方 晗，陶興陽(yáng)

(華能瀾滄江水電股份有限公司,云南 大理 672700)

1 工程概況及揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)布置情況

GGQ 水電站于云南省大理市，為二等大（2）型工程，電站樞紐工程由擋水建筑物、河床壩身泄洪建筑物、右岸地下引水發(fā)電系統(tǒng)組成。擋水、泄洪、引水及發(fā)電等永久性主要建筑物為2 級(jí)建筑物，次要建筑物為3 級(jí)建筑物。壩體類(lèi)型為碾壓混凝土重力壩，最大壩高105.0 m，壩體從左到右分為17 個(gè)壩段。共設(shè)5 個(gè)溢流表孔，布置在8 號(hào)～12 號(hào)壩段，有1 個(gè)泄洪底孔，設(shè)置在13 號(hào)壩段，剩余1 號(hào)～7 號(hào)、14 號(hào)～17 號(hào)壩段分別為左岸、右岸非溢流壩段。

鉆孔布置測(cè)壓管用于壩基揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)，測(cè)壓管鉆入基巖深度1 m。將滲壓計(jì)安裝在測(cè)壓管中，并連接至安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)，同時(shí)在廊道內(nèi)安裝壓力表用于人工讀數(shù)。沿壩軸線(xiàn)方向自上游至下游分別設(shè)置了第一排基礎(chǔ)灌漿廊道、第二排縱向排水廊道、第四排排水廊道3 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，各斷面上每個(gè)壩段有一個(gè)測(cè)點(diǎn)。垂直壩軸線(xiàn)方向選取了3 個(gè)典型壩段作為監(jiān)測(cè)斷面，包括5 號(hào)壩段、8 號(hào)壩段和14 號(hào)壩段中線(xiàn)，各個(gè)斷面從上游帷幕前開(kāi)始沿線(xiàn)布置測(cè)壓管或滲壓計(jì)。

2 監(jiān)測(cè)成果定性分析

（1）首先繪制每個(gè)揚(yáng)壓力測(cè)點(diǎn)的測(cè)值過(guò)程線(xiàn)，從圖中可以清楚地看到第一排基礎(chǔ)灌漿廊道內(nèi)揚(yáng)壓力測(cè)孔水位主要受上游水位變化影響，第四排排水廊道內(nèi)揚(yáng)壓力測(cè)孔水位主要受下游水位變化影響。兩排廊道內(nèi)揚(yáng)壓力測(cè)值都隨著水位升高而增大，水位下降而減小，呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，但也有一滯后過(guò)程。

（2）為分析上游主帷幕的防滲效果，計(jì)算2018 年6 月16日第一排基礎(chǔ)灌漿廊道上各測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)揚(yáng)壓力系數(shù)見(jiàn)表1。除了位于6 號(hào)壩段的UP09 外，第一排基礎(chǔ)灌漿廊道內(nèi)的測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)揚(yáng)壓力系數(shù)為0.01～0.17，均小于設(shè)計(jì)折減系數(shù)0.2，由此可以推斷出大壩主防滲帷幕起到了良好的防滲作用，有效保障了大壩安全，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)預(yù)期效果。

表1 第一排基礎(chǔ)灌漿廊道揚(yáng)壓力折減系數(shù)表

（3）第一排基礎(chǔ)灌漿廊道內(nèi)6 號(hào)壩段UP09 測(cè)點(diǎn)的揚(yáng)壓力折減系數(shù)為0.3，顯著高于第一排廊道位置設(shè)計(jì)揚(yáng)壓力折減系數(shù)0.2。經(jīng)查閱地質(zhì)資料，F(xiàn)25 斷層通過(guò)該點(diǎn)位置，雖然斷層已經(jīng)過(guò)處理，但該測(cè)點(diǎn)可能正好位于破碎裂隙位置，導(dǎo)致?lián)P壓力測(cè)值偏高。經(jīng)與同斷面及附近測(cè)孔水位比較，可判斷屬于個(gè)別現(xiàn)象，不影響整個(gè)主帷幕防滲效果。現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)距該點(diǎn)0.5 m有一個(gè)壩基排水孔，孔口無(wú)水，也能夠佐證這一點(diǎn)。

