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        某混凝土拱壩異常變形規(guī)律原因初探

        2018-12-20 09:20:30李端有
        水力發(fā)電 2018年9期
        關(guān)鍵詞:變形模型

        胡 蕾,馬 琨,李端有,李 波

        (長(zhǎng)江科學(xué)院水利部水工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心,湖北武漢430010)

        某混凝土雙曲拱壩壩頂高程610 m,最大壩高285.5 m,正常蓄水位600 m,自2013年5月4日開始蓄水。一般情況下,蓄水之后壩體將傾向下游變形,但該混凝土拱壩壩體卻出現(xiàn)較為明顯的傾向上游的變形。為了探究這一異?,F(xiàn)象的原因,本文擬通過(guò)建立大壩變形監(jiān)控模型,將變形效應(yīng)量按照成因分解為多個(gè)分量,從而明確各影響因素的作用效果及其與變形效應(yīng)量之間的關(guān)聯(lián)程度。

        大壩變形監(jiān)控模型按常規(guī)僅考慮水壓和溫度的影響,雖另外分解出時(shí)效變形分量,但時(shí)效因子的選取也通常是為了反映時(shí)效變形“初期增長(zhǎng)較快、后期漸趨穩(wěn)定”的一般規(guī)律性,主要憑借經(jīng)驗(yàn)選取[1]。然而,除上述影響因素之外,本文所研究的混凝土拱壩還存在一個(gè)值得注意的問(wèn)題,即該混凝土拱壩在壩址上下游側(cè)均觀測(cè)到了顯著的谷幅收縮變形,自蓄水以來(lái)持續(xù)增大,該谷幅收縮現(xiàn)象是否是造成前述大壩指向上游的異常變形的主要原因,其所占多大比重是值得澄清的,因此在建立監(jiān)控模型探索異常變形的驅(qū)動(dòng)機(jī)制時(shí),理應(yīng)考慮谷幅收縮對(duì)壩體變形的影響。

        1 問(wèn)題的描述

        圖1為混凝土拱壩拱冠梁15號(hào)壩段各高程徑向位移,圖2~3為河床16號(hào)壩段應(yīng)力分布。為便于分析,大壩563.25 m高程以下的位移監(jiān)測(cè)成果統(tǒng)一取蓄水開始時(shí)間2013年5月4日為基準(zhǔn)時(shí)間,由于壩頂高程垂線測(cè)點(diǎn)于2014年7月4日安裝,該高程位移監(jiān)測(cè)成果統(tǒng)一取2014年7月4日為基準(zhǔn)時(shí)間。

        圖1 拱冠梁15號(hào)壩段各高程徑向位移

        圖2 河床16號(hào)壩段應(yīng)力分布

        圖3 上游庫(kù)區(qū)722 m高程谷幅收縮變形過(guò)程

        由圖1可知,無(wú)論庫(kù)水位高低,大壩整體均呈現(xiàn)為傾向上游的變形,在低水位時(shí)尤為明顯。由圖2可知,壩踵垂直向壓應(yīng)力較大,大于壩趾的壓應(yīng)力;切向應(yīng)力均表現(xiàn)為壓應(yīng)力,但河床壩段上游面切向壓應(yīng)力小于下游面切向壓應(yīng)力。上述應(yīng)力分布規(guī)律與壩體傾向上游的變形是相互對(duì)應(yīng)的。另外,自蓄水以來(lái),該混凝土拱壩在壩址上下游均觀測(cè)到了顯著的谷幅收縮變形,并且自蓄水以來(lái)持續(xù)增大,至2017年2月最大谷幅收縮變形已接近80 mm,如圖3所示。實(shí)際上,谷幅收縮是目前我國(guó)高拱壩普遍面臨的問(wèn)題,已建成的李家峽拱壩、錦屏一級(jí)拱壩等工程都出現(xiàn)了谷幅收縮變形[2- 4]。國(guó)內(nèi)相關(guān)研究雖然對(duì)高拱壩谷幅收縮變形成因進(jìn)行了初步探討,但很少關(guān)注谷幅收縮變形對(duì)大壩結(jié)構(gòu)受力的影響[5]。文獻(xiàn)[6]的研究已確認(rèn)了該混凝土拱壩在初次蓄水期間存在壩肩向河谷中心變位的趨勢(shì),那么該變位趨勢(shì)與壩體異常變形之間是否存在關(guān)聯(lián),影響程度如何是值得探討的問(wèn)題,為了澄清這一問(wèn)題,本文所建立的監(jiān)控模型在考慮水壓和溫度影響的同時(shí),擬引入合適的因子形式描述谷幅收縮變形,從而探尋各環(huán)境量與壩體異常變形之間的關(guān)聯(lián)。

        2 考慮谷幅收縮變形影響的預(yù)置時(shí)效因子

        該混凝土拱壩壩址上下游谷幅監(jiān)測(cè)各測(cè)點(diǎn)的變化規(guī)律相似,以上游722 m高程谷幅為例,以時(shí)間t(監(jiān)測(cè)日期—基準(zhǔn)日期2013年5月4日)為自變量對(duì)谷幅收縮量進(jìn)行擬合,得到谷幅收縮量y與時(shí)間t之間的關(guān)系為y=0.000 03t2-0.094 6t-2.490 2,過(guò)程線如圖4所示。

        圖4 上游庫(kù)區(qū)高程722 m谷幅收縮變形

        模型時(shí)間實(shí)測(cè)值/mm擬合值/mm常數(shù)項(xiàng)水壓分量/mm溫度分量/mm時(shí)效分量/mm復(fù)相關(guān)系數(shù)模型一2014年9月28日19.2417.39-147.511191.54-2.23-24.410.942模型二2014年9月28日19.2417.882015年6月15日-20.44-21.002015年10月19日5.114.702016年5月26日-26.41-27.102016年10月8日-1.54-1.21-1.50352.96-2.77-30.8121.380.10-40.9753.17-2.39-44.5822.221.00-48.8253.02-2.61-50.120.976

