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某水电站坝基扬压力异常原因分析

2020-06-18 来源:年旅网
第44卷第1期 2 0 1 3年1月 文章编号:1001—4179(2013)Ol一0052—05 人 民 长 江 Yangtze River Vo1.44.No.1 Jan., 2013 某水电站坝基扬压力异常原因分析 朱 凯 ’ ,梅一韬 ,2 ,刘敬洋1,2,3,任泽栋 ,2 ,张凤山 (1.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; 2.河海大学水资源高效利 用与工程安全国家工程研究中心,江苏南京210098; 3.河海大学水利水电学院,江苏南京210098) 摘要:坝基扬压力监控在重力坝安全监控中占有十分重要的地位,通过对某水电站坝基扬压力监测资料的定 性分析发现,5号坝段坝基扬压力测值偏高,并有逐渐增加的趋势。进而通过扬压力折减系数、简单相关系数 法、统计模型法、综合成因分析法等方法对该坝段进行定量分析,发现该坝段测孔扬压力折减系数偏大,测孔 水位与上游水位相关性较大,进一步证明5号坝段下游侧可能存在潜在渗流通道,应加强监测,并在必要时采 取工程措施。 关键词:扬压力;定性分析;定量分析;统计模型;坝基 文献标志码:A 中图法分类号:TV697 重力坝坝基扬压力对大坝稳定、变形、应力有重要 力对坝基安全运行的影响,为今后进行扬压力安全监 影响,其在大坝安全监测中占有十分重要的地位。重 力坝在水压力及其他荷载作用下,主要依靠坝体自重 产生的抗滑力来满足稳定要求;同时依靠坝体自重产 生的压应力来抵消由于水压力所引起的拉应力,以满 测提供借鉴。 1 工程简介 棉花滩水电站位于福建省永定县境内,工程属于 足强度要求。而据计算分析,坝高100 m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 。 I等枢纽工程,坝体主要由碾压混凝土重力坝、湖洋里 副坝、坝顶开敞式溢洪道、泄水底孔、左岸输水建筑物 及地下发电厂房、左岸200kV GIS洞内式配电装置及 扬压力包括上浮力及渗流压力。上浮力是坝体下 游水深所产生的浮托力;渗流压力是在上、下游水位差 作用下,水流通过基岩节理、裂隙而产生的向上的静水 压力。因为岩体中节理裂隙的产状十分复杂,所以地 基内的渗流以及作用于坝底面的渗流压力难以准确确 定 ,以往研究通常采用统计模型、混沌模型、神经网 络法等对坝基扬压力进行定量分析。本文采用定性分 地面控制楼等建筑物组成。碾压混凝土重力坝最大坝 高113.0 m,坝顶全长308.5 m,坝顶高程为179.0 m。 坝址处河谷狭窄,地形为基本对称的“V”形河 谷,枯水期河面宽20.0~30.0 m,两岸山体雄厚。基 岩为燕山早期黑云母花岗岩,中细粒结构、块状构造, 微风化岩石致密坚硬,岩体内还发育有花岗斑岩脉、闪 斜煌斑岩脉和多组断层。河谷岸坡岩体风化比较严 析、简单相关系数法、统计模型法、综合成因分析法等 方法对棉花滩水电站坝基扬压力进行定性、定量分析, 并结合地质资料,确定坝段扬压力异常原因,评价扬压 收稿日期:2012—05—23 重,除一般的风层带外,并有球状及夹层状风化特征, 风化岩中残留孤石较多,岩体渗透性弱,建坝的工程地 质条件良好。 基金项目:国家自然科学基金资助项目(51139001,51179066,51079046,50909041);新世纪优秀人才支持计划资助(NCET— l1—0628,NCET一10—0359);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基金(2009586012, 2009586912,2Ol0585212) 作者简介:朱 凯,男,硕士研究生,主要从事大坝安全监测方面的研究。E—mail:nanzihan_168@126.eom 第1期 朱 凯,等:某水电站坝基扬压力异常原因分析 53 坝基扬压力监测孔分别位于纵向基础廊道以及3 d (】n 一lnO。) (1) 个横向廊道内,共布置了25个测点,编号为UP1~ UP25。其中横向廊道内测点布置图见图1。其中UP1 ~式中,日为坝基扬压力检测孔孑L水位的拟合值; 为坝 基扬压力检测孔孔水位的上游水位分量; 为坝基扬 UP16位于I~6号坝段纵向基础灌浆廊道,UP17~ 压力检测孔孔水位的温度分量;H 为坝基扬压力检测 孔孔水位的降雨分量;H 为坝基扬压力检测孔孔水位 的时效分量。其中a 为上下游水位分量的回归系数(i =UP25位于3个横向廊道内,所有测点采用测压管进行 测量,均有人工和自动化测值。