（4）8 號(hào)壩段為最大壩高壩段，選取該壩段橫向監(jiān)測(cè)斷面上從上游至下游的4 個(gè)揚(yáng)壓力測(cè)點(diǎn)，分別計(jì)算其換算水位見(jiàn)表2。由于下游水位較高，加上第四排排水廊道與上游防滲帷幕距離較遠(yuǎn)，因此第四排排水廊道內(nèi)揚(yáng)壓力測(cè)孔水位受下游水位影響較大，說(shuō)明設(shè)置下游帷幕是必要的。經(jīng)計(jì)算，雖然UP39 測(cè)孔水位相對(duì)較高，但殘余揚(yáng)壓力系數(shù)也未超出設(shè)計(jì)值0.5，不影響壩基安全。

表2 8 號(hào)壩段揚(yáng)壓力測(cè)孔水位表

3 監(jiān)測(cè)成果定量分析

3.1 統(tǒng)計(jì)模型

使用逐步回歸分析法[1]，利用揚(yáng)壓力測(cè)孔水位主要受上下游水位、溫度、時(shí)效影響的原理，根據(jù)統(tǒng)計(jì)模型公式建立了46個(gè)壩基揚(yáng)壓力測(cè)點(diǎn)的回歸模型。

式中：a0、a1、a2、b1i、b2i、c1、c2為回歸系數(shù)；Hu、hd為分別為對(duì)應(yīng)日期的上游水深、下游水深；Hu0、hd0為分別為初始監(jiān)測(cè)日上游水深、下游水深。t 為監(jiān)測(cè)日至始測(cè)日的累計(jì)天數(shù)；t0為計(jì)算時(shí)段起測(cè)日至始測(cè)日之間的累計(jì)天數(shù)；θ 為監(jiān)測(cè)日至測(cè)點(diǎn)始測(cè)日的累計(jì)天數(shù)除以100；θ0為建模起始日至始測(cè)日的累計(jì)天數(shù)除以100。

用于評(píng)估回歸方程的有效性和精度的常用指標(biāo)有復(fù)相關(guān)系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差等[2]，因此，統(tǒng)計(jì)計(jì)算各測(cè)點(diǎn)數(shù)學(xué)模型回歸方程的復(fù)相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表3。可以看出，46 個(gè)測(cè)點(diǎn)中復(fù)相關(guān)系數(shù)大于0.8 的共有29 個(gè)測(cè)點(diǎn)，且最小復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.68。結(jié)果表明，該統(tǒng)計(jì)模型具有較高的精度，可用于揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的定量分析。

表3 揚(yáng)壓力測(cè)點(diǎn)回歸模型復(fù)相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)表

圖1 UP06 實(shí)測(cè)擬合對(duì)比曲線(xiàn)圖

3.2 影響因素分析

為了掌握上下游水位、溫度和時(shí)效等各種因素對(duì)壩基揚(yáng)壓力測(cè)孔水位的影響，選擇典型年份（2014 年）的數(shù)據(jù)，計(jì)算和分析統(tǒng)計(jì)模型中各個(gè)組成部分的變化值占總變化量的比例。

除UP2 外，其他壩基揚(yáng)壓力測(cè)點(diǎn)數(shù)學(xué)模型均選中上下游水位分量，且其占比最高，說(shuō)明上下游水位分量對(duì)壩基揚(yáng)壓力變化影響最大。在2014 年揚(yáng)壓力總變化量中，UP03、UP25、UP36、UP38、UP40、UP41 等測(cè)點(diǎn)上下游水位分量占揚(yáng)壓力變化量的44.41%～73.19%，其他測(cè)點(diǎn)的上下游水位分量占揚(yáng)壓力變化量的8.39%～37.46%。

在大多數(shù)揚(yáng)壓力測(cè)點(diǎn)數(shù)學(xué)模型中，溫度分量占比居中，表明其對(duì)揚(yáng)壓力變化有著明顯的影響。在2014 年揚(yáng)壓力總變化量中，UP11、UP25、UP27、UP29、UP36、UP38、UP40 等測(cè)點(diǎn)溫度分量占揚(yáng)壓力變化量的7.15%～29.47%，其他測(cè)壓管溫度分量占揚(yáng)壓力變化量的31.58%～86.28%。

各揚(yáng)壓力測(cè)點(diǎn)數(shù)學(xué)模型均選中了時(shí)效分量，但其比例反映出時(shí)效分量對(duì)該重力壩壩基揚(yáng)壓力變化影響最小。在2014年揚(yáng)壓力總變化量中，UP13、UP26、UP27、UP33、UP37 等測(cè)點(diǎn)時(shí)效分量占揚(yáng)壓力變化量的47.45%～66.24%，剩余測(cè)壓管時(shí)效分量占比相對(duì)較低，占揚(yáng)壓力變化量的2.21%～38.46%。