        從圖4可見(jiàn),谷幅收縮變形曲線自蓄水以來(lái)呈拋物線形狀變化,假定谷幅收縮與其引起的壩體變形之間線性相關(guān),則谷幅收縮引起的壩體變形為

        (1)

        3 建模結(jié)果

        (2)

        (3)

        采用逐步回歸方法得到各分量的回歸系數(shù)和回歸常數(shù),模型一和模型二的建模結(jié)果分別見(jiàn)式(4)、(5)。

        (4)

        (5)

        表1列出了模型一和模型二建模結(jié)果,圖5為模型二各變形分量的過(guò)程線。

        圖5 模型二各變形分量

        4 模型合理性分析

        由表1可知,雖然兩個(gè)模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)均較高,但模型一的回歸常數(shù)項(xiàng)較大,遠(yuǎn)大于測(cè)值。根據(jù)統(tǒng)計(jì)理論,如果統(tǒng)計(jì)模型真實(shí)反映了所有環(huán)境量對(duì)變形的實(shí)際影響,則合理的回歸方程常數(shù)項(xiàng)應(yīng)很小,接近于0。

        若統(tǒng)計(jì)模型無(wú)法真實(shí)地反映環(huán)境量對(duì)觀測(cè)物理量的影響,可能有兩個(gè)原因:①由于外界的干擾或被觀測(cè)對(duì)象發(fā)生了變化,導(dǎo)致環(huán)境量與觀測(cè)物理量之間的固有關(guān)系發(fā)生了變化,此時(shí)應(yīng)分時(shí)段或分對(duì)象建立多個(gè)監(jiān)控模型;②被觀測(cè)對(duì)象未發(fā)生變化且處于相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境中,但回歸分析時(shí)環(huán)境變量的描述不合理。

        對(duì)于本案例中的監(jiān)控模型,常數(shù)項(xiàng)的大小主要取決于環(huán)境變量的描述是否合理。在所有環(huán)境變量中,水壓分量和溫度分量的描述因子已經(jīng)經(jīng)過(guò)大量理論分析和實(shí)踐檢驗(yàn),可以認(rèn)為基本是合理的,而時(shí)效因子的選取主要憑借經(jīng)驗(yàn),由不合理的時(shí)效因子形式所描述的時(shí)效分量必然難以反映壩體實(shí)際的時(shí)效變形,回歸方程存在誤差,誤差只能以常數(shù)項(xiàng)的形式反映在回歸方程中,表現(xiàn)形式就是常數(shù)項(xiàng)絕對(duì)值較大。

        因此,當(dāng)監(jiān)控模型回歸方程中的常數(shù)項(xiàng)較大時(shí),應(yīng)對(duì)預(yù)置時(shí)效因子進(jìn)行優(yōu)化,模型二中的回歸常數(shù)項(xiàng)較小,也證明了考慮谷幅收縮影響的預(yù)置時(shí)效因子較為合理,以此建立的監(jiān)控模型質(zhì)量較高。

        5 環(huán)境量對(duì)壩體變形的影響

        由于模型二的建模質(zhì)量較高,結(jié)果較為合理,因此基于模型二分析各環(huán)境量對(duì)壩體變形的影響。

        由圖5a可知,溫度變形分量較小,這與運(yùn)行期混凝土的溫度較為穩(wěn)定,僅隨氣溫變化有小幅波動(dòng)的客觀規(guī)律是吻合的。

        壩體變形主要由水壓分量和時(shí)效分量組成,由圖5b可知,水壓變形分量自蓄水以來(lái)均指向下游,說(shuō)明盡管作用于河床庫(kù)基巖體的庫(kù)盆水壓力使得壩體有向上游變形的趨勢(shì),但與壩面水壓力的作用疊加后,水壓荷載的綜合作用效果是使壩體傾向下游變形,僅因水位抬升消落變化而使水壓變形分量的大小存在波動(dòng)。

        由圖5c可知,在時(shí)效因子中考慮了谷幅收縮的影響后,時(shí)效變形分量指向上游,自蓄水以來(lái)持續(xù)增大,當(dāng)其大于水壓變形分量時(shí),壩體則表現(xiàn)為傾向上游變形,由此基本可以解釋大壩指向上游的異常變形現(xiàn)象。

        上述分析表明,在谷幅持續(xù)收縮的條件下,兩岸壩肩巖體擠壓拱壩壩體,這很可能是壩體傾向上游變形的主要原因。

        6 結(jié) 論

        為解釋某混凝土拱壩在蓄水后壩體傾向上游變形的原因,本文采用逐步回歸方法,引入考慮谷幅收縮變形影響的預(yù)置時(shí)效因子建立壩體變形監(jiān)控模型,結(jié)果表明:

        (1)考慮谷幅收縮影響的預(yù)置時(shí)效因子可以較為真實(shí)的反映環(huán)境量對(duì)監(jiān)測(cè)物理量的影響,據(jù)此建立的監(jiān)控模型也較為合理。

        (2)進(jìn)入運(yùn)行期后,溫度作用對(duì)壩體變形的影響較小,水壓荷載的作用效果是使得壩體傾向下游變形,在谷幅持續(xù)收縮的條件下,拱壩壩體受到了兩岸壩肩巖體對(duì)其顯著的擠壓作用,這很可能是壩體傾向上游變形的主要驅(qū)動(dòng)力。

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