郭修云

(西藏自治區(qū)拉洛水利樞紐及灌區(qū)管理局，西藏 拉薩 851414)

1 工程概況

拉洛水利樞紐位于西藏自治區(qū)日喀則市西部薩迦縣的夏布曲干流，是一座以灌溉為主，兼有供水、發(fā)電、防洪等綜合功能的大型水利控制性工程。水庫正常蓄水位為4 298.00 m，總庫容2.965億m3，控制流域面積3 366 km2[1]。

樞紐工程由瀝青混凝土心墻礫石壩、泄洪洞、溢洪道、發(fā)電廠房、魚道、德羅引水發(fā)電系統(tǒng)組成，其中泄洪洞布置于大壩右岸，集施工期導(dǎo)流、運行期泄洪、發(fā)電引水、水庫放空等功能于一體，屬于多功能隧洞。多功能泄洪洞是水利水電行業(yè)的研究重點之一，其可以有效降低工程投資，目前國內(nèi)外雖有實際應(yīng)用，但泄洪洞大多是利用原有導(dǎo)流洞改建而成[2-3]。拉洛水電站泄洪洞于2015年5月施工，2016年9月完工，2017年完成襯砌澆筑，是國內(nèi)首個一次建成的多功能隧洞[4]，投入運行至今已5年多，通過對泄洪洞全過程監(jiān)測，采集了大量變形、應(yīng)力、滲流等原始監(jiān)測數(shù)據(jù)。本文對前期收集到的泄洪洞監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析，對泄洪洞的工程質(zhì)量做出評價，給同類工程資料分析提供借鑒，同時基于最大熵理論提出重點監(jiān)測項目安全指標(biāo)，為拉洛水電站泄洪洞的未來監(jiān)測提供可靠依據(jù)，以保證該工程的安全性與耐久性。

2 地質(zhì)情況與監(jiān)測布置

拉洛水電站泄洪洞位于大壩右岸，進(jìn)口距壩軸線上游約240 m。泄洪洞為2級建筑物，橫斷面為圓形，洞徑5.4 m，長576 m；進(jìn)口底板高程4 265 m，出口底板高程4 255 m。隧洞圍巖為三疊系涅如組板巖，巖體完整微風(fēng)化。巖體透水性隨深度增加而減小，在承壓水出現(xiàn)孔段，巖體透水性增強。泄洪洞的主要不利地質(zhì)因素有隧洞多處存在層間擠壓破碎帶，破碎帶寬0.40～4.20 m不等。洞身滲水點較多，多為勘探孔揭露承壓水。

為監(jiān)測和反饋控制泄洪洞的安全運行，隧洞內(nèi)共布設(shè)5個永久監(jiān)測斷面，分別為1-1斷面(X0+18.00)、2-2斷面(X0+235.00)、3-3斷面(X0+302.02)、4-4斷面(X0+339.01)、5-5斷面(X0+560.98)。每個監(jiān)測斷面分別埋設(shè)3套多點位移計、3支錨桿應(yīng)力計和2支測縫計，另在1-1斷面、3-3斷面各布置2支滲壓計，用于監(jiān)測泄洪洞圍巖內(nèi)部變形、支護(hù)結(jié)構(gòu)錨桿應(yīng)力、接縫開度及滲透壓力情況。目前，各監(jiān)測儀器運行正常，監(jiān)測頻次滿足規(guī)范要求。泄洪洞斷面布置見圖1，典型斷面1-1監(jiān)測儀器布置如圖2所示。

圖1 拉洛水電站泄洪洞斷面布置示意

圖2 泄洪洞典型監(jiān)測斷面(1-1斷面)儀器布置

3 誤差剔除及異常值修正

測點在收集或傳送數(shù)據(jù)過程中可能會由于人為失誤、外界干擾或系統(tǒng)故障等原因，造成數(shù)據(jù)序列存在一定缺失或者數(shù)據(jù)存在離群尖點(毛刺粗差)、“臺階狀”突變等異?，F(xiàn)象，故在對監(jiān)測數(shù)據(jù)分析之前需要對這些原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，通過對缺失或異常數(shù)據(jù)的處理，以保證數(shù)據(jù)的完整性、可靠性和一致性。

