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1、丰满大坝坝基扬压力安全监控指标拟定第33卷第4期2011年4月人民YELLOW黄河RIVERVo1.33.No.4Apr.,2011【水利水电工程】丰满大坝坝基扬压力安全监控指标拟定李妹昱,张伟.,姚远,顾伊娜4(1.河海大学水利水电工程学院,江苏南京210098;2.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏南京210098;3.河海大学水资源高教利用与工程安全国家工程研究中心,江苏南京210098;4.江苏省淮沭新河管理处,江苏淮安223002)摘要:对丰满大坝16个坝段坝基扬压力进行分析,确定26,27坝段为需要重点监测的典型坝段.采用置信区间估计法和典型小概率法,拟定坝基扬压
2、力的安全监控指标,用于施工初期老坝的安全预警.置信区间法没有联系大坝的失事原因和机理,物理概念不十分明确,而典型小概率法简单易行.关键词:扬压力;监控指标;置信区间法;典型小概率法;丰满大坝中图分类号:TV698.1文献标识码:Adoi:10.3969/j.issn.10001379.2011.o4.051丰满水电站始建于1937年,是新中国成立前我国修建的第一座大型水力发电工程.现今丰满大坝存在坝体混凝土强度偏低,整体性差,泄洪设备不足,大坝渗漏严重,坝体扬压力大等安全隐患,严重影响了大坝的安全运行.从社会和经济效益出发,重建丰满大坝是十分必要的.在重建期间,原丰满大坝可作为围堰,照常运行,
3、因此在施工期要明确监控重点,拟定安全监控指标,保障工程安全稳定运行.由渗透水引起的坝基扬压力,对大坝的稳定,变形,应力都有一定的影响,扬压力越大对大坝的强度和稳定越不利.坝高100m左右的重力坝,坝基面上作用的扬压力大约为坝体重力的20%左右.重建丰满大坝位于原大坝下游120m处,施工会影响大坝的渗漏状况,如大坝底部基岩中的帷幕深入岩体较深,厚度薄,施工爆破有可能使抗震性能弱的灌浆帷幕失去整体性,形成渗漏通道,危及大坝安全,因此分析大坝渗漏状况对监测大坝安全极为重要.笔者选择了16个坝段坝基扬压力计算数据进行分析,根据分析结果选出需重点监测的坝段,进而拟定坝基扬压力的安全监控指标.1工程概况丰
4、满水电站原枢纽工程由混凝土重力坝,溢流坝,坝后式厂房及变电站,左岸泄洪洞(后改建成三期引水洞)及三期发电厂房组成.拦河坝最大坝高为91.7m,坝顶长度为1080m,坝顶高程为267.70m,共有6O个坝段.坝基扬压力观测孔布置在检查廊道的横断面上.分别设在8,14,l6,20,26,27,32,34,35,36,38,43,44,47,49,54坝段.其中,20和27坝段各设8个测孔,32坝段设6个测孑L,34,36,43和44坝段各设5个测孔,共计74个测孑L,20坝段所有扬压力孔均已停测.?j24?2确定典型坝段坝基扬压力包括大坝单宽所承受的浮托力和渗透压力两部分,对坝体稳定影响较大,一般
5、坝底高程越低,库水位越高,相应的扬压力就越大.对于丰满大坝8,14,16,26,27坝段,坝基扬压力的计算公式为1V=Co口+Clhl+C2+C.h+C.h+BH2(1)其中C=(b+b)/2式中:6为第i点至第i+1点的距离,m;h为第i点渗透压力水头,m;B为坝基上,下游宽度,m;日为上游水位与下游水位之差,m;为下游水位与下游坝趾接缝高程之差;n为断面测压点总数.32,34,35,36,38,43,44,47坝段的计算公式为IV=CoH+C】hI+C2h2十+C.h+Ch(2)其中h由接缝标高算起.2001201O年坝基扬压力的大部分测值与库水位变化相一致,呈现与库水位良好的相关性.分析
