棉花灘大壩揚壓力的安全評估

棉花灘大壩揚壓力的安全評估

1電站和水利工程棉花灘水庫位于福建省永定縣。水庫位于鼎江老棉灘峽谷中部福至亭處。主壩為壓力混凝土重力壩，最大壩高113.0m，旁路高度179.0m，正常蓄水位173.00m，洪水站177.80m。電站于2000年12月18日下閘蓄水,2001年12月9日4臺機組投入運行。壩址河谷為基本對稱的V形河谷?；鶐r為燕山早期黑云母花崗巖,中細粒結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,微風化巖石致密堅硬。巖體內(nèi)還發(fā)育有花崗斑巖脈、閃斜煌斑巖脈和多組斷層。2縱向基礎(chǔ)灌漿廊道up5監(jiān)測壩基揚壓力監(jiān)測孔分別位于縱向基礎(chǔ)廊道和3個橫向廊道內(nèi),共布置了25個測點,編號分別為UP1～UP25,其中UP1～UP16位于1號壩段—6號壩段縱向基礎(chǔ)灌漿廊道,UP17～UP25位于3個橫向廊道內(nèi),所有測點同時進行人工和自動化監(jiān)測。UP5測孔在2003年6月堵塞導致測值異常,后在其旁邊新建了一揚壓力觀測孔,兩孔同時進行監(jiān)測,新建的命名為新UP5,原來的命名為舊UP5。人工監(jiān)測時間系列為2001年9月至2008年12月,一般每月進行3次監(jiān)測,個別時間段(尤其是前期)每月監(jiān)測10次;自動化監(jiān)測時間系列為2002年11月至2008年12月,一般每天進行1次監(jiān)測。3水庫周邊壓力變化規(guī)律的分析3.1揚壓力測孔水位扣除少數(shù)突變和明顯異常測值,用相關(guān)軟件繪制揚壓力實測過程線,由這些實測過程線可以看出:(1)上游庫水位變化是影響壩基揚壓力測孔水位變化的主要因素,上游水位升高則測值增大,上游水位降低則測值減小。庫水位的變化對測孔水位的影響有一滯后過程,靠近上游的揚壓力測孔水位受庫水位變化的影響要比距上游較遠的測孔大。(2)溫度變化對揚壓力測孔水位有一定影響,在相近庫水位下,溫度升高則測孔水位降低,溫度降低則測孔水位上升。(3)降雨對壩基揚壓力測孔水位也有一定的影響,降雨量較多、庫水位較高的時段,揚壓力測孔水位較高;降雨量較少、庫水位較低的時段,揚壓力測孔水位較低。另外,降雨對揚壓力測孔水位的影響也有一定滯后過程。(4)沿壩軸線各揚壓力測孔水位總體呈現(xiàn)河床壩段較低、兩岸壩段較高的分布趨勢,主要原因是兩岸壩段除受庫水位、降雨量變化影響外,還受兩岸地下水位變化的影響。此外,位于右岸5號壩段的UP5、UP6測孔水位比相鄰測孔水位以及左岸相近高程測孔水位高,尤其是UP5孔水位較高,這可能與該壩段基礎(chǔ)地質(zhì)條件復雜,有F18等斷層穿過有關(guān)。位于左岸1號壩段的UP15測孔水位也較高,這與該測孔附近有F8斷層穿過有關(guān)。(5)在2號壩段橫向廊道布置有UP23、UP24、UP25測壓孔,與相近的灌漿廊道內(nèi)UP7測壓孔構(gòu)成沿橫向的揚壓力監(jiān)測斷面,總體上從上游至下游,測孔水位有逐漸降低的趨勢,符合一般的滲流變化規(guī)律。在4號壩段橫向廊道內(nèi)布置有UP19～UP22共4個測壓孔,與相近的灌漿廊道內(nèi)UP9測壓孔構(gòu)成沿該壩段橫向揚壓力監(jiān)測斷面。