經(jīng)分析，在影響該重力壩壩基揚(yáng)壓力變化的3 個(gè)因素中，上下游水位分量影響最大，溫度分量居中，時(shí)效分量影響最小。由于該電站為日調(diào)節(jié)水庫(kù)，影響最大的上下游水位全年變化不大，溫度也保持比較穩(wěn)定的周期性變化，而可能變化較大的時(shí)效分量則影響最小，因此可初步推斷該重力壩壩基揚(yáng)壓力總體不會(huì)有太大的變化。

4 安全監(jiān)控指標(biāo)

4.1 安全監(jiān)控指標(biāo)制定方法

除了根據(jù)設(shè)計(jì)階段各類(lèi)計(jì)算成果提出的設(shè)計(jì)監(jiān)控指標(biāo)外，大壩運(yùn)行期還需要根據(jù)安全監(jiān)測(cè)資料的積累情況適時(shí)提出運(yùn)行期監(jiān)控指標(biāo)。運(yùn)行期監(jiān)控指標(biāo)一般可以通過(guò)綜合比較法、置信區(qū)間估計(jì)法、典型效應(yīng)量小概率法、結(jié)構(gòu)計(jì)算法和可能不利荷載組合法來(lái)制定。根據(jù)該重力壩的特點(diǎn)和實(shí)際情況，采用置信區(qū)間估計(jì)法和典型效應(yīng)量小概率法來(lái)制定安全監(jiān)控指標(biāo)。

（1）置信區(qū)間估計(jì)法

置信區(qū)間估計(jì)法首先需要建立揚(yáng)壓力測(cè)點(diǎn)的數(shù)學(xué)模型，然后使用數(shù)學(xué)模型的結(jié)果計(jì)算監(jiān)測(cè)效應(yīng)量（E^）與實(shí)測(cè)值E 的差值（E^-E）。該值有100（1-α）%的概率落在置信帶Δ=±iS 范圍之內(nèi)，而且測(cè)值過(guò)程沒(méi)有出現(xiàn)明顯的趨勢(shì)性變化，則可以認(rèn)為運(yùn)行時(shí)正常的，反之是異常的[3]。

根據(jù)該重力壩具體情況，參考其他同壩型、同規(guī)模工程經(jīng)驗(yàn)，取顯著性水平α 為5%，此時(shí)i 取值1.96，即Δ=±1.96S。此時(shí)，判別標(biāo)準(zhǔn)為：

①當(dāng)（E^-E）＜1.96S，且測(cè)值過(guò)程沒(méi)有出現(xiàn)明顯的趨勢(shì)性變化時(shí)，可認(rèn)為該測(cè)點(diǎn)測(cè)值正?；虬踩?。

②當(dāng)（E^-E）≥1.96S 時(shí)，測(cè)值異常。

因此，相應(yīng)監(jiān)測(cè)效應(yīng)量的監(jiān)控指標(biāo)為：Em=E^±1.96S。

（2）典型效應(yīng)量小概率法

根據(jù)工程具體情況，從壩基揚(yáng)壓力的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)資料中，選擇在不利荷載組合時(shí)的監(jiān)測(cè)效應(yīng)量Xmi，Xmi則為隨機(jī)變量，由長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以獲得一個(gè)子樣數(shù)為n 的樣本空間：

根據(jù)下式計(jì)算其平均值和標(biāo)準(zhǔn)差：

然后，用小樣本統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，進(jìn)行分布檢驗(yàn)，以確定其概率密度f(wàn)(x)的分布函數(shù)F(x)(如正態(tài)分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布以及極值I 型分布等)[4]。

假設(shè)Xm為監(jiān)測(cè)效應(yīng)量的極值，因此當(dāng)X＞Xm時(shí)，大壩將要出現(xiàn)異?；螂U(xiǎn)情，由分布函數(shù)可以計(jì)算出X＞Xm的概率為：