6、图1坝基扬压力特征值分布可知,平均值最大的坝段为26,27坝段,达到1500016000kN/m左右,这与26,27坝段坝底平均高程最低,坝高相对最大以及水荷载作用较大有关,同时还受坝下顺河向断层F,F的影响,且27坝段扬压力有一定程度的时效增加趋势,监控中需要引起注意.坝基扬压力最大值为16840.34kN/m,出现在26坝段(2010年7月31日),其次为16597.13收稿日期:2OLOl1-05基金项目:国家自然科学基金资助项目(51079046,50909041,508o9025,5嘣79();河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室专项(1x19586o12,20105852
7、12);中央高校基本科研业务费项目(ogrmosz4,2010B20414,2010/14114).作者简介:李妹昱(1988一),女.河南濮阳人,硕士研究生,研究方向为大坝安全监测.Email:hhulsy163.coin人民黄河2011年第4期kN/m,出现在27坝段(2010年8月27日).:三I量O010o00o00000O000O3置信区间估计法拟定坝基扬压力监控指标3.1置信区间估计法原理依据统计理论,取显着性水平为,则P=的事件为小概率事件,在统计学中认为是不可能发生的事件,如果发生,则认为是异常的.该法根据以往的监测资料或基于有限元模型的计算结果,建监测效应量与荷载之间的数学模
8、型(如统计模型和混合模型等),用这些模型计算各种荷载作用下监测效应量()与实测值E之间的差值(EE),该值有1一a的概率落在置信带(=io-)范围之内,而且测值无明显趋势性变化,则认为大坝运行是正常的;反之是异常的.拟定监测效应量的安全监控指标为E=EA(3)3.2坝基扬压力统计模型的建立坝基扬压力受上游水位和下游水位的影响,渗流受地基裂隙变化的影响,裂隙变化受基岩温度的作用.基岩温度变化小,且基本E呈年周期变化,丰满电站无实测基岩温度,这里直接采用正弦波周期函数作为温度分量.同时,考虑到坝前淤积,坝基帷幕防渗和排水效应等随时间的变化,需选人时效因子.组成坝基扬压力的上游水位分量日下游水位分量
9、,温度分量日,和时效分量月可以表示为=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为监测日当天,监测日前第1d,第2d,34d,515d,1630d的平均上游水位(i=16);Ho为初始监测日上述时段对应的上游水位平均值;,H为监测日当天,始测日的下游水位;t为从监测日至始测日的累计天数;t为建模所取资料序列的第1个测值日至始测日的累计天数;0为监测日至始测日的累计天数f除以100;0o为建模资料序列第1个测值日至始测日的累计天数t.除以100;.,6,cc:,d,d:分别为各效应分量的回归系数.由=
10、Hu+H,建立坝基扬压力统计模型:=.+.(一H)+6(日d一Hj0)+csin-sin:ossmdl(00o)+d2(In0一In0o)(8式中:.为常数项.对丰满大坝典型坝段坝基扬压力数据进行逐步回归分析,求m统计模型中的系数,26,27典型坝段拟合结果见表l.表1典型坝段坝基扬压力统计模型特征值注:R为统计模型的复相关系数;O-为统计模型的剩余标准差.由表1可以看出,26,27坝段坝基扬压力统计模型复相关系数均达到0.9以上,拟合精度较高.3.3基于统计模型的安全监控指标拟定假设坝基扬压力实测值与拟合值服从均值(一)=0的正态分布,则(W)有1一的概率落在置信区问(一,)内,即P一A&l
11、t;(WW)<=广e止业(W2er2dW一一W):1一OL(9一)l=-e(一)=l一()一,/2aro-根据正态分布的对称性可知: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):导(10)2o-2WWl=二_Ied一)=-(j&2口一2根据式(10),当显着性水平OL=1%时,=2.576;当显着性水平=5%时,=1.960.根据丰满电站的具体情况,若1一f2o-,则正常;若2r,<I一l3o-,则应跟踪监测,无趋势性变化为正常,否则异常,需进行成因分析;若I一I>3o-,则测值异常,应进行成
