何佩詩

(湖北志宏水利水電設(shè)計有限公司,武漢 430070)

0 引 言

水利工程建設(shè)中,大壩的運行安全性與環(huán)境因素、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外力干預(yù)等多種因素相關(guān),內(nèi)外條件的不確定性直接影響大壩的運行性態(tài)[1]。而大壩作為水利樞紐的重要工程,一旦出現(xiàn)安全事故,所造成的損失和危害難以估量。因此,大壩的安全穩(wěn)定性是水利樞紐運行維穩(wěn)的重點問題。

為了建立健全的安全監(jiān)控和預(yù)警機制,實時監(jiān)控和評估大壩的運行狀況[2-3],本文結(jié)合統(tǒng)計模型和有限元確定性模型的優(yōu)勢,構(gòu)建安全監(jiān)控組合模型,以期為保障大壩的安全運行提供幫助。

1 水利樞紐大壩安全監(jiān)控模型設(shè)計

統(tǒng)計模型是大壩安全監(jiān)測的常用手段。統(tǒng)計模型以大壩實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),選擇安全監(jiān)測因子,并通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的方式,確定分析模型因子系數(shù),從而建立監(jiān)測回歸模型,對大壩的安全因子進行監(jiān)控[4-5]。統(tǒng)計模型依賴于統(tǒng)計數(shù)據(jù),而在大壩結(jié)構(gòu)性態(tài)方面參考較少,無法從力學(xué)的角度對大壩的實際安全狀況進行分析[6]。統(tǒng)計模型對數(shù)據(jù)的依賴性較強,要求實測數(shù)據(jù)具有較高的完整度,并且存在精度不高的問題,難以實現(xiàn)精準的預(yù)測預(yù)警[7]。而有限元確定性模型以有限元分析為主要手段,從大壩力學(xué)結(jié)構(gòu)性態(tài)出發(fā),通過有限元計算分析變量之間的關(guān)系,從而實現(xiàn)大壩安全監(jiān)控[8-9]。

本研究綜合考慮統(tǒng)計模型和有限元模型的優(yōu)勢,利用兩種模型構(gòu)建大壩安全組合監(jiān)控模型,使用有限元模型分析大壩水壓分量,并結(jié)合統(tǒng)計模型對大壩的時效和溫度分量進行分析,從而實現(xiàn)多角度水利樞紐大壩安全監(jiān)控與預(yù)測。大壩安全組合監(jiān)控模型框架見圖1。

圖1 大壩安全組合監(jiān)控模型框架

大壩的變形位移受到水壓的影響。在不同水位荷載情況下,大壩壩體所受水壓不同,則大壩壩體和巖基出現(xiàn)變形和位移的可能性也存在差異[10-11]。并且水庫所受水重也會影響庫區(qū)巖基的穩(wěn)定性,導(dǎo)致巖基上出現(xiàn)壩體位移[12]。大壩的壩體混凝土和巖基的溫度變化也會影響大壩的變形位移。利用壩體混凝土和巖基內(nèi)部所布設(shè)的溫度計獲取溫度場信息,通過有限元分析的方式,計算大壩的溫度位移。時效因素是大壩變形位移的一項時間綜合因素,包括時間累積下的混凝土徐變、巖基壓縮變形、壩體裂縫位移等時效因素[13-14]。

因此,大壩位移主要受到水壓荷載、溫度條件、時效因素的影響,大壩變形位移分量函數(shù)如下:

(1)

式中:δH、δT分別為水壓分量和溫度分量;δθ為時效分量;i=1,2,3分別表示水壓、溫度、時效;X為調(diào)整參數(shù);m為重力;Hi為水位;ai為水壓因子系數(shù);bi為等效溫度因子系數(shù);Ti為平均溫度值;ci為時效因子系數(shù);θi為時間。

壩基揚壓力是觀測大壩滲流情況的關(guān)鍵指標,是指底面垂直方向上滲透水壓力的鉛直壓力,而揚壓力的水位影響分量主要是指大壩上游的水位情況[15-16]。通過壩基揚壓力,分析大壩的滲流情況,大壩滲流分量函數(shù)如下:

(2)

大壩應(yīng)力主要包括溫度、自重、濕脹應(yīng)力,并受到水壓、時效的影響,大壩水壓σH、溫度應(yīng)力σT和時效σθ函數(shù)如下:

(3)

式中:m2為測量溫度計的數(shù)量;Ti為溫度計測量數(shù)據(jù)值與初始值之間的差值;c為回歸系數(shù);θ0為初始時間。

2 大壩安全監(jiān)控模型效果驗證

2.1 大壩變形位移預(yù)測分析

為了驗證組合模型的有效性,研究分析組合模型監(jiān)測值與實測值之間的擬合程度,結(jié)果見圖2。圖2中,研究比較了組合模型、灰色預(yù)測以及SDCS-SVM算法的監(jiān)測值計算差異。由圖2可知,在9月18日至1月18日,研究區(qū)域的表面水平位移呈不斷增加趨勢,最高值達到4.29mm;1月18日至9月18日呈不斷降低的變化趨勢,最小表面水平位移值僅為-3.26mm。從模型的監(jiān)測值與實測值差異比較中發(fā)現(xiàn),研究提出的組合模型與實測值之間的變化一致性較高,且擬合程度顯著高于其他兩種模型。

