，，

(1.陜西水環(huán)境工程勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710018；2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 成都 610065)

淺談大橋水庫(kù)主壩壩體變形反演分析

雷蕾1，謝新生2，雷慶1

(1.陜西水環(huán)境工程勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710018；2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 成都 610065)

作為土石壩安全監(jiān)測(cè)分析領(lǐng)域中的一部分，筑壩材料的物理力學(xué)參數(shù)的分析伴隨著大壩安全監(jiān)測(cè)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)水平的提高獲得了蓬勃的發(fā)展。本文通過(guò)對(duì)堆石壩的材料物理力學(xué)參數(shù)反演分析作相關(guān)的分析和探討，以大橋水庫(kù)混凝土面板堆石壩為依托，通過(guò)收集大橋水庫(kù)自竣工以來(lái)主壩內(nèi)部主堆石區(qū)的沉降位移原型觀測(cè)資料和數(shù)據(jù)，在原型觀測(cè)資料正演分析的基礎(chǔ)之上，探討主堆石區(qū)的堆石料參數(shù)隨水庫(kù)的調(diào)度運(yùn)行而發(fā)生的變化規(guī)律。

大壩沉降位移；反演分析；參數(shù)；變化

1 工程概況

大橋水庫(kù)位于四川省涼山州冕寧縣大橋鎮(zhèn)境內(nèi)，其控制流域面積796 km2，正常蓄水位2 020 m，死水位1 977 m，總庫(kù)容6.58億 m3。大橋水庫(kù)主壩為混凝土面板堆石壩，面板從上至下厚0.48～0.3 m，采用單層雙向配筋。趾板厚0.5 m，兼做壩基帷幕灌漿蓋板。墊層料墊層料采用碎石土，最大粒徑200 mm，屬級(jí)配連續(xù)滲透穩(wěn)定的半透水料，寬3.0 m；過(guò)渡料采用砂礫石料，壓實(shí)性良好，過(guò)渡料同時(shí)做反濾料，最大控制粒徑200 mm，分層碾壓填筑厚度50 cm，介于主堆石區(qū)和墊層之間，水平寬度5.0 m；堆石料由位于壩址上、下游的堆石料場(chǎng)開采，最大控制粒徑800 mm，分層碾壓填筑厚度100 cm。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布設(shè)

2.1 主壩外部變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

主壩共布置表面位移觀測(cè)點(diǎn)45個(gè)，觀測(cè)基點(diǎn)14個(gè)，用以監(jiān)測(cè)主壩表面順河向位移和垂直方向位移。14個(gè)觀測(cè)點(diǎn)分兩組分別布置在大壩兩岸，但工作基點(diǎn)位移數(shù)據(jù)沒(méi)有記錄。45個(gè)觀測(cè)點(diǎn)按不同高程分為7組，上游3組下游4組，外部監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于2005年3月開始全面用于大壩監(jiān)測(cè)。

圖1 大橋水庫(kù)主壩內(nèi)部變形觀測(cè)監(jiān)測(cè)布置系統(tǒng)剖面圖

2.2 主壩內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

主壩在大壩0+115斷面共布置水平位移計(jì)共15個(gè)，沉降儀共14個(gè)，分為3組分別布置在3個(gè)觀測(cè)房?jī)?nèi)對(duì)壩體內(nèi)部的水平和沉降位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)。每組高程從低到高依次為1 962.0 m、1 982.0 m和2 002.0 m。

本次分析研究利用壩體內(nèi)部沉降進(jìn)行反演分析?？紤]到所選典型測(cè)點(diǎn)應(yīng)位于不同高程，不同材料分區(qū)下，且原始觀測(cè)資料合理可用，選取大壩0+115斷面，高程1 962.0 m，1 982.0 m兩組：SG1-2，SG1-4和SG2-2，SG2-4共4個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別處于壩軸線處主堆石區(qū)和靠近面板處主堆石區(qū)。典型測(cè)點(diǎn)布置圖詳見(jiàn)圖1。

