龔嘴大壩變形安全監(jiān)控指標(biāo)的研究

1、龔嘴大壩變形安全監(jiān)控指標(biāo)的研究             龔嘴大壩變形安全監(jiān)控指標(biāo)的研究 覃友中1，李光宗2 (1.龔嘴水力發(fā)電總廠，四川 樂山614900；2.中國水力發(fā)電工程學(xué)會(huì) 大壩監(jiān)測咨詢部，四川 成都610061) 摘要： 應(yīng)用龔嘴重力壩變形監(jiān)測資料，研究了大壩變形安全監(jiān)控指標(biāo)。通過利用高限蓄水期的變形 實(shí)測資料和考慮溫度場的有限元分析結(jié)果，提出了龔嘴大壩的變形安全監(jiān)控指標(biāo)。 關(guān)鍵詞：大壩；安全監(jiān)控指標(biāo)；水平位移；溫度荷載；庫水位； 龔嘴大壩 1前言 目前在我國確定大

2、壩安全監(jiān)控指標(biāo)時(shí)著重對(duì)變形和滲流監(jiān)測資料的分析研究。后者的監(jiān)控指 標(biāo) 服從設(shè)計(jì)指標(biāo)，是比較明確的；而大壩變形安全監(jiān)控指標(biāo)的研究是個(gè)十分重要而復(fù)雜的課題 ， 盡管研究者們提出了不少方法和觀點(diǎn)，但多偏重對(duì)觀測數(shù)據(jù)處理方面的數(shù)學(xué)技巧，而在應(yīng)用 方面實(shí)際意義不大。主要表現(xiàn)在如果觀測設(shè)施和監(jiān)測資料的精度不高，即使用數(shù)學(xué)技巧的手 段來處理，也難以提高分析精度和確定大壩變形安全監(jiān)控指標(biāo)。眾所周知，在大壩的實(shí)際運(yùn)行過程中，壩體受到上游和下游水壓力、壩基的揚(yáng)壓力、 壩區(qū)的氣溫、壩體混凝土材料和壩基巖體的性能變化，以及時(shí)效等諸多因素的影響，會(huì)產(chǎn) 生水平位移和垂直位移。監(jiān)測資料的分析是對(duì)某一個(gè)物理量實(shí)際發(fā)生的隨機(jī)過

3、程，采用數(shù)值 分析方法進(jìn)行再現(xiàn)模擬。通常采用的監(jiān)測資料正分析的監(jiān)控模型有統(tǒng)計(jì)模型、確定性模型 和混合模型三種。本文根據(jù)對(duì)三種模型優(yōu)缺點(diǎn)的比較，應(yīng)用龔嘴大壩精度較高的長期監(jiān)測資料和多次的 科研成果，擬定了混合模型，獲得較滿意的結(jié)果。 2庫水位變化與壩頂水平位移關(guān)系對(duì)于水電工程來講，在大壩監(jiān)測設(shè)施還沒有完成時(shí)，就已蓄水發(fā)電。因此第一次蓄水期變形 監(jiān)測資料往往無法獲得，龔嘴大壩也是如此。由于該大壩在沒有完全達(dá)到穩(wěn)定溫度 時(shí)，就進(jìn)行了灌漿，爾后隨著溫度的下降，灌縫又局部張開。為此，在1978年進(jìn)行了高 限蓄水試驗(yàn)，將庫水位降到520.00m高程后，再逐步升至528.00m高程，除第九壩段設(shè)有正 垂線外

4、，還在壩頂臨時(shí)設(shè)置了視準(zhǔn)線，加密了監(jiān)測，獲得了如圖1所示的壩頂相對(duì)水平位移 與庫水位關(guān)系線，并在表1中列出了理論計(jì)算值與觀測值。 由圖1和表1看出：無論是正垂線或是視準(zhǔn)線測得的壩頂水平位移與平面有限元計(jì)算的結(jié)果 均十分接近。壩頂水平位移在庫水位由高程520.00528.00m之間的變化與庫水 位變化呈線性關(guān)系，且?guī)焖幻可?m，壩頂產(chǎn)生向下游0.375mm的水平位移。這一結(jié)果在 對(duì)確定大壩位移監(jiān)控值時(shí)是個(gè)重要指標(biāo)。 3壩體溫度變化與壩頂位移的關(guān)系3.1監(jiān)測資料分析在圖2中繪制了第九壩段壩體特定時(shí)間的溫度與壩頂水平位移的軌跡線。壩體特定時(shí) 間是這樣確定的，利用第九壩段正垂線在高程530.00m

5、的實(shí)測水平位移，建立統(tǒng)計(jì)模型進(jìn)行 回歸分析，結(jié)果表明，影響壩頂水平位移的溫度因子為觀測前30、45、90天的平均溫度(即 溫度因子為T30=-0.07609、T45=-0.11647、T90=0.032881）。為了簡化計(jì)算，在繪制圖2時(shí)，只取了水平位移觀測前40天的 平均溫度。由圖2看出， 四個(gè)典型年的壩區(qū)氣溫與壩頂水平位移的軌跡線為一橢圓，規(guī)律性較好；在壩區(qū) 氣溫升高時(shí)，壩頂水平位移的負(fù)值增大（即產(chǎn)生向上游的水平位移）；當(dāng)壩區(qū)氣溫降低時(shí)， 壩頂水平位移的負(fù)值減?。串a(chǎn)生向下游的水平位移）。由于基準(zhǔn)時(shí)間選在1972年3月，故 軌跡線處在第一象限。在繪制軌跡線過程中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度由高轉(zhuǎn)低 或由低