3.1 異常值修正

異常值處理主要用于剔除因各種原因?qū)е落浫脲e誤以及不合常理的數(shù)據(jù)，通常按缺失值進(jìn)行處理。與缺失值處理不同，異常數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵是正確識別正常值和異常值。由于時效因素對測值的影響相對較小，則可假設(shè)某個短時間區(qū)段內(nèi)測值服從正態(tài)分布N(μ，σ2)，采用3σ準(zhǔn)則剔除異常值。其處理過程為：①以某測點監(jiān)測數(shù)據(jù)為樣本，計算得到樣本標(biāo)準(zhǔn)差σ和均值μ；②對測點數(shù)據(jù)進(jìn)行過程線檢查，檢驗毛刺所在測點值是否超過μ±3σ，若超過，則認(rèn)為該測值不合理，應(yīng)予剔除。該方法僅剔除離群突變尖點，保留了外荷載條件變化、人為擾動等因素引起的“臺階狀”突變或向某一方向漸進(jìn)持續(xù)性位移增長，這些測值應(yīng)結(jié)合實際情況進(jìn)一步分析。

3.2 缺失值修正

對于缺失數(shù)據(jù)的處理通常采用簡單刪除與填充法。數(shù)據(jù)處理手段為對于監(jiān)測序列上的數(shù)據(jù)空缺，若空缺時段小于1個月，則進(jìn)行線性插補；若缺失時段較長，參考過程線上測值規(guī)律性較好且波動中心穩(wěn)定的時段及空白時段前后測值大小，對空白區(qū)段進(jìn)行3次樣條曲線插值。

4 監(jiān)測資料分析

4.1 圍巖變形分析

為了監(jiān)測泄水隧洞圍巖變形，在5個監(jiān)測斷面的頂拱、左右邊墻部位各布置1支多點應(yīng)力計，儀器編號依此為M01XHD～M15XHD。每支多點位移計設(shè)4個測點，4個測點距孔口分別為1、4、7、20 m。只有1-1斷面M03XHD多點位移計的4個測點距孔口為1、4、7、12 m；5-5斷面M15XHD多點位移計的鉆孔深度為7 m，3個測點距孔口分別為1、4、7 m。

典型測點變化過程線如圖3所示，由圖3可知，對各斷面進(jìn)行分析，受1-1斷面處澆筑二襯混凝土影響，測點M02XHDA錨頭(深度1 m)位移于2016年8月21日左右壓縮了0.9 mm，目前基本穩(wěn)定。3-3斷面淺層圍巖變形較大，深度越深圍巖變形越小，符合一般規(guī)律，但相較其它斷面圍巖變形，3-3斷面圍巖變形整體略大，推斷與該段面位置受較高承壓水影響所致。4-4斷面測點受灌漿平洞爆破施工影響，自2018年10月后該斷面多點位移計不同深度錨頭變形均有影響，其中測點M11XHD(洞身頂拱)7 m處錨頭一直呈壓縮態(tài)勢，洞身左右邊墻呈受拉變形狀態(tài)。

圖3 多點位移計典型測點變化過程線

目前，圍巖變形總體呈穩(wěn)定態(tài)勢，各斷面頂拱圍巖變形最大，其次為兩側(cè)邊墻，符合圍巖應(yīng)力二次重分布的一般規(guī)律，典型斷面圍巖變形分布如圖4所示。

圖4 泄洪洞3-3斷面圍巖變形分布(單位：mm)

4.2 錨桿應(yīng)力測值分析

為監(jiān)測泄洪洞圍巖應(yīng)力，在5個監(jiān)測斷面的頂拱、左右邊墻部位各布置1支錨桿應(yīng)力計，儀器編號依此為R01XHD～R15XHD。錨桿應(yīng)力計的測值變化過程線見圖5。由圖5可知，受施工影響，各別測點在二次襯砌時有小幅突變，但變幅很小。錨桿應(yīng)力整體不大，與溫度呈負(fù)相關(guān)性，2019年9月30日初期下閘蓄水后錨桿應(yīng)力變化較小，可以推測目前泄水隧洞圍巖變形正常，錨桿以溫度應(yīng)力為主。