圖2 各模型在大壩表面水平位移檢測中的應(yīng)用效果

為了驗證組合模型在大壩監(jiān)控中的水平位移預(yù)測能力,研究以2023年1月19日至2023年2月18日的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),評價組合模型與其他模型的預(yù)測效果差異,結(jié)果見圖3。由圖3可知,2023年1月19日至2023年2月18日期間,大壩的表面水平位移最大值出現(xiàn)在1月18日,最大值為3.74mm;最小值出現(xiàn)在2月16日,最小值為1.10mm。比較不同模型在大壩水平位移預(yù)測中的差異可以看出,研究提出的組合模型的預(yù)測差異最小,最大差異值僅為0.14mm;灰色預(yù)測模型的預(yù)測值與實際值之間的差異最大,最大值達到0.69mm。以上結(jié)果表明,相較于其他模型而言,研究提出的組合模型在大壩水平位移預(yù)測中的誤差值較小,表明組合模型能夠在大壩水平位移監(jiān)控中表現(xiàn)出較好的預(yù)測能力。

圖3 各模型在大壩表面水平位移預(yù)測中的應(yīng)用效果

2.2 大壩滲流預(yù)測分析

在大壩安全監(jiān)控中,揚壓力的變化監(jiān)測也至關(guān)重要。為此,研究針對大壩揚壓力監(jiān)測,分析多個模型與實測值之間的差異,以此來評價組合模型在揚壓力監(jiān)測中的有效性,結(jié)果見圖4。由圖4可知,大壩揚壓力的實際變化呈不斷波動的變化趨勢,并在每年的9-10月份達到最大值,其原因是此時大壩處于上游放水時期,大壩滲流產(chǎn)生的揚壓力逐漸提升。此外,由圖4可以發(fā)現(xiàn),研究提出的組合模型的計算值與實測值表現(xiàn)出相同的變化趨勢,且兩者之間的差異較小。而灰色預(yù)測以及SDCS-SVM模型在計算中所表現(xiàn)出來的變化趨勢雖然與實測值呈現(xiàn)一致性,但兩個模型與實測值之間的差值顯著高于組合模型。以上結(jié)果表明,針對大壩壩基的揚壓力檢測,研究提出的組合模型具有有效性。

圖4 各模型的壩基揚壓力檢測結(jié)果

為了評價組合模型在大壩壩基揚壓力監(jiān)控中的預(yù)警能力,研究提出多個模型的預(yù)測比較,結(jié)果見圖5。由圖5可知,所有模型的預(yù)測結(jié)果均與實測值保持相同的變化趨勢。其中,研究提出的組合模型的預(yù)測值與實測值的誤差最小,最大值僅為0.93kPa;而灰色預(yù)測以及SDCS-SVM模型與實測值的最大誤差分別達到12.45和9.77kPa。以上結(jié)果表明,大壩壩基滲流導(dǎo)致大壩揚壓力不斷變化,采用研究所提出的組合模型能夠?qū)Υ髩螇位膿P壓力進行檢測和預(yù)測,對大壩壩基的滲流安全具有重要意義。

圖5 各模型的壩基揚壓力變化預(yù)測結(jié)果

2.3 大壩應(yīng)力預(yù)測分析

在大壩安全監(jiān)控中,大壩的應(yīng)力是決定大壩安全強度的重要指標,因此分析運行期大壩的應(yīng)力變化是大壩安全運行的關(guān)鍵。研究同樣以2019年1月18日至2023年1月18日的大壩運行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),對比分析不同模型在大壩應(yīng)力檢測中的測量值,并分析各模型的檢測值與實測值之間的差異,結(jié)果見圖6。由圖6中可知,研究提出的組合模型監(jiān)測值與實測值之間的差異顯著小于其他兩種模型,并且其誤差最大值僅為0.62MPa,最小值降低至0.08MPa。比較多個模型的檢測結(jié)果可知,研究所提出的組合模型在大壩應(yīng)力檢測中的精度較高,能夠較好地實現(xiàn)大壩應(yīng)力檢測。

圖6 各模型的大壩應(yīng)力變化檢測差異

在大壩應(yīng)力監(jiān)控中,不僅僅需要實現(xiàn)應(yīng)力變化的實時檢測,還需要對其變化趨勢進行預(yù)測,因此研究提出應(yīng)力變化預(yù)測的分析,結(jié)果見圖7。由圖7可知,在2023年1月19日至2023年2月18日的大壩應(yīng)力預(yù)測過程中顯示,組合模型的預(yù)測結(jié)果與實測值變化具有一致性,且兩者最大誤差僅為0.81MPa,顯著低于其他兩種模型與實測值之間的誤差。綜合分析組合模型的監(jiān)控效果發(fā)現(xiàn),在大壩的變形、滲流以及應(yīng)力分析中,組合模型的測量和預(yù)測誤差均小于其他模型,即能夠在大壩安全監(jiān)控中表現(xiàn)出較好的應(yīng)用效果。

圖7 各模型的大壩應(yīng)力變化預(yù)測結(jié)果

3 結(jié) 論

為了提升大壩運行的穩(wěn)定性,本文從大壩的形變、滲流和應(yīng)力應(yīng)變3個角度出發(fā),結(jié)合統(tǒng)計模型與有限元模型,對水利樞紐工程建設(shè)過程中大壩安全問題進行了監(jiān)測監(jiān)控。結(jié)果顯示,相較于灰色預(yù)測以及SDCS-SVM模型,研究提出的組合模型的壩基揚壓力預(yù)測值與實測值的誤差最小,最大值僅為0.93kPa;組合模型的水平位移預(yù)測差異最小,最大差異值僅為0.14mm;大壩應(yīng)力方面組合模型預(yù)測誤差為0.81MPa。研究表明,組合模型能有效對大壩水平位移等安全因素進行監(jiān)控和預(yù)測,預(yù)測效果較好。