3 大壩沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反演分析

利用建立的大橋水庫(kù)混凝土面板堆石壩0+115斷面的有限元模型，依據(jù)大橋水庫(kù)的竣工資料、運(yùn)行資料和原始觀測(cè)資料，對(duì)其非線性的鄧肯E-B模型參數(shù)進(jìn)行反演，力求探尋出在實(shí)際運(yùn)行情況下，面板堆石壩主堆石區(qū)參數(shù)變化規(guī)律。

3.1 大橋水庫(kù)反演參數(shù)的確定

大橋水庫(kù)混凝土面板堆石壩的參數(shù)反演依據(jù)鄧肯E-B模型進(jìn)行Biot固結(jié)理論的有限元計(jì)算，建立的有限元模型如下圖(圖2)所示。相關(guān)于壩體內(nèi)部沉降位移的堆石料物理力學(xué)參數(shù)的主要參數(shù)有7個(gè)(除去凝聚力c)，分別為：內(nèi)摩擦角φ、破壞比Rf、切線模量基數(shù)K、切線模量指數(shù)n、體積模量Kb、模量指數(shù)m，卸荷彈性模量Kur。如果對(duì)全部的參數(shù)都進(jìn)行反演，則其工作量十分巨大。通過(guò)分析，大橋水庫(kù)鄧肯E-B模型的參數(shù)的Kb、m、φ對(duì)壩體的沉降位移影響較大，而參數(shù)n、Rf、K、Kur相對(duì)于沉降位移的敏感性較弱。由于本文篇幅有限，選取Kb、m兩個(gè)參數(shù)來(lái)進(jìn)行堆石壩主堆石區(qū)的參數(shù)反演。

圖2 大橋水庫(kù)混凝土面板堆石壩有限元模型

3.2 有限元計(jì)算值的擬定

本次參數(shù)反演的基本思路是假設(shè)帶反演的鄧肯E-B模型非線性參數(shù)，并作為變量進(jìn)行固結(jié)才沉降位移的有限元數(shù)值分析，求得計(jì)算位移δij，將此值與對(duì)應(yīng)的觀測(cè)值進(jìn)行擬合，滿足下列目標(biāo)函數(shù)：

(1)

式中：m為斷面的觀測(cè)點(diǎn)數(shù)。

在各參數(shù)的取值范圍作等距劃分，從第一個(gè)變量開始搜索，使目標(biāo)函數(shù)值在變化的過(guò)程中達(dá)到最小，搜索出第一個(gè)變量的相對(duì)最優(yōu)解，隨即固定該變量。如此依次對(duì)每個(gè)變量進(jìn)行單獨(dú)搜索，將各參數(shù)的最優(yōu)解進(jìn)行組合，即可得到一組最優(yōu)的參數(shù)值[53、54]。所選取的大橋水庫(kù)主壩的堆石料敏感性參數(shù)Kb和m中，Kb的敏感性程度遠(yuǎn)高于m，因此選擇體積模量Kb作為第一個(gè)變量，模量指數(shù)m作為第二個(gè)變量。

3.3 參數(shù)反演結(jié)果

3.3.1 2000年6月

大橋水庫(kù)的壩體內(nèi)部沉降位移原型觀測(cè)資料較為完整，本次使用的觀測(cè)數(shù)據(jù)從2000年到2008年，2000年6月水庫(kù)第一次蓄水達(dá)到正常蓄水位且開始持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，因此將2000年6月內(nèi)部測(cè)點(diǎn)沉降位移觀測(cè)值作為基礎(chǔ)，此時(shí)的面板堆石壩主堆石區(qū)的模型參數(shù)值作為參數(shù)反演的基準(zhǔn)。此時(shí)模型的參數(shù)詳見(jiàn)表1、表2。