總體上從上游至下游,測孔水位逐漸降低,靠近上游的UP9孔水位最高,而靠近下游的UP22孔水位最低,符合一般的滲流變化規(guī)律。在5號壩段橫向廊道內(nèi)布置有UP17、UP18測壓孔,另外在附近灌漿廊道內(nèi)布置有UP5測壓孔,由此構(gòu)成沿壩段的橫向揚壓力監(jiān)測斷面。該斷面揚壓力靠近上游面的UP5測壓孔水位最高,其次是靠近下游面附近的UP18孔較高,而靠近中間偏上游的UP17孔水位相對較低,這可能與該壩段地質(zhì)條件復雜、基礎(chǔ)下有F18等斷層穿過有關(guān)。同時,該壩段上游面附近的UP5測孔水位測值與鄰近孔水位相比偏高,而且UP17和UP18孔水位有逐漸升高的趨勢,應加強監(jiān)測和分析。上述分析表明,壩基揚壓力總體變化規(guī)律尚屬正常,但UP9、UP11、UP17、UP18孔的水位有逐漸上升的趨勢,UP5、UP6、UP15孔的水位比相鄰部位孔水位高,建議對這些部位加強監(jiān)測和分析。3.2楊壓力定量分析3.2.1壩基揚壓力結(jié)果回歸模型的建立人工測值間隔時間長,準確性較低,因此對自動化測值數(shù)據(jù)系列進行建模分析。根據(jù)壩基揚壓力測孔水位監(jiān)測資料情況,建模時段為2003年1月1日至2008年12月31日,但監(jiān)測儀器更換使個別測點從2005年后開始建模。揚壓力監(jiān)測資料分析表明,壩基揚壓力監(jiān)測孔水位主要受水位、溫度、降雨、時效等影響,因此分析時采用如下統(tǒng)計模型:H=Hh+HT+HP+Hθ=α0+∑i=15αi(hi?h0i)+∑i=12[b1i(sin2πit365?sin2πit0365)+b2i(cos2πit365?cos2πit0365)]+∑i=14ci(Pi?P0)+d1(θ?θ0)+d2(lnθ?lnθ0)(1)Η=Ηh+ΗΤ+ΗΡ+Ηθ=α0+∑i=15αi(hi-h0i)+∑i=12[b1i(sin2πit365-sin2πit0365)+b2i(cos2πit365-cos2πit0365)]+∑i=14ci(Ρi-Ρ0)+d1(θ-θ0)+d2(lnθ-lnθ0)(1)式中:H、Hh、HT、HP、Hθ分別為壩基揚壓力測壓孔水位的擬合值、水位分量、溫度分量、降雨分量、時效分量;αi為上下游水位分量的回歸系數(shù)(i=1～5);hi為監(jiān)測日、監(jiān)測日前1d、前2～4d、前5～15d、前16～30d的上下游平均水位(i=1～5);h0i為初始監(jiān)測日上述各時段對應的上下游水位平均值(i=1～5);t為從監(jiān)測日至始測日的累計天數(shù);t0為建模所取資料序列的第一個測值日至始測日的累計天數(shù);b1i、b2i為溫度因子回歸系數(shù)(i=1,2);Pi為監(jiān)測日、監(jiān)測日前1d、前2～4d、前5～8d的平均降雨量(i=1～4);P0為初始監(jiān)測日上述各時段對應的平均降雨量(i=1～4);ci為降雨量因子回歸系數(shù)(i=1～4);d1、d2為時效分量回歸系數(shù);θ為監(jiān)測日至始測日的累計天數(shù)t除以100;θ0為建模資料序列第一個測值日至始測日的累計天數(shù)t0除以100。采用逐步回歸分析法,按式(1)對壩基揚壓力26個測點建立回歸模型,統(tǒng)計了各測點回歸模型的回歸系數(shù)、復相關(guān)系數(shù)(R)和標準差(S),并且繪制了實測值、擬合值及殘差過程線。