參考其他同壩型、同規(guī)模工程經(jīng)驗(yàn)取失事概率Pα為5%，可由Xm的分布函數(shù)直接求出Xm=F-1（x，σx，α）。

4.2 安全監(jiān)控指標(biāo)確定原則

首先根據(jù)工程主副防滲帷幕及排水孔的布置形式，按照規(guī)范及設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)，計(jì)算出揚(yáng)壓力測(cè)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)計(jì)算值。然后，根據(jù)置信區(qū)間估計(jì)法、典型效應(yīng)量小概率法，分別計(jì)算揚(yáng)壓力測(cè)點(diǎn)監(jiān)控指標(biāo)，同時(shí)統(tǒng)計(jì)各測(cè)點(diǎn)的歷史極值，將以上計(jì)算結(jié)果和統(tǒng)計(jì)值與結(jié)構(gòu)計(jì)算值比較。當(dāng)以上數(shù)值沒(méi)有超過(guò)結(jié)構(gòu)計(jì)算值時(shí)，取以上數(shù)值中的極值為安全監(jiān)控指標(biāo)。當(dāng)以上數(shù)值超過(guò)結(jié)構(gòu)計(jì)算值時(shí)，取結(jié)構(gòu)計(jì)算值為安全監(jiān)控指標(biāo)。

4.3 揚(yáng)壓力安全監(jiān)控指標(biāo)

首先對(duì)各揚(yáng)壓力測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)判，在此基礎(chǔ)上選擇UP 08、UP11、UP17、UP25、UP26、UP27、UP33、UP39、UP41、UP46 共9 個(gè)揚(yáng)壓力測(cè)點(diǎn)制定安全監(jiān)控指標(biāo)。接著根據(jù)上述制定方法和確定原則，計(jì)算制定揚(yáng)壓力測(cè)點(diǎn)安全監(jiān)控指標(biāo)，詳見(jiàn)表4。

表4 揚(yáng)壓力測(cè)點(diǎn)安全監(jiān)控指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表（單位：kPa）

由于該重力壩揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)手段有滲壓計(jì)和壓力表兩種，其中滲壓計(jì)測(cè)值為負(fù)值時(shí)表示有壓，因此選擇最小值作為不利值，計(jì)算最小值作為安全監(jiān)控指標(biāo)；而壓力表測(cè)值為正值時(shí)表示有壓，因此選擇最大值作為不利值，計(jì)算最大值作為安全監(jiān)控指標(biāo)。

揚(yáng)壓力測(cè)點(diǎn)UP25 置信區(qū)間估計(jì)法、典型效應(yīng)量小概率法計(jì)算結(jié)果以及歷史極值都未超過(guò)結(jié)構(gòu)計(jì)算值，因此將選擇計(jì)算結(jié)果和歷史極值中的最小值作為安全監(jiān)控指標(biāo)。但由于UP25揚(yáng)壓力測(cè)點(diǎn)的數(shù)學(xué)模型復(fù)相關(guān)系數(shù)R＜0.8，置信區(qū)間與測(cè)值區(qū)間比例大于50%，因此置信區(qū)間估計(jì)法計(jì)算結(jié)果不作為監(jiān)控指標(biāo)依據(jù)，最終選用典型效應(yīng)量小概率法計(jì)算結(jié)果作為UP25 測(cè)點(diǎn)安全監(jiān)控指標(biāo)。

當(dāng)上述測(cè)點(diǎn)測(cè)值接近或超過(guò)安全監(jiān)控指標(biāo)時(shí)，應(yīng)立即進(jìn)行測(cè)值復(fù)測(cè)，增加觀測(cè)頻次，關(guān)注測(cè)值變化。如測(cè)值出現(xiàn)趨勢(shì)性變化，應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和評(píng)估，必要時(shí)進(jìn)行壩體滲流穩(wěn)定復(fù)核結(jié)構(gòu)計(jì)算，提出大壩運(yùn)行控制要求。

5 結(jié)語(yǔ)

為充分運(yùn)用GGQ 水電站重力壩壩基揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)成果對(duì)大壩安全進(jìn)行評(píng)估，定性分析了壩基揚(yáng)壓力的分布規(guī)律、UP09 揚(yáng)壓力系數(shù)偏高的原因，同時(shí)建立了壩基揚(yáng)壓力統(tǒng)計(jì)模型進(jìn)行定量分析，得出了該重力壩壩基揚(yáng)壓力主要受上下游水位影響、主帷幕防滲效果良好、UP09 測(cè)值偏高不影響大壩安全等結(jié)論，最后通過(guò)置信區(qū)間估計(jì)法、典型效應(yīng)量小概率法，制定了揚(yáng)壓力安全監(jiān)控指標(biāo)，為大壩運(yùn)行期間的揚(yáng)壓力安全監(jiān)測(cè)提供了科學(xué)依據(jù)。