豐滿大壩壩基揚壓力安全監(jiān)控指標擬定.doc

豐滿大壩壩基揚壓力安全監(jiān)控指標擬定第33卷第4期2011年4月人民yellow黃河rivervo1.33.no.4apr.,2011【水利水電工程】豐滿大壩壩基揚壓力安全監(jiān)控指標擬定李妹昱,張偉.,姚遠,顧伊娜4(1.河海大學水利水電工程學院,江蘇南京210098;2.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇南京210098;3.河海大學水資源高教利用與工程安全國家工程研究中心,江蘇南京210098;4.江蘇省淮沭新河管理處,江蘇淮安223002)摘要:對豐滿大壩16個壩段壩基揚壓力進行分析,確定26,27壩段為需要重點監(jiān)測的典型壩段.采用置信區(qū)間估計法和典型小概率法,擬定壩基揚壓力的安全監(jiān)控指標,用于施工初期老壩的安全預警.置信區(qū)間法沒有聯(lián)系大壩的失事原因和機理,物理概念不十分明確,而典型小概率法簡單易行.關鍵詞:揚壓力;監(jiān)控指標;置信區(qū)間法;典型小概率法;豐滿大壩中圖分類號:tv698.1文獻標識碼:adoi:10.3969/j.issn.10001379.2011.o4.051豐滿水電站始建于1937年,是新中國成立前我國修建的第一座大型水力發(fā)電工程.現(xiàn)今豐滿大壩存在壩體混凝土強度偏低,整體性差,泄洪設備不足,大壩滲漏嚴重,壩體揚壓力大等安全隱患,嚴重影響了大壩的安全運行.從社會和經濟效益出發(fā),重建豐滿大壩是十分必要的.在重建期間,原豐滿大壩可作為圍堰,照常運行,因此在施工期要明確監(jiān)控重點,擬定安全監(jiān)控指標,保障工程安全穩(wěn)定運行.由滲透水引起的壩基揚壓力,對大壩的穩(wěn)定,變形,應力都有一定的影響,揚壓力越大對大壩的強度和穩(wěn)定越不利.壩高100m左右的重力壩,壩基面上作用的揚壓力大約為壩體重力的20%左右.重建豐滿大壩位于原大壩下游120m處,施工會影響大壩的滲漏狀況,如大壩底部基巖中的帷幕深入巖體較深,厚度薄,施工爆破有可能使抗震性能弱的灌漿帷幕失去整體性,形成滲漏通道,危及大壩安全,因此分析大壩滲漏狀況對監(jiān)測大壩安全極為重要.筆者選擇了16個壩段壩基揚壓力計算數(shù)據(jù)進行分析,根據(jù)分析結果選出需重點監(jiān)測的壩段,進而擬定壩基揚壓力的安全監(jiān)控指標.1工程概況豐滿水電站原樞紐工程由混凝土重力壩,溢流壩,壩后式廠房及變電站,左岸泄洪洞(后改建成三期引水洞)及三期發(fā)電廠房組成.攔河壩最大壩高為91.7m,壩頂長度為1080m,壩頂高程為267.70m,共有6o個壩段.壩基揚壓力觀測孔布置在檢查廊道的橫斷面上.分別設在8,14,l6,20,26,27,32,34,35,36,38,43,44,47,49,54壩段.其中,20和27壩段各設8個測孔,32壩段設6個測孑l,34,36,43和44壩段各設5個測孔,共計74個測孑l,20壩段所有揚壓力孔均已停測.?j24?2確定典型壩段壩基揚壓力包括大壩單寬所承受的浮托力和滲透壓力兩部分,對壩體穩(wěn)定影響較大,一般壩底高程越低,庫水位越高,相應的揚壓力就越大.對于豐滿大壩8,14,16,26,27壩段,壩基揚壓力的計算公式為1v=co口+clhl+c2+c.h+c.h+bh2(1)其中c=(b+b)/2式中:6為第i點至第i+1點的距離,m;h為第i點滲透壓力水頭,m;b為壩基上,下游寬度,m;日為上游水位與下游水位之差,m;為下游水位與下游壩趾接縫高程之差;n為斷面測壓點總數(shù).32,34,35,36,38,43,44,47壩段的計算公式為iv=coh+c】hi+c2h2十+c.h+ch(2)其中h由接縫標高算起.2001201o年壩基揚壓力的大部分測值與庫水位變化相一致,呈現(xiàn)與庫水位良好的相關性.分析圖1壩基揚壓力特征值分布可知,平均值最大的壩段為26,27壩段,達到1500016000kn/m左右,這與26,27壩段壩底平均高程最低,壩高相對最大以及水荷載作用較大有關,同時還受壩下順河向斷層f,f的影響,且27壩段揚壓力有一定程度的時效增加趨勢,監(jiān)控中需要引起注意.壩基揚壓力最大值為16840.34kn/m,出現(xiàn)在26壩段(2010年7月31日),其次為16597.13收稿日期:2olol1-05基金項目:國家自然科學基金資助項目(51079046,50909041,508o9025,5嘣79();河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室專項(1x19586o12,2010585212);中央高?