6、轉(zhuǎn)高時(shí)，壩頂水平位移有滯后的情況。第九壩段水平位移溫度分量和位移觀測前40天 的平均溫度見表2。 3.2三維有限元分析模型為了從理論上分析大壩的工況，在建立確定型模型時(shí),選擇第九壩段建立了三維有限元分 析模型，采用在微機(jī)上研制的TCA全套軟件系統(tǒng)進(jìn)行分析。3.2.1基本荷載（1）自重：壩體和基礎(chǔ)；（2）水壓：上游正常水位528.00m高程，下游尾水位471.00m高程；（3）壩前泥沙壓力：按實(shí)際壩前泥沙高程484.00m；（4）揚(yáng)壓力（滲透體積力）：揚(yáng)壓力：依照實(shí)測揚(yáng)壓力得出滲壓分布圖，將其倒轉(zhuǎn)后的形狀作為壩體浸潤線，將此線 以下的壩體混凝土容重按浮容重計(jì)算；滲透體積力：應(yīng)用三維有限元計(jì)算出穩(wěn)

7、定滲流場，然后再按體積力作用于壩體各節(jié)點(diǎn)。 3.2.2溫度荷載溫度荷載的確定方法是先計(jì)算出壩體各時(shí)刻的溫度場，再求出兩個(gè)時(shí)刻（即時(shí)段）的溫 度場之差，最后將各節(jié)點(diǎn)的溫差作為溫度荷載。 溫度場的計(jì)算過程：為了加快計(jì)算過程，先參考?jí)味螌?shí)測穩(wěn)定溫度場及準(zhǔn)溫度場，假定 壩體為均勻的初溫度場（即壩體各節(jié)點(diǎn)的初溫度場為17.2，壩基的初溫度場為13)，然 后根據(jù)所給定的邊界溫度過程線進(jìn)行三維溫度場計(jì)算，每日計(jì)算一個(gè)溫度場，待壩體內(nèi)計(jì)算 溫度接近實(shí)測點(diǎn)溫度時(shí)作為正式溫度場計(jì)算起始，同樣每日計(jì)算一個(gè)溫度場，由每季度初、 末的溫度場求出各節(jié)點(diǎn)的溫差作為溫度荷載。邊界溫度的確定：上游壩面的邊界溫度是根據(jù)上游壩面各

8、溫度測點(diǎn)的實(shí)測溫度用插入法 求出各節(jié)點(diǎn)的溫度，而下游壩面及閘墩的溫度，因缺少實(shí)測資料，則按壩區(qū)實(shí)測日平氣溫， 應(yīng)用熱傳導(dǎo)理論的第三類邊界條件計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的混凝土溫度。3.2.3材料特性研究壩段分R150、R200、R250三個(gè)標(biāo)號(hào)的混凝土，它們的彈性模量分別為25、29、32 a，泊松比均為0.167，容重均為25kN/m3，比熱均為096kJ/kg×，線膨脹系數(shù)均 為9×106，滲透系數(shù)均為1×108cm/s；基巖的彈性模量為15GPa，泊 松比均為0.21，容重均為26kN/m3，比熱均為0.95kJ/kg×，線膨脹系數(shù)均為6×106，滲透系

9、數(shù)均為47×105cm/s。3.2.4計(jì)算結(jié)果基本荷載加溫度荷載后形成全荷載，基本荷載是指一級(jí)荷載，包括自重、水壓、壩前 泥沙壓力及揚(yáng)壓力等；在基于基本荷載之上，再將加上各級(jí)溫度荷載所形成的結(jié)果分為 二至五級(jí)計(jì)算結(jié)果，所以，將二至五級(jí)計(jì)算結(jié)果減去一級(jí)荷載的計(jì)算結(jié)果，才是各級(jí)溫度荷 載所形成的結(jié)果。在表3中列出了溫度荷載作用下第九壩段壩頂?shù)乃轿灰浦?，它是將一?jí)荷載作為基準(zhǔn) ，從一級(jí)荷載中減去基本荷載計(jì)算結(jié)果，可得到溫度荷載形成的位移值。考慮到位移滯后 于氣溫40天左右的情況，可將基準(zhǔn)值改為-2.76 mm（即加上-2.76mm），并繪制在圖3中。 由圖3可見，三維有限元計(jì)算的結(jié)果與觀測值基本符合。 4龔嘴重力壩變形安全監(jiān)控指標(biāo)龔嘴重力壩壩頂水平位移變形量大，精度較高，能反映出大壩的運(yùn)行工況，故作為變 形安全監(jiān)控指標(biāo)的研究是可行的。 影響大壩變形的主要因素是溫度變化，所以查看溫度與壩頂?shù)乃轿灰剖欠褡裥幸酝?跡線可作為主要的監(jiān)控手段。 其次是庫水位變化的影響，龔嘴大壩第九壩段壩頂水平位移在庫水位高于520.00m高程時(shí)， 每當(dāng)庫水位升高1.00m