在26個揚壓力監(jiān)測點中,統(tǒng)計模型的復相關(guān)系數(shù)大于0.9的共15個測點,介于0.8～0.9的測點有5個,小于0.8的有6個測點,其中復相關(guān)系數(shù)最小的測點為UP25,其復相關(guān)系數(shù)為0.724?？傮w來說,各測點揚壓力測孔水位統(tǒng)計模型精度較高。3.2.2揚壓力、增降溫度、時效分量為了定量分析和評價水位、溫度、降雨、時效等各分量對壩基揚壓力的影響,以2007年為典型年,用模型分離各測點各分量的年變幅值,進而分析各分量的影響。上游水位變化是影響壩基揚壓力測孔水位變化的主要因素。在26個揚壓力孔水位測點中,25個測點選中上游水位因子,庫水位升高,揚壓力測孔水位升高;庫水位下降,揚壓力測孔水位降低,孔水位變化滯后于庫水位的變化。在2007年水位年變幅中,水壓分量占50%～70%。溫度對壩基揚壓力有一定的影響,所有測點均選中溫度因子。在2007年揚壓力測孔水位年變幅中,溫度分量占10%～20%。在26個測點中有25個測點選中降雨因子,說明降雨對壩基揚壓力測孔水位變化有一定的影響,且岸坡測點比河床測點受降雨的影響大。在2007年揚壓力測孔水位年變幅中,降雨分量占15%～25%。所有揚壓力水位測點均選中時效因子,即時效分量對壩基揚壓力有一定的影響。在2007年揚壓力測孔水位年變幅中,時效分量占年變幅的5%左右。4揚壓力折減系數(shù)揚壓力折減系數(shù)的計算公式為αi=Hi?H2H1?H2(2)αi=Ηi-Η2Η1-Η2(2)式中:αi為第i個測壓孔的折減系數(shù);H1為上游水位;H2為下游水位,當測孔對應的基巖高程高于下游水位時,H2用基巖高程代替,由于棉花灘電站無下游水位測值,因此全用基巖高程代替;Hi為第i個測壓孔的實測水位。用Fortran軟件編制相應的程序,應用式(2)計算出各測孔的揚壓力折減系數(shù),可見:高水位時段(水位高于170m)各測孔最大揚壓力折減系數(shù)為-0.330～0.555,其中UP5、UP6、UP15段揚壓力折減系數(shù)較大,最大揚壓力折減系數(shù)分別為0.304、0.395、0.555,均超過了設(shè)計值0.3,其余測點揚壓力折減系數(shù)均小于0.3。產(chǎn)生上述結(jié)果的可能原因有:①UP15位于1號岸坡壩段,揚壓力除受庫水位及降雨等影響外,還受山坡地下水變化的影響,且該壩段基礎(chǔ)下有F8等斷層穿過,導致折減系數(shù)偏高;②UP5、UP6孔位于5號壩段,該壩段壩基基礎(chǔ)條件復雜,壩基內(nèi)存在F18等斷層,導致?lián)P壓力折減系數(shù)較高。因此,應對這些揚壓力系數(shù)偏高的部分加強監(jiān)測和分析,必要時采取工程措施進行處理。5各測點壓力分布選取2005年9月4日高水位時段(水位為172.38m)的各測點測壓孔水位與允許最大設(shè)計水位進行對比,繪制縱向廊道和橫向廊道的揚壓力分布曲線?？梢钥闯?在典型高水位時段,各測壓孔的揚壓力均未超過設(shè)計允許最大值,壩基揚壓力測孔水位在正常范圍內(nèi)。6揚壓力監(jiān)測斷面位置綜上所述,對棉花灘壩基揚壓力變化評價如下:壩基揚壓力主要受上游水位、溫度、降雨、時效的影