圖5 錨桿應(yīng)力計測值變化過程線

錨桿應(yīng)力計測值特征值統(tǒng)計見圖6。由圖6可知，當(dāng)前錨桿應(yīng)力為-4.84～11.42 MPa，最大拉應(yīng)力位于4-4斷面測點R10XHD，最大壓應(yīng)力位于5-5斷面測點R15XHD。其中，純受拉錨桿有12支，占總數(shù)的80%；純受壓錨桿有3支，占總數(shù)的20%。錨桿應(yīng)力變幅較小，在0.61～13.10 MPa之間，據(jù)此推斷錨桿所處部位的巖體完整，或者錨桿與巖體接觸良好，不存在結(jié)構(gòu)面、裂隙等不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

圖6 錨桿應(yīng)力計測值特征值統(tǒng)計

4.3 縫開合度分析

為監(jiān)測砌體與圍巖的結(jié)合情況，在5個監(jiān)測斷面的左側(cè)墻和頂拱處分別布置1支測縫計，測縫計編號依次為J01XHD～J10XHD。典型接縫計位移變化過程如圖7所示。由圖7可知，受灌漿施工影響，部分測點二襯及回填灌漿期間有小幅波動現(xiàn)象，但之后均回到原來的測值。目前泄洪洞各斷面接縫位移基本穩(wěn)定，變化速率為0.01 mm/d，接縫位移與溫度呈一定的負(fù)相關(guān)性符合一般規(guī)律。2019年初期蓄水后縫開合度無明顯變化。

圖7 泄洪洞洞身圍巖與二次襯砌混凝土典型接縫位移過程線

泄洪洞洞身圍巖與襯砌接縫位移特征值統(tǒng)計見圖8。由圖8可知，接縫變幅為0.19～2.27 mm，位移量較小。目前接縫位移為-0.08～1.89 mm，8支測縫計接縫呈張開狀態(tài)，位移1 mm以上測點有2支，位移0.5～1 mm測點有3支，其余均在0.5 mm以內(nèi)。從量值上看，開合度最大的測點均在3-3斷面?zhèn)葔?，與其他監(jiān)測項目綜合分析，該部位滲壓及變形測值均高于其他斷面，主要是由于隧洞通過圍巖破碎帶，受山體承壓水影響所致。其他部位接縫開合度變化都較小，處于正常工作狀態(tài)。

圖8 隧洞襯砌接縫特征值統(tǒng)計

4.4 滲透壓力分析

為監(jiān)測泄洪洞圍巖滲流情況，泄洪洞在1-1斷面、3-3斷面的左右側(cè)墻處各布設(shè)1支滲壓計。其中，P01XHD～P02XHD布置在1-1斷面，P03XHD～P04XHD布置在3-3斷面。泄洪洞水位-庫水位過程線關(guān)系見圖9。由圖9a可知，泄洪洞1-1斷面(灌漿帷幕前)的2支滲壓計測值與庫水相關(guān)性較好，庫水位升高，洞身圍巖滲壓增大，變化規(guī)律符合泄水隧洞滲流特點。由圖9b可知，3-3斷面圍巖滲壓自二襯后水位均較高，遠(yuǎn)高于上下游水位，應(yīng)與該監(jiān)測斷面位于圍巖破碎帶，洞身周邊圍巖破碎，主要受山體承壓水影響所致。2019年7月26日對右岸灌漿平洞帷幕灌漿鉆孔進(jìn)一步驗證該段承壓水滲壓較大，同時該帷幕灌漿孔對圍巖滲壓起到了泄壓作用，圍巖滲壓有所下降。當(dāng)前1-1斷面(帷幕前)測值折算水位分別為4 275.06 m和4 272.52 m，3-3斷面(帷幕后)滲壓計當(dāng)前測值折算水位分別為4 311.39 m和4 312.01 m。監(jiān)測結(jié)果基本合理，監(jiān)測斷面基本穩(wěn)定，但鑒于右岸山體地下水位高對泄洪發(fā)電隧洞洞身結(jié)構(gòu)及岸坡穩(wěn)定不利，應(yīng)加強監(jiān)測并及時分析。

圖9 監(jiān)測斷面測壓管折算水位-庫水位過程線

5 泄洪洞監(jiān)控指標(biāo)擬定

為了有效保障水工建筑物的安全運行，常根據(jù)水工建筑物的工作機制，結(jié)合實測資料，選擇對工程安全較不利的項目和測點擬定安全監(jiān)控指標(biāo)[5]。由于3-3斷面滲壓水位受右岸山體地下水影響一直偏高，對泄洪洞洞身的穩(wěn)定不利，故采用最大熵理論[6-8]為3-3斷面滲壓計擬定監(jiān)控指標(biāo)，以便針對性關(guān)注并及時發(fā)現(xiàn)運行過程中的異常情況。