；究蒲袠I(yè)務費項目(ogrmosz4,2010b20414,2010/14114).作者簡介:李妹昱(1988一),女.河南濮陽人,碩士研究生,研究方向為大壩安全監(jiān)測.email:hhulsy163.coin人民黃河2011年第4期kn/m,出現(xiàn)在27壩段(2010年8月27日).:三i量o010o00o00000o000o3置信區(qū)間估計法擬定壩基揚壓力監(jiān)控指標3.1置信區(qū)間估計法原理依據(jù)統(tǒng)計理論,取顯著性水平為,則p=的事件為小概率事件,在統(tǒng)計學中認為是不可能發(fā)生的事件,如果發(fā)生,則認為是異常的.該法根據(jù)以往的監(jiān)測資料或基于有限元模型的計算結果,建監(jiān)測效應量與荷載之間的數(shù)學模型(如統(tǒng)計模型和混合模型等),用這些模型計算各種荷載作用下監(jiān)測效應量()與實測值e之間的差值(ee),該值有1一a的概率落在置信帶(=io-)范圍之內,而且測值無明顯趨勢性變化,則認為大壩運行是正常的;反之是異常的.擬定監(jiān)測效應量的安全監(jiān)控指標為e=ea(3)3.2壩基揚壓力統(tǒng)計模型的建立壩基揚壓力受上游水位和下游水位的影響,滲流受地基裂隙變化的影響,裂隙變化受基巖溫度的作用.基巖溫度變化小,且基本e呈年周期變化,豐滿電站無實測基巖溫度,這里直接采用正弦波周期函數(shù)作為溫度分量.同時,考慮到壩前淤積,壩基帷幕防滲和排水效應等隨時間的變化,需選人時效因子.組成壩基揚壓力的上游水位分量日下游水位分量,溫度分量日,和時效分量月可以表示為=n(h一日.)(4)=b(一)(5)=i=l(sinn)(c0ss)j(6)ho=dl(000)+d2(1n0一ln0o)(7)式中:hu為監(jiān)測日當天,監(jiān)測日前第1d,第2d,34d,515d,1630d的平均上游水位(i=16);ho為初始監(jiān)測日上述時段對應的上游水位平均值;,h為監(jiān)測日當天,始測日的下游水位;t為從監(jiān)測日至始測日的累計天數(shù);t為建模所取資料序列的第1個測值日至始測日的累計天數(shù);0為監(jiān)測日至始測日的累計天數(shù)f除以100;0o為建模資料序列第1個測值日至始測日的累計天數(shù)t.除以100;.,6,cc:,d,d:分別為各效應分量的回歸系數(shù).由=hu+h,建立壩基揚壓力統(tǒng)計模型:=.+.(一h)+6(日d一hj0)+csin-sin:ossmdl(00o)+d2(in0一in0o)(8式中:.為常數(shù)項.對豐滿大壩典型壩段壩基揚壓力數(shù)據(jù)進行逐步回歸分析,求m統(tǒng)計模型中的系數(shù),26,27典型壩段擬合結果見表l.表1典型壩段壩基揚壓力統(tǒng)計模型特征值注:r為統(tǒng)計模型的復相關系數(shù);o-為統(tǒng)計模型的剩余標準差.由表1可以看出,26,27壩段壩基揚壓力統(tǒng)計模型復相關系數(shù)均達到0.9以上,擬合精度較高.3.3基于統(tǒng)計模型的安全監(jiān)控指標擬定假設壩基揚壓力實測值與擬合值服從均值(一)=0的正態(tài)分布,則(w)有1一的概率落在置信區(qū)問(一,)內,即p一a<(ww)<=廣e止業(yè)(w2er2dw一一w):1一ol(9一)l=-e(一)=l一()一,/2aro-根據(jù)正態(tài)分布的對稱性可知:p(一)<=p(1r/一)>a=r_l_e一df1gew一一w):f二=-2d【一ji一2【tf一一d(一):導(10)2o-2wwl=二_ied一)=-(j&2口一2根據(jù)式(10),當顯著性水平ol=1%時,=2.576;當顯著性水平=5%時,=1.960.根據(jù)豐滿電站的具體情況,若1一f2o-,則正常;若2r,<i一l3o-,則應跟蹤監(jiān)測,無趨勢性變化為正常,否則異常,需進行成因分析;若i一i>3o-,則測值異常,應進行成因分析.4典型小概率法擬定壩基揚壓力監(jiān)控指標4.1典型小概率法的原理在實測資料中,根據(jù)不同壩型和各座大壩的具體情況,選擇荷載組合時的監(jiān)測效應量e.或者它們的數(shù)學模型中各個荷載分量,得到一個小子樣樣本空間e=e,e:,e,該小樣本空問的統(tǒng)計特征值為1ne=1e(11)(窆i=l(12)假定e的分布形式,如正態(tài)分布,對數(shù)正態(tài)分布和極值i型分布等,采用小子樣統(tǒng)計檢驗法(如ad法,ks法)進行分布檢驗,確定其概率密度分布函數(shù)f(e).?125?