豐滿大壩壩基揚(yáng)壓力安全監(jiān)控指標(biāo)擬定.doc

豐滿大壩壩基揚(yáng)壓力安全監(jiān)控指標(biāo)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(yáng)壓力安全監(jiān)控指標(biāo)擬定李妹昱,張偉.,姚遠(yuǎn),顧伊娜4(1.河海大學(xué)水利水電工程學(xué)院,江蘇南京210098;2.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京210098;3.河海大學(xué)水資源高教利用與工程安全國(guó)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(duì)豐滿大壩16個(gè)壩段壩基揚(yáng)壓力進(jìn)行分析,確定26,27壩段為需要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的典型壩段.采用置信區(qū)間估計(jì)法和典型小概率法,擬定壩基揚(yáng)壓力的安全監(jiān)控指標(biāo),用于施工初期老壩的安全預(yù)警.置信區(qū)間法沒有聯(lián)系大壩的失事原因和機(jī)理,物理概念不十分明確,而典型小概率法簡(jiǎn)單易行.關(guān)鍵詞:揚(yáng)壓力;監(jiān)控指標(biāo);置信區(qū)間法;典型小概率法;豐滿大壩中圖分類號(hào):tv698.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:adoi:10.3969/j.issn.10001379.2011.o4.051豐滿水電站始建于1937年,是新中國(guó)成立前我國(guó)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(qiáng)度偏低,整體性差,泄洪設(shè)備不足,大壩滲漏嚴(yán)重,壩體揚(yáng)壓力大等安全隱患,嚴(yán)重影響了大壩的安全運(yùn)行.從社會(huì)和經(jīng)濟(jì)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(yùn)行,因此在施工期要明確監(jiān)控重點(diǎn),擬定安全監(jiān)控指標(biāo),保障工程安全穩(wěn)定運(yùn)行.由滲透水引起的壩基揚(yáng)壓力,對(duì)大壩的穩(wěn)定,變形,應(yīng)力都有一定的影響,揚(yáng)壓力越大對(duì)大壩的強(qiáng)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(yáng)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(huì)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(duì)監(jiān)測(cè)大壩安全極為重要.筆者選擇了16個(gè)壩段壩基揚(yáng)壓力計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,根據(jù)分析結(jié)果選出需重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的壩段,進(jìn)而擬定壩基揚(yáng)壓力的安全監(jiān)控指標(biāo).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(zhǎng)度為1080m,壩頂高程為267.70m,共有6o個(gè)壩段.壩基揚(yáng)壓力觀測(cè)孔布置在檢查廊道的橫斷面上.分別設(shè)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(shè)8個(gè)測(cè)孔,32壩段設(shè)6個(gè)測(cè)孑l,34,36,43和44壩段各設(shè)5個(gè)測(cè)孔,共計(jì)74個(gè)測(cè)孑l,20壩段所有揚(yáng)壓力孔均已停測(cè).?j24?2確定典型壩段壩基揚(yáng)壓力包括大壩單寬所承受的浮托力和滲透壓力兩部分,對(duì)壩體穩(wěn)定影響較大,一般壩底高程越低,庫(kù)水位越高,相應(yīng)的揚(yáng)壓力就越大.對(duì)于豐滿大壩8,14,16,26,27壩段,壩基揚(yáng)壓力的計(jì)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(diǎn)至第i+1點(diǎn)的距離,m;h為第i點(diǎn)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(cè)壓點(diǎn)總數(shù).32,34,35,36,38,43,44,47壩段的計(jì)算公式為iv=coh+c】hi+c2h2十+c.h+ch(2)其中h由接縫標(biāo)高算起.2001201o年壩基揚(yáng)壓力的大部分測(cè)值與庫(kù)水位變化相一致,呈現(xiàn)與庫(kù)水位良好的相關(guān)性.分析圖1壩基揚(yáng)壓力特征值分布可知,平均值最大的壩段為26,27壩段,達(dá)到1500016000kn/m左右,這與26,27壩段壩底平均高程最低,壩高相對(duì)最大以及水荷載作用較大有關(guān),同時(shí)還受壩下順河向斷層f,f的影響,且27壩段揚(yáng)壓力有一定程度的時(shí)效增加趨勢(shì),監(jiān)控中需要引起注意.壩基揚(yáng)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(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51079046,50909041,508o9025,5嘣79();河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室專項(xiàng)(1x19586o12,2010585212);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(ogrmosz4,2010b20414,2010/14114).