长洲水利枢纽混凝土重力坝坝顶垂直位移变量分离研究
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摘 要：坝顶垂直位移是反映混凝土重力坝变形的重要指标，通过对长洲水利枢纽混凝土重力坝坝顶垂直位移观测数据整编与分析，建立逐步回归分析模型，分析大坝坝顶垂直位移变化规律，结果表明，温度分量是影响坝顶垂直位移的主要因素，水压分量和时效分量是影响坝顶垂直位移的次要因素。希望可以为行业内混凝土重力坝坝顶垂直位移分析提供参考。
关键词：长洲水利枢纽 混凝土重力坝 坝顶垂直位移 变量分离
中图分类号：TV698.1 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）11（c）-0064-03
1 引言
1.1 工程概况
广西长洲水利枢纽位于西江水系干流浔江下游河段，枢纽坝轴线跨两岛三江（外江、中江、内江、长洲岛和泗化洲岛），是一座以发电为主，兼有航运、灌溉和养殖等综合利用效益的大型水利工程。樞纽工程主要由土石坝、重力坝、厂房、泄水闸、鱼道、船闸等建筑物组成。长洲水利枢纽水库正常蓄水位20.6m，死水位18.6m，汛期限制水位18.6m，水库总库容56.0亿m3，正常蓄水位时库容18.6亿m3，属一等工程，坝顶高程34.6m，最大坝高56m。该工程监测项目主要有外部变形、基岩变形、混凝土裂缝、渗流、应力应变、温度等监测项目，其中变形监测为监测重点。
1.2 垂直位移监测简述
坝顶垂直位移监测是变形监测的一项主要内容，其成果能准确反映水工建筑物垂直向的变形性态。按照工程特点，内、中、外江坝顶布置了垂直位移测点，各布设1条水准线路，共计3条水准线路103个测点;其中外江坝段垂直位移测点50个，内江坝顶垂直位移测点44个，中江垂直位移测点44个;均按一等水准观测方法进行施测。
作为长洲水利枢纽的重要变形监测指标——坝顶垂直位移监测，其监测值反映的是各种内外部条件的综合作用下的垂直向变形效应，即既有水位水压效应引起的变形，又有温度效应引起的变形，还有建筑物、基岩等的时间效应引起的变形，而采用测量仪器监测得到的物理量只是上述效应的综合表现。因此，有必要通过一定的数学模型和结构分析，对各种效应量进行分离，定性、定量评价各种效应量对坝顶垂直位移的影响，建立科学的评价机制，对进一步确定坝体稳定的评价手段等工作具有重要意义。
2 长洲水利枢纽垂直变形建模
一般影响重力坝变形（水平位移和垂直位移）的因素较多，其中水压、温度和时效是影响坝体变形的三大因素。通过对该工程混凝土重力坝坝顶垂直位移监测资料的分析，采用逐步回归分析法建立重力坝坝顶垂直位移统计回归分析模型，确定三大因素的影响程度排序。
2.1 坝顶垂直位移的统计模型介绍
坝顶垂直位移主要受水压、温度、时效等因素的影响，由水压分量、温度分量和时效分量组成，即：
δ=δH+δT+δθ （1）
式中，δ为垂直位移;
δH为水压分量;
δT为温度分量;
δθ为时效分量。
2.2 模型分量表达式
2.2.1 水压分量（δH）
对于大坝而言，坝体任一点在水压作用下产生的水压分量δH与水深H1、H2、H3有关，即：
（2）
式中：Hu为监测日水深;
H0为起测日水深;
Hu，i-2为分别为监日前1d、前2～3d、前4～9d、前10～15d、前16～30d平均水位（i=4～8）;
ai为回归系数。
2.2.2 温度分量（δT）
长洲水利枢纽处南方高热区域，考虑到大坝已运行10年多，故选用周期项模拟坝体温度场的变化。若温度影响用周期函数表示，则δT为：
（3）
式中：n为根据大坝的实际情况取2;
t为监测日当天至起测日累计天数。
2.2.3 时效分量（δθ）
大坝产生时效位移的原因极为复杂，它包括坝体裂缝、大坝加固引起的结构变化，以及坝体和基岩的蠕变及基岩地质构造的压缩变形等引起的不可逆变形等因素。一般时效位移蓄水初期变化剧烈，其后渐趋平稳。根据大坝实际情况，选用下列形式：
δθ=c1（θ-θ0）+c2（Inθ-Inθ0） （4）
式中：θ为从始测日至观测日的累计天数除以100;
c1、c2为回归系数。
综上所述，根据大坝的特点，并考虑初始值的影响，得到大坝的垂直位移的统计模型为：
+
+δθ=c1（θ-θ0）+
c2（Inθ-Inθ0） （5） 3 坝顶垂直位移测量成果分析
3.1 实测数据分析
对于该工程而言，用DNA03数字水准仪测得的数据为各种效应量结果下的复合变形量，如图1、图2所示。
从上述变形曲线看，混凝土坝段呈现典型的周期性变形状态，变化周期大约为1年，总体在合理范围内变化。
3.2 统计模型分析
结合长洲大坝的特点，根据历时多年的长期观测数据，选取外江船闸WLD-08、WLD-09、WLD-10、WLD-11、WLD-12和外江闸坝WLD-18、WLD-29、WLD-25、WLD-33为典型断面（测点），以长期的实测结果为基础，采用逐步回归分析法，建立大坝垂直位移观测资料统计模型，计算大坝垂直位移统计模型的回归系数、复相关系数（R）和标准差（S）等，绘制大坝垂直位移观测资料的实测值、拟合值及殘差过程线，进一步分离各个因子引起的变形量。图3～图4为重力坝、闸坝典型测点回归成果过程线（横向坐标为日期）。
从表1中回归成果来看，统计模型复相相关系数R在 0.933～0.966之间，模型质量较好，能较好地反映坝顶垂直位移的变化规律。
3.3 变量分离
为评价各因素对大坝垂直位移的影响，特选取各测点2014—2018年坝顶垂直位移的测值进行分析，坝顶垂直位移各分量变幅量统计见表2。
3.4 长洲水利枢纽大坝坝顶垂直位移变形评价
通过上述坝顶测点垂直位移的定性和定量分析，对大坝垂直位移的性态评价如下。
（1）在所有的影响因子中，温度因子是大坝建成后的主要变形影响因素，即温度变化主要影响混凝土坝段坝顶垂直位移变化。温度变化与坝顶垂直位移呈负相关，呈明显的年周期变化。其中坝顶垂直位移年变幅中温度分量所占比例约为69%～79%。
（2）水压变化和时效对垂直位移有一定影响，所占比例分别约为9%～13%、9%～20%。
4 结论和建议
（1）长洲水电站混凝土重力坝段（含船闸坝段和泄水闸）坝顶垂直位移主要受温度变化影响，水位和时效因素起次要作用，坝顶垂直位移变化规律正常，时效变化已趋收敛，坝顶各测点没有明显的不均匀沉降现象。
（2）通过模型的进一步分析和演算，对于该工程的水平位移变形可参考采用类似的计算模型，建立电站的系统变形分析工具，形成数据管理的数值化手段。
参考文献
[1] 张进平，庄万康.大坝安全监测的位移分布数学模型[J].水利学报，1991（5）：28-35.
[2] 李珍照.大坝安全监测[M].北京：中国电力出版社，1997.
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