UP5孔在2003年6月 堵塞,后来在其旁边新建了另外一个扬压力观测孑L来 进行观测,相对应于前一个扬压力孔,新建的命名为新 UP5(UP5一NEW),原来的命名为旧UP5(UP5一 1~5);h 为监测日当天、监测El前1 d、前2~4 d、 前5~15 d、前l6~30 d的上下游平均水位(i=1~ 5);h。 为初始监测日上述各时段对应的上下游平均水 OLD)。人工监测时间系列为2001年9月~2008年 位(i=1~5);t为从监测日到始测日的累计天数;t 12月,大多数监测频次为每月监测3次,个别时间(尤 为建模所取资料序列的第一个测值Et至始测日的累积 其是前期)测值较密;自动化监测时间系列为2002年 天数;6。 、b: 为温度因子回归系数(i=1,2)。P 为监测 1 1月~2008年12月,每天监测1次。 日当天、监测Et前1 d、前2~4 d、前5~8 d的平均降 2分析思路 雨量均值(i:1~4);P。 为初始监测日上述各时段对 应的平均降雨量(i=1~4);c 为降雨量因子回归系 (1)定性分析。主要通过时空分析,对坝基扬压 数(i=1~4);0为监测El至始测日的累积天数 除以 力的变化规律及其于环境量(上下游水位、温度、降 100的数值;0。为建模资料序列第一个测值日至始测 雨)的相关性进行分析,以揭示影响坝基扬压力异常 日的累积天数t 除以100的数值。 的影响因素…。 (2)定量分析。主要是对扬压力观测资料进行统 3分析及计算结果 计分析,建立统计模型,量化各影响因素对大坝坝基扬 3.1扬压力变化规律 压力的影响程度,以便进一步评价大坝扬压力性态。 实测资料分析表明,坝基扬压力主要受上游水位和下 根据定性分析原理,选取2003年6月20日至 游水位的影响;降雨对岸坡坝段坝基扬压力也有一定 2008年12月27日的环境量、扬压力监测资料进行过 影响;另外,由于岩基温度的变化引起节理裂隙的张开 程线分析,并绘制坝前水位、各典型测孔扬压力孔口水 度变化,从而亦引起扬压力的变化。此外考虑到坝前 位过程线及相应时间段温度过程线见图2、3。 淤积、坝基帷幕防渗和排水效应等随时间的变化,还需 根据图2,3分析,可得坝基扬压力具有以下特 选入时效因子。综上所述,坝基扬压力采用以下统计 点 。 模型: (1)上游库水位变化是影响坝基扬压力变化的主 要因素。库水位的变化对测孔水位的影响有一滞后过 H=H^+Hr+Hp+H =。。+∑。 ( 一h。 )+ 程,除5号坝段个别测点外,靠近上游的扬压力测孔水 =1 2位受库水位变化的影响比距上游较远的测孔要大。同 [6l in 一sin )+6 (c0s 一 时,各测孔的滞后时间从上游向下游递增。另外,下游 … )]+扣 P0) (0-Oo)+ 水位的变化对河床段坝基扬压力也有一定影响o (2)大气温度变化对扬压力测孔水位有一定影 —— ~ I ———\ ———~ l 一 UPI9UO/  ̄ CI 4 CI 5 UP24- UP20.± .J UP21 .r\  C1 6Lc1 观 7 测廊道 UP25 d 地罗  30 电水平倾角仪五测压管下游 rc I 8 — UP22 图1 横向廊道内扬压力自动化观测点布置 54 116 m)时的最大扬压力折减系数和2008年最高水位时段 (上游水位为170.01 m,下游水位为76.80 m)的扬压 il-{g 德 力折减系数,2008年最高水位时段各测孑L扬压力折减 系数及设计值分布图,见图4。 图2坝前水位、典型测孔扬压力孔口水位过程线 图3坝区气温过程线 响,在相近库水位下,气温升高,测孔水位降低;气温降 低,测孔水位升高。初步分析主要是由于气温变化会 引起基岩裂隙张开度的变化。气温升高,岩体膨胀, 裂隙压紧,渗透困难,坝基防渗性能提高,坝基扬压力 测孔水位相应降低;反之,坝基扬压力相应增加。 (3)降雨对坝基扬压力测孔水位也有一定影响, 降雨量较多、库水位较高的时段,扬压力测孔水位较 高;降雨量较少、库水位较低的时段,扬压力测孔水位 较低。另外,降雨对坝基扬压力测孔水位的影响也有 一定滞后作用。 (4)坝基扬压力测孔水位沿坝轴线方向总体上呈 河床坝段较低、两岸坝段较高分布。这主要是由于两 岸坝段除受库水位、降雨量变化影响外,还受两岸地下 水位变化的影响。实地勘测表明,该电站两岸岸坡防 渗帷幕防渗效果不佳,应进一步加强对岸坡防渗稳定 性的分析和控制。此外,位于右岸5号坝段的UP5、 UP6测孔水位比相邻测孔水位以及左岸相近高程测孔 水位要高,尤其是UP5测孔水位较高,这可能与该坝 段基础地基条件复杂,有F18等断层穿过有关,有必要 对该坝段作进一步分析。 