表1 2000年6月大橋水庫(kù)面板堆石壩鄧肯E-B模型參數(shù)表

表2 大橋水庫(kù)面板堆石壩模型線彈性材料參數(shù)表

3.3.2 2001年5月～2004年5月

影響堆石體變形的因素主要有庫(kù)水位分量、時(shí)效分量、溫度分量和其他分量。研究分析所采用的有限元程序可以直接通過(guò)加載流體荷載的程序模塊考慮水位分量對(duì)沉降位移變化的影響，但時(shí)效分量和其他分量無(wú)法通過(guò)程序模塊反映。因此在本次參數(shù)反演的過(guò)程中，通過(guò)參數(shù)的變化進(jìn)行考慮。通過(guò)有限元計(jì)算，經(jīng)過(guò)一定的庫(kù)水位變化，當(dāng)水位在2001年5月的水平下，各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值均有較大差異，說(shuō)明在2001年5月，面板堆石壩主堆石區(qū)堆石料的材料物理力學(xué)參數(shù)發(fā)了變化。以此類推，得到2001年5月～2004年5月的參數(shù)值，見(jiàn)表3和圖3所示。

表3 大橋水庫(kù)面板堆石壩參數(shù)反演結(jié)果表

圖3 大橋水庫(kù)面板堆石壩參數(shù)Kb變化散點(diǎn)圖

3.4 反演結(jié)果合理性分析

為檢驗(yàn)預(yù)測(cè)結(jié)果的正確性，以2004年5月的參數(shù)反演結(jié)果為基準(zhǔn)，預(yù)測(cè)2005年，2006年，2007年3年的參數(shù)Kb變化的預(yù)測(cè)值。預(yù)測(cè)值與觀測(cè)資料可以直接進(jìn)行比較，從而判斷參數(shù)預(yù)測(cè)的正確性。以觀測(cè)點(diǎn)SG1-2為例，沉降預(yù)測(cè)值如表4所示。

表4 觀測(cè)點(diǎn)SG1-2沉降值預(yù)測(cè)結(jié)果表

對(duì)其他測(cè)點(diǎn)依次進(jìn)行分析，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的沉降位移預(yù)測(cè)值與沉降位移觀測(cè)值十分相近，可以認(rèn)為此次關(guān)于參數(shù)值的預(yù)測(cè)是相對(duì)準(zhǔn)確的，進(jìn)而可以認(rèn)為大橋水庫(kù)混凝土面板堆石壩的非線性鄧肯E-B模型的有限元參數(shù)反演是合理可信的。

4 結(jié)語(yǔ)

本次分析依據(jù)所建立的大橋水庫(kù)混凝土面板堆石壩的有限元模型，對(duì)參數(shù)體積模量Kb、模量指數(shù)m進(jìn)行了參數(shù)變化的反演分析。大壩主堆石區(qū)的這兩項(xiàng)參數(shù)值隨著水庫(kù)蓄水時(shí)間的增長(zhǎng)均出現(xiàn)了下降的情況。參數(shù)Kb隨沉降位移的逐年增大而逐年減小，其減小的變化速率與沉降位移增大的變化速率趨勢(shì)相同；參數(shù)m的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于參數(shù)Kb，基本呈現(xiàn)階梯式的變化規(guī)律。這樣的變化規(guī)律的得出，彌補(bǔ)了在工程實(shí)踐中不能經(jīng)常性的進(jìn)行地質(zhì)勘測(cè)和試驗(yàn)的缺陷。

由于本文只反演了參數(shù)在相對(duì)應(yīng)時(shí)間的變化值，得到參數(shù)變化值的散點(diǎn)圖，不能得出對(duì)于堆石料的物理學(xué)參數(shù)在相應(yīng)的時(shí)間間隔內(nèi)存在連續(xù)且不斷的變化結(jié)論，這方面有待進(jìn)一步研究。從大壩內(nèi)部沉降的原始觀測(cè)資料來(lái)看，2008年5月后，各測(cè)點(diǎn)的內(nèi)部沉降觀測(cè)值均發(fā)生了突然減小，中斷了大壩原來(lái)的內(nèi)部沉降率逐年減小的變化規(guī)律。在大地震后參數(shù)是否受到地震動(dòng)力學(xué)的影響而遵循反演的參數(shù)變化規(guī)律，仍有待更進(jìn)一步的研究。

TV641

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1004-1184(2017)06-0104-02

2017-08-14

雷蕾(1987-)，女，陜西西安人，工程師，主要從事水利工程設(shè)計(jì)工作。