人民黃河2011年第4期令e為監(jiān)測效應量或某一荷載分布的極值即安全監(jiān)控指標,當e>e時,大壩將要出現(xiàn)異常情況或險情,其概率為,p(e>e)=je)de(13)jem根據(jù)大壩重要性確定失事概率p(簡寫為)后,就由e的分布函數(shù)直接求出:e=f(e,or,)(14)4.2選擇典型監(jiān)測效應量,擬定監(jiān)控指標在選擇典型監(jiān)測效應量e時,應根據(jù)每座壩的具體情況,選擇不利于強度和穩(wěn)定的荷載組合所對應的監(jiān)測值.對于揚壓力來說,其值越大,對強度和穩(wěn)定越不利.因此選取豐滿大壩壩基1960-2010年每年最大的值作為典型效應量.采用非參數(shù)檢驗法ks法對選擇的典型效應量進行分布檢驗,得到26,27壩段壩基揚壓力每年最大值服從正態(tài)分布,并得到這兩個壩段在失事概率a=5%和=1%情況下的監(jiān)控指標,見表2.不十分明確,且不能聯(lián)系大壩的重要性(等級和級別)等4】.典型小概率法簡單易行,但需要較長的資料系列才能使得監(jiān)測效應量包含最不利荷載組合時的情況j,依據(jù)其原理,選取較長序列1960-2010年每年最大的值作為典型效應量,得到典型壩段在失事概率ot=5%和=1%情況下的監(jiān)控指標.該方法雖然定性聯(lián)系了對強度和穩(wěn)定不利的荷載組合所產生的效應量,但是不能定量聯(lián)系大壩本身強度和穩(wěn)定控制條件,且其失事概率ot的選擇還沒有規(guī)范可循,帶有一定的經驗性.置信區(qū)間估計法和典型小概率法的理論基礎均為統(tǒng)計理論中的小概率事件,采用這兩種方法擬定壩基揚壓力的監(jiān)控指標,可以用于施工初期豐滿老壩的安全預警.但是,在施工過程中還要注意積累新的監(jiān)測數(shù)據(jù),進一步開展正反分析,修正計算模型以及老壩壩基穩(wěn)定分析的荷載作用表達式,并進行跟蹤分析,動態(tài)建立滲流監(jiān)控指標,達到預警目的,確保施工安全順利進行.表2典型小概率法擬定的安全監(jiān)控指標kn/:參考文獻:5結語通過對豐滿大壩壩基揚壓力測值的計算分析,選出需重點監(jiān)測的典型壩段,采用逐步回歸法建立的壩基揚壓力統(tǒng)計模型精度較高,可進行揚壓力的預測.采用置信區(qū)間法擬定了安全監(jiān)控指標,但該法沒有聯(lián)系大壩失事的原因和機理,物理概念(上接第123頁)比如土地安置,自謀職業(yè)安置,二,三產業(yè)安置等.不少學者建議將移民安置補助費入股分紅,這樣會分享更多的利潤,筆者對此持謹慎態(tài)度.從移民搬遷到電站發(fā)電這段時期是移民恢復生產,生活的關鍵時期,急需資金扶持.移民的安置補助費將發(fā)揮重要作用,若將安置補助費入股,則移民漫長的過渡期缺乏資金支持,貧困風險非常大;同時電站發(fā)電后也將面臨巨額分紅壓力,在很大程度上影響投資效益.基于此,不宜將移民安置補助費入股,可以考慮實施土地使用權入股分紅模式.參考文獻:1施國慶,孫中垠,周建.水利水電工程移民利益導向機制及其建構初探j.西北人1:3.2009(5):3746.2劉道明,陳大國,吳貴勝,等.水電工程征地移民長期補償機制探索j水利水電快報,2006(11):2324.?126?1顧沖時,吳中如.大壩與壩基安全監(jiān)控理論和方法及其應用m.南京:河海大學出版社,2006.2劉曉軍,文德鈞,嚴裕圣,等.三峽二期下游圍堰混凝土防滲墻拆除爆破震動監(jiān)測與安全控制j.長江科學院院報,2003,20(增刊):113115.3吳中如.水工建筑物安全監(jiān)控理論及其應用m.北京:高等教育出版社,2003.4李占超,侯會靜.大壩安全監(jiān)控指標理論及方法分析j.水力發(fā)電,2010,36(5):6467.5金秋,劉貝貝,張磊.古田溪大壩典型壩段水平位移監(jiān)控指標的擬定j.人民黃河,2010,32(2):122123.【責任編輯張華巖】3warren,avanwicklin.sharingprojectbenefitstoimpmveresetflemlivelihoodsctheeconomicsofinvoluntaryresetdement:challengesandqustions.washionton:theworldbank,1999:241256.4femandesw.frommarg/nilizationtosharingtheprojtbenefits,risksandreconstruction:experiencesofresettlersandreignsr.washington:theworldbank,2000.