12、因分析.4典型小概率法拟定坝基扬压力监控指标4.1典型小概率法的原理在实测资料中,根据不同坝型和各座大坝的具体情况,选择荷载组合时的监测效应量E.或者它们的数学模型中各个荷载分量,得到一个小子样样本空间E=E,E:,E,该小样本空问的统计特征值为1nE=1E(11)(窆i=l(12)假定E的分布形式,如正态分布,对数正态分布和极值I型分布等,采用小子样统计检验法(如AD法,KS法)进行分布检验,确定其概率密度分布函数F(E).?125?人民黄河2011年第4期令E为监测效应量或某一荷载分布的极值即安全监控指标,当E>E时,大坝将要出现异常情况或险情,其概率为,P(E>E)=JE)d
13、E(13)JEm根据大坝重要性确定失事概率P(简写为)后,就由E的分布函数直接求出:E=F(E,or,)(14)4.2选择典型监测效应量,拟定监控指标在选择典型监测效应量E时,应根据每座坝的具体情况,选择不利于强度和稳定的荷载组合所对应的监测值.对于扬压力来说,其值越大,对强度和稳定越不利.因此选取丰满大坝坝基1960-2010年每年最大的值作为典型效应量.采用非参数检验法KS法对选择的典型效应量进行分布检验,得到26,27坝段坝基扬压力每年最大值服从正态分布,并得到这两个坝段在失事概率a=5%和=1%情况下的监控指标,见表2.不十分明确,且不能联系大坝的重要性(等级和级别)等4】.典型小概率
14、法简单易行,但需要较长的资料系列才能使得监测效应量包含最不利荷载组合时的情况J,依据其原理,选取较长序列1960-2010年每年最大的值作为典型效应量,得到典型坝段在失事概率Ot=5%和=1%情况下的监控指标.该方法虽然定性联系了对强度和稳定不利的荷载组合所产生的效应量,但是不能定量联系大坝本身强度和稳定控制条件,且其失事概率Ot的选择还没有规范可循,带有一定的经验性.置信区间估计法和典型小概率法的理论基础均为统计理论中的小概率事件,采用这两种方法拟定坝基扬压力的监控指标,可以用于施工初期丰满老坝的安全预警.但是,在施工过程中还要注意积累新的监测数据,进一步开展正反分析,修正计算模型以及老坝坝
15、基稳定分析的荷载作用表达式,并进行跟踪分析,动态建立渗流监控指标,达到预警目的,确保施工安全顺利进行.表2典型小概率法拟定的安全监控指标kN/:参考文献:5结语通过对丰满大坝坝基扬压力测值的计算分析,选出需重点监测的典型坝段,采用逐步回归法建立的坝基扬压力统计模型精度较高,可进行扬压力的预测.采用置信区间法拟定了安全监控指标,但该法没有联系大坝失事的原因和机理,物理概念(上接第123页)比如土地安置,自谋职业安置,二,三产业安置等.不少学者建议将移民安置补助费入股分红,这样会分享更多的利润,笔者对此持谨慎态度.从移民搬迁到电站发电这段时期是移民恢复生产,生活的关键时期,急需资金扶持.移民的安置
16、补助费将发挥重要作用,若将安置补助费入股,则移民漫长的过渡期缺乏资金支持,贫困风险非常大;同时电站发电后也将面临巨额分红压力,在很大程度上影响投资效益.基于此,不宜将移民安置补助费入股,可以考虑实施土地使用权入股分红模式.参考文献:1施国庆,孙中垠,周建.水利水电工程移民利益导向机制及其建构初探J.西北人1:3.2009(5):3746.2刘道明,陈大国,吴贵胜,等.水电工程征地移民长期补偿机制探索J水利水电快报,2006(11):2324.?126?1顾冲时,吴中如.大坝与坝基安全监控理论和方法及其应用M.南京:河海大学出版社,2006.2刘晓军,文德钧,严裕圣,等.三峡二期下游围堰混凝土防
17、渗墙拆除爆破震动监测与安全控制J.长江科学院院报,2003,20(增刊):113115.3吴中如.水工建筑物安全监控理论及其应用M.北京:高等教育出版社,2003.4李占超,侯会静.大坝安全监控指标理论及方法分析J.水力发电,2010,36(5):6467.5金秋,刘贝贝,张磊.古田溪大坝典型坝段水平位移监控指标的拟定J.人民黄河,2010,32(2):122123.【责任编辑张华岩】3Warren,AVanWicklin.SharingProjectBenefitstoImpmveResetflemLivelihoodsCTheEconomicsofInvoluntaryResetdemen
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