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。