3.2坝基扬压力折减系数分布规律 坝基扬压力折减系数的计算公式为 … 式中,O/,为i个测压孔的扬压力折减系数;H,为上游水 位;H:为下游水位,当测孔对应的基岩高程高于下游 水位时, 用基岩高程代替,由于此电站缺少下游水 位测值,因此全部用基岩高程代替;H 为第i个测压孔 的实测水位。 应用式(2)分别计算高水位时段(水位高于170 U I LP2 LP3 Ul 4 UI 5 UP5 LP6 UP,UI 8 Ui' U 1(J U 【lU[J1 2 u1 J uI lq 测点 图4 2008年最高水位时段各测孔扬压力 折减系数及设计值分布 高水位时段各测孔扬压力折减系数范围为0~ 0.943,其中UP5、UP6、UP11扬压力折减系数最大,最 大扬压力折减系数分别为0.892,0.401,0.302,均超 过了设计值0.3,其他测孔符合设计要求。图4中 2008年的数据显示,上述测点的渗压系数有所降低, 但UP5测值明显高于扬压力测孔设计值,初步分析产 生上述现象的原因为UP5、UP6孑L位于5号坝段,而该 坝段基础条件复杂,坝基内存在F18等断层,可能存在 隐蔽渗流通道,导致扬压力折减系数较高。根据UP5、 UPI7、UP18扬压力测孔水位过程线可知,扬压力孔口 水位有逐年增加的趋势,下文将对这3个测孔进行重 点分析。 3.3坝体渗漏量安全分析 棉花滩水电站采用三角堰来进行渗漏量测量,本 文选用位于5号坝段的坝右0+085.000,100廊道内 的WE5量水堰对5号坝段进行渗流量安全分析评价。 图5为坝前水位、渗漏量过程线。 1 I 1 1 4 主 *E 1 l 2003—4—29 2004—9—10 2006一l一23 2007—6—7 2008 l0一l9 时间/(年一月一日) 图5 5号坝段坝前水位、渗漏量过程线 分析图5可知,5号坝段渗漏量具有以下特点。 (1)上游库水位变化是影响各测点渗漏量变化的 主要因素,而且库水位变化对大坝渗漏量的影响存在 一定的滞后效应。 (2)截止2008年12月27日,5号坝段WE5测点 处渗透量总体处于安全水平,无明显趋势性变化。 3.4扬压力测孔水位的相关性 由坝基扬压力测孔水位变化过程线可知,坝基扬 压力测孔水位自2005年1月7日起有逐年增加的趋 势,因此将数据分为前后两个序列,并分别进行相关性 分析,采用(3)式计算库水位与坝基扬压力测孔水位 第1期 朱 凯,等:某水电站坝基扬压力异常原因分析 55 之间的相关关系 : : 这与定性分析得出的结论一致。另外,下游水位的变 二 f 3) 化对河床段坝基扬压力也有一定影响。从上游至下 游,上游库水位分量所占比重逐渐降低,符合坝基扬压 力分布规律。 表2坝段典型测孑L坝基扬压力统计 测点 UP5 UP6 UP17 UP】8- ∑( 一 ) ∑(y 一 ) 式中, 。为库水位测值; 为库水位平均值;y 为坝基 扬压力测孔水位; 为坝基扬压力测孔水位平均值,由 式(3)计算所得的相关系数见表1。 表1 坝基扬压力测孑L水位与上游库水位简单相关系数统计 m 实效 0.69 0 37 0.02 0.04 实测值 l3.12 4.52 0.5 O 69 拟合值 库水位项 温度项 12.14 4.95 0.4 0.67 7.24 3 09 0.23 0 26 1.79 1.49 0.07 0.37 降雨项 2.42 0 0 08 O (2)气温变化对坝基扬压力有一定的影响,所有 测点均包含温度因子的影响。2007年的扬压力测孔 (1)2005年后各测点扬压力测值与库前水位简 单相关系数均大于全序列以及2005年前的简单相关 水位年变幅中,温度分量占10%一20%,并且沿坝基 横向,各温度因子所占比重有逐渐增高的趋势,这主要 系数,说明自2005年后,坝基扬压力测孑L水位与坝前 水位相关性增加,进一步验证了关于坝基防渗性能减 弱,可能存在固定渗流通道的推断。2005年前UP18 N-fL扬压力测值与上游库水位呈负相关,可见2005年 前相应位置坝基扬压力测值变化滞后库水位变化时间 较长。2005年至今,UP17、UPI8测孔水位与库前水位 相关性较高,这说明该部位坝基扬压力受上游水位影 响较大,是防渗的薄弱环节。 (2)2005年后,UP18扬压力测孔水位与上游库 是由于坝前水位总体处于稳定水平,如UP5等测孔位 于坝体上游侧库底,该处基岩温度场稳定,温度因子相 对较小;而下游侧水位较低,坝基附近受环境温度影响 显著,温度因子相对较大,这与定性分析得出的基本结 论一致。 (3)在26个测点中有25个测点包含降雨因子, 表明降雨对坝基扬压力测孔水位变化有一定的影响, 且岸坡测点比河床测点受降雨的影响大。在2007年 的扬压力测孔水位年变幅中,降雨分量占15%~ 25%。其中,UP5测孔受降雨因素影响最显著,初步分 析为上游水位受降雨影响显著,而下游水位受降雨影 响相对较小所致。 (4)所有扬压力N:fL均包含时效因子,即时效分 