作者簡(jiǎn)介:李妹昱(1988一),女.河南濮陽(yáng)人,碩士研究生,研究方向?yàn)榇髩伟踩O(jiān)測(cè).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(jì)法擬定壩基揚(yáng)壓力監(jiān)控指標(biāo)3.1置信區(qū)間估計(jì)法原理依據(jù)統(tǒng)計(jì)理論,取顯著性水平為,則p=的事件為小概率事件,在統(tǒng)計(jì)學(xué)中認(rèn)為是不可能發(fā)生的事件,如果發(fā)生,則認(rèn)為是異常的.該法根據(jù)以往的監(jiān)測(cè)資料或基于有限元模型的計(jì)算結(jié)果,建監(jiān)測(cè)效應(yīng)量與荷載之間的數(shù)學(xué)模型(如統(tǒng)計(jì)模型和混合模型等),用這些模型計(jì)算各種荷載作用下監(jiān)測(cè)效應(yīng)量()與實(shí)測(cè)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(nèi),而且測(cè)值無(wú)明顯趨勢(shì)性變化,則認(rèn)為大壩運(yùn)行是正常的;反之是異常的.擬定監(jiān)測(cè)效應(yīng)量的安全監(jiān)控指標(biāo)為e=ea(3)3.2壩基揚(yáng)壓力統(tǒng)計(jì)模型的建立壩基揚(yáng)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(wú)實(shí)測(cè)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(shí),考慮到壩前淤積,壩基帷幕防滲和排水效應(yīng)等隨時(shí)間的變化,需選人時(shí)效因子.組成壩基揚(yáng)壓力的上游水位分量日下游水位分量,溫度分量日,和時(shí)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(cè)日當(dāng)天,監(jiān)測(cè)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(cè)日上述時(shí)段對(duì)應(yīng)的上游水位平均值;,h為監(jiān)測(cè)日當(dāng)天,始測(cè)日的下游水位;t為從監(jiān)測(cè)日至始測(cè)日的累計(jì)天數(shù);t為建模所取資料序列的第1個(gè)測(cè)值日至始測(cè)日的累計(jì)天數(shù);0為監(jiān)測(cè)日至始測(cè)日的累計(jì)天數(shù)f除以100;0o為建模資料序列第1個(gè)測(cè)值日至始測(cè)日的累計(jì)天數(shù)t.除以100;.,6,cc:,d,d:分別為各效應(yīng)分量的回歸系數(shù).由=hu+h,建立壩基揚(yáng)壓力統(tǒng)計(jì)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(xiàng).對(duì)豐滿大壩典型壩段壩基揚(yáng)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行逐步回歸分析,求m統(tǒng)計(jì)模型中的系數(shù),26,27典型壩段擬合結(jié)果見表l.表1典型壩段壩基揚(yáng)壓力統(tǒng)計(jì)模型特征值注:r為統(tǒng)計(jì)模型的復(fù)相關(guān)系數(shù);o-為統(tǒng)計(jì)模型的剩余標(biāo)準(zhǔn)差.由表1可以看出,26,27壩段壩基揚(yáng)壓力統(tǒng)計(jì)模型復(fù)相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.9以上,擬合精度較高.3.3基于統(tǒng)計(jì)模型的安全監(jiān)控指標(biāo)擬定假設(shè)壩基揚(yáng)壓力實(shí)測(cè)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(nèi),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(duì)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(dǎo)(10)2o-2wwl=二_ied一)=-(j&2口一2根據(jù)式(10),當(dāng)顯著性水平ol=1%時(shí),=2.576;當(dāng)顯著性水平=5%時(shí),=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(yīng)跟蹤監(jiān)測(cè),無(wú)趨勢(shì)性變化為正常,否則異常,需進(jìn)行成因分析;若i一i>3o-,則測(cè)值異常,應(yīng)進(jìn)行成因分析.4典型小概率法擬定壩基揚(yáng)壓力監(jiān)控指標(biāo)4.1典型小概率法的原理在實(shí)測(cè)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(shí)的監(jiān)測(cè)效應(yīng)量e.或者它們的數(shù)學(xué)模型中各個(gè)荷載分量,得到一個(gè)小子樣樣本空間e=e,e:,e,該小樣本空問的統(tǒng)計(jì)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(duì)數(shù)正態(tài)分布和極值i型分布等,采用小子樣統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法(如ad法,ks法)進(jìn)行分布檢驗(yàn),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(cè)效應(yīng)量或某一荷載分布的極值即安全監(jiān)控指標(biāo),當(dāng)e>e時(shí),大壩將要出現(xiàn)異常情況或險(xiǎn)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(jiǎn)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(cè)效應(yīng)量,擬定監(jiān)控指標(biāo)在選擇典型監(jiān)測(cè)效應(yīng)量e時(shí),應(yīng)根據(jù)每座壩的具體情況,選擇不利于強(qiáng)度和穩(wěn)定的荷載組合所對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)值.