平位移 點位分布

1 引言

四川為地震高發(fā)地區(qū)，境內有鮮水河地震帶、安寧河-則木河地震帶、金沙江地震帶、松潘-較場地震帶、龍門山地震帶等多個地震帶，近年來地震頻發(fā)。而四川水力資源較為豐富，水電開發(fā)總量在全國名列前茅，對地震期間大壩變形監(jiān)測資料分析的目的是掌握閘壩、電廠運行期的工作狀態(tài)，以保證閘壩、電廠能安全正常運行。目前對大壩監(jiān)測資料進行分析主要有定性分析和定量分析，其中定性分析為歷年資料對比法、點位分布圖法，定量分析主要為數(shù)學建模法。

2 工程概況

四川某電站工程位于四川省閬中市河溪鎮(zhèn)境內，距閬中市城區(qū)11km，上游接沙溪場梯級，下與紅巖子梯級相連，是一座航運、發(fā)電及旅游綜合利用的工程。該航電樞紐工程由船閘、發(fā)電廠房、泄洪閘、沖砂閘和左、右岸接頭壩組成，壩頂全長529.93m，壩頂高程為363.00m。該電站前后經歷過汶川5.12地震和雅安4.20地震考驗，本文主要以大壩水平位移為例并選擇代表性的點位進行數(shù)據(jù)分析。

大壩水平位移采用視準線(小角度法)觀測。壩頂共布置16個測點，視準線布置于壩頂上游側，從右至左編號為A01～A16；兩個相互通視的工作基點，編號LA11～LA12，工作基點與壩頂測點能通視，大壩工作基點左右岸兩端延長線各布設一基準點，基準點編號為LA09、LA13。

圖1 大壩測點布置

3 監(jiān)測資料分析方法

3.1 歷年各期資料對比法

將大壩歷年各期資料匯總成數(shù)據(jù)庫，將地震期間監(jiān)測數(shù)據(jù)與震前數(shù)據(jù)、歷年同期數(shù)據(jù)進行對比。為增強數(shù)據(jù)對比的直觀性，本文僅選擇大壩單號測點監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制成大壩水平位移過程線圖，圖中矩形框所標記數(shù)據(jù)為震后監(jiān)測數(shù)據(jù)。

圖2 大壩水平位移過程線

從大壩水平位移過程線圖可以看出：大壩震后與震前測值接近，并未發(fā)生數(shù)據(jù)突變等異?，F(xiàn)象，且震后測值并未超過歷年最大特征值；其中2008年5.12地震期間，溫度偏低，5月份監(jiān)測期間并未出現(xiàn)明顯溫升，造成測點的變形規(guī)律有所延遲，6月份之后變形規(guī)律性恢復正常；將地震期間監(jiān)測數(shù)據(jù)與歷年同期監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比可知，各年度同時期的測值接近，大壩測點變形規(guī)律較好，受壩體熱脹冷縮影響，測點測值呈季節(jié)性變化，地震的發(fā)生并未對這種變形規(guī)律產生明顯影響。

3.2 點位分布圖分析法

點位分布圖法主要是將地震前后各期監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制成點位分布圖，其中X表示測點布置情況，Y方向表示測點位移量。將地震前后位移斷面分布線進行對比，分析地震前后大壩各壩段位移分布情況是否一致，地震的發(fā)生是否使各壩段之間增加錯動變形情況。

圖3 大壩水平位移點位分布

從圖3可以看出，震前、震后測點水平位移點位分布線平行，說明各壩段震前、震后相對位移一致，地震并未造成各壩段之間錯動變形。

3.3 數(shù)據(jù)模型法

對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)建模，各觀測點位移主要受水壓、溫度和時效的影響，因此，位移的統(tǒng)計模型包括水壓、溫度和時效分量，即：

δ=δH+δr+δθ

(1)