5.1 基本原理

最大熵理論無需提前假定監(jiān)測效應(yīng)量的分布概型，只要根據(jù)較少的監(jiān)測效應(yīng)量統(tǒng)計信息得到的數(shù)字特征值進(jìn)行估計，就能獲得精度較高的概率密度函數(shù)，適合安全監(jiān)控指標(biāo)的擬定。簡要闡述泄水隧洞監(jiān)測效應(yīng)量監(jiān)測指標(biāo)具體確定方法。

將監(jiān)測效應(yīng)量ξ的信息熵定義為

(1)

式中，f(ξ)為ξ的分布密度函數(shù)。

根據(jù)最大熵原理可知，最合理的概率密度分布是在滿足根據(jù)已知樣本信息推導(dǎo)得出的一些約束條件下使熵H(ξ)達(dá)到最大值的分布，即

(2)

約束條件為

(3)

式中，R為積分空間；μi為第i階原點矩；n為原點矩階數(shù)。

采用伴隨算子法進(jìn)行求解，首先建立相應(yīng)的拉格朗日方程

(4)

(5)

式中，λi為伴隨算子。將效應(yīng)量樣本數(shù)據(jù)和式(5)帶入約束條件式(3)，可求得λi，進(jìn)而構(gòu)建最大熵概率密度函數(shù)f(ξ)。

令ξm=F-1(ξ，α)為監(jiān)測效應(yīng)量的極值，則監(jiān)測項目可能出現(xiàn)異常的概率為

(6)

式中，Pα為失效概率。將確定的隨機變量ξ最大熵密度函數(shù)f(ξ)代入式(6)即可確定Pα下相應(yīng)的監(jiān)控指標(biāo)xm。其中，失效概率Pα根據(jù)項目重要性確定，一般取1%～5%。

5.2 滲透壓力監(jiān)控指標(biāo)

考慮泄洪洞運行的實際情況，失事概率選取Pα=0.01。表1統(tǒng)計了泄洪洞建成后3-3斷面滲透壓力年最大值，并以此作為分析樣本。

表1 3-3斷面每年滲透壓力最大值統(tǒng)計結(jié)果 MPa

結(jié)合最大熵理論，求出最大熵概率密度函數(shù)所需參數(shù)見表2。

表2 各階原點矩和標(biāo)準(zhǔn)差

由表1、2可計算求得3-3斷面滲透壓力的最大熵概率密度函數(shù)并代入式(6)即可確定3-3斷面滲透壓力安全監(jiān)控指標(biāo)。根據(jù)上述計算過程得到的滲透壓力P的監(jiān)測指標(biāo)Pmax分別為0.807和0.868，若測點滲壓值PPmax，但無增大趨勢，應(yīng)加強監(jiān)測，查找原因；若測值同時有增大趨勢，應(yīng)在分析查找原因的基礎(chǔ)上，采取適當(dāng)措施，以確保泄洪洞的安全。

6 結(jié)論與建議

對泄洪洞的監(jiān)測資料進(jìn)行了綜合分析，并結(jié)合地質(zhì)情況分析了監(jiān)測成果，可以得出如下結(jié)論：

(1)各工程部位的監(jiān)測結(jié)果基本合理，洞身圍巖與襯砌混凝土接縫位移、洞身圍巖變形量小，洞身圍巖應(yīng)力正常，所處斷面處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)3-3斷面圍巖滲壓水位自襯砌施工后滲透壓力較其他斷面偏大，主要受右岸山體破碎帶地下承壓水的影響。建議重點關(guān)注該斷面滲透壓力效應(yīng)量的變化情況，本文基于最大熵理論提出了滲透壓力效應(yīng)量的安全監(jiān)控指標(biāo)，以便發(fā)現(xiàn)異常時及時上報并分析原因。

(3)右岸山體破碎帶較多，地下水位較高，對泄洪洞洞身結(jié)構(gòu)及岸坡穩(wěn)定不利，建議增設(shè)右岸滲壓監(jiān)測儀器，以反映右岸地下水分布情況；同時增設(shè)右岸排水、滲流量監(jiān)測和進(jìn)水口兩側(cè)邊坡監(jiān)測設(shè)施。