對(duì)于揚(yáng)壓力來(lái)說(shuō),其值越大,對(duì)強(qiáng)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(yīng)量.采用非參數(shù)檢驗(yàn)法ks法對(duì)選擇的典型效應(yīng)量進(jìn)行分布檢驗(yàn),得到26,27壩段壩基揚(yáng)壓力每年最大值服從正態(tài)分布,并得到這兩個(gè)壩段在失事概率a=5%和=1%情況下的監(jiān)控指標(biāo),見表2.不十分明確,且不能聯(lián)系大壩的重要性(等級(jí)和級(jí)別)等4】.典型小概率法簡(jiǎn)單易行,但需要較長(zhǎng)的資料系列才能使得監(jiān)測(cè)效應(yīng)量包含最不利荷載組合時(shí)的情況j,依據(jù)其原理,選取較長(zhǎng)序列1960-2010年每年最大的值作為典型效應(yīng)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(biāo).該方法雖然定性聯(lián)系了對(duì)強(qiáng)度和穩(wěn)定不利的荷載組合所產(chǎn)生的效應(yīng)量,但是不能定量聯(lián)系大壩本身強(qiáng)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(jīng)驗(yàn)性.置信區(qū)間估計(jì)法和典型小概率法的理論基礎(chǔ)均為統(tǒng)計(jì)理論中的小概率事件,采用這兩種方法擬定壩基揚(yáng)壓力的監(jiān)控指標(biāo),可以用于施工初期豐滿老壩的安全預(yù)警.但是,在施工過(guò)程中還要注意積累新的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),進(jìn)一步開展正反分析,修正計(jì)算模型以及老壩壩基穩(wěn)定分析的荷載作用表達(dá)式,并進(jìn)行跟蹤分析,動(dòng)態(tài)建立滲流監(jiān)控指標(biāo),達(dá)到預(yù)警目的,確保施工安全順利進(jìn)行.表2典型小概率法擬定的安全監(jiān)控指標(biāo)kn/:參考文獻(xiàn):5結(jié)語(yǔ)通過(guò)對(duì)豐滿大壩壩基揚(yáng)壓力測(cè)值的計(jì)算分析,選出需重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的典型壩段,采用逐步回歸法建立的壩基揚(yáng)壓力統(tǒng)計(jì)模型精度較高,可進(jìn)行揚(yáng)壓力的預(yù)測(cè).采用置信區(qū)間法擬定了安全監(jiān)控指標(biāo),但該法沒有聯(lián)系大壩失事的原因和機(jī)理,物理概念(上接第123頁(yè))比如土地安置,自謀職業(yè)安置,二,三產(chǎn)業(yè)安置等.不少學(xué)者建議將移民安置補(bǔ)助費(fèi)入股分紅,這樣會(huì)分享更多的利潤(rùn),筆者對(duì)此持謹(jǐn)慎態(tài)度.從移民搬遷到電站發(fā)電這段時(shí)期是移民恢復(fù)生產(chǎn),生活的關(guān)鍵時(shí)期,急需資金扶持.移民的安置補(bǔ)助費(fèi)將發(fā)揮重要作用,若將安置補(bǔ)助費(fèi)入股,則移民漫長(zhǎng)的過(guò)渡期缺乏資金支持,貧困風(fēng)險(xiǎn)非常大;同時(shí)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(bǔ)助費(fèi)入股,可以考慮實(shí)施土地使用權(quán)入股分紅模式.參考文獻(xiàn):1施國(guó)慶,孫中垠,周建.水利水電工程移民利益導(dǎo)向機(jī)制及其建構(gòu)初探j(luò).西北人1:3.2009(5):3746.2劉道明,陳大國(guó),吳貴勝,等.水電工程征地移民長(zhǎng)期補(bǔ)償機(jī)制探索j水利水電快報(bào),2006(11):2324.?126?1顧沖時(shí),吳中如.大壩與壩基安全監(jiān)控理論和方法及其應(yīng)用m.南京:河海大學(xué)出版社,2006.2劉曉軍,文德鈞,嚴(yán)裕圣,等.三峽二期下游圍堰混凝土防滲墻拆除爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)與安全控制j.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào),2003,20(增刊):113115.3吳中如.水工建筑物安全監(jiān)控理論及其應(yīng)用m.北京:高等教育出版社,2003.4李占超,侯會(huì)靜.大壩安全監(jiān)控指標(biāo)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(biāo)的擬定j.人民黃河,2010,32(2):122123.【責(zé)任編輯張華巖】3warren,avanwicklin.sharingprojectbenefitstoimpmveresetflemlivelihoodsctheeconomicsofinvoluntaryresetdement:challengesandqustions.washionton:theworldbank,1999:241256.4femandesw.frommarg/nilizationtosharingtheprojtbenefits,risksandreconstruction:experiencesofresettlersandreignsr.washington:theworldbank,2000.