式中：δ——位移值；

δH——水壓分量；

δr——溫度分量；

δθ——時效分量。

通常影響壩體位移的主要因素是上、下游水位、壩體溫度、時效。其中，因運行期大壩的壩體溫度取決于外界溫度，且其間存在滯后現(xiàn)象，因此，壩體溫度可用大氣溫度及其一系列“滯后”因子來表示。在進行變形建模分析過程中，采用多元回歸法計算，主要考慮了如下影響因子：

(1)上游水位H：測值(H-H0)的1、2、3次方；

(2)壩區(qū)氣溫T：選取前1、3、7、15、30、45、60、90、120、150、180d平均溫度測值；

(3)時效t：ln(1+t)，其中t=t′/30，t′為測時日期距分析起始日期的時間長度(天)。

本文數(shù)據(jù)建模主要以多元線性回歸為主，首先對數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)回歸，然后將各分量進行分離，并對各分量的變化趨勢進行分析。

圖4 大壩水平位移各影響因子分量圖

由圖4可以看出，水平位移溫度分量隨溫度呈季節(jié)性變化，變化幅度在5mm之內；大壩蓄水初期，水位上升，水位分量有所增加，蓄水期間水位分量影響在7mm之內，大壩運行期，庫水位變化不大，水位分量隨水位變化呈少量波動，運行期水位分量影響在1mm左右；水平位移時效分量運行初期有所增加，但隨著時間的推移逐步趨于收斂，時效分量影響在-6mm～2mm之間；2008年5.12地震和2013年4.20地震期間，時效分量并未成為某種變形趨勢的節(jié)點或者改變原有的變形趨勢。

現(xiàn)分別利用2006年至2008年4月和2006年至2013年3月兩個時間段震前監(jiān)測數(shù)據(jù)建模，將震后水位H、溫度T、時效t作為已知量，對2008年5月和2013年4月震后數(shù)據(jù)進行預測，將預測數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)進行比較，分析震后各測點水平位移變形趨勢，若預測數(shù)據(jù)與震后實測數(shù)據(jù)一致，說明測點位移按原有規(guī)律進行變化，地震對大壩位移無影響或者影響不明顯。

表1 2008年5月份監(jiān)測數(shù)據(jù)預測成果 單位：mm

從表1可以看出，預測值和實測值的差值大都在±1mm之內，考慮到觀測誤差、模型精度等因素的影響，可以認為震后測點測值變形規(guī)律和震前一致，兩次地震并未對大壩壩體水平位移產生明顯影響，大壩壩體變形主要受溫度、水位、時效等因素的綜合影響。如若遇到預測值和實測值之間差值較大的情況，可以對預測值進行區(qū)間估計，同時根據(jù)實測值和區(qū)間估計值計算出地震對大壩位移影響量大小。

4 結語

通過上述不同方法進行數(shù)據(jù)分析，得出了地震對該電站壩體無影響或者影響較小的結論。值得注意的是，由于地震有可能造成工作基點的變動，因此應在震后對監(jiān)測網進行全面復測，以保證壩體變形測值的準確性。另外本文主要是以某一混凝土大壩為例進行數(shù)據(jù)分析，選擇的模型為多元回歸模型，在實際工作中可以根據(jù)壩型結構的差異選擇其它數(shù)據(jù)模型。

筆者認為針對地震期間的監(jiān)測數(shù)據(jù)，應綜合利用各種分析方法，分析測點測值變化是地震，還是水位、氣溫等外部環(huán)境因素變化引起的，且使用的各種分析方法應對分析結論有相互印證的作用。

〔1〕SL601-2013，混凝土壩安全監(jiān)測技術規(guī)范[S].

〔2〕何金平.大壩安全監(jiān)測理論與應用[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

〔3〕申惟文.混凝土重力壩變形監(jiān)測統(tǒng)計模型研究[D].蘭州：蘭州交通大學，2014.

〔4〕王德厚.大壩安全與監(jiān)測[J].水利水電技術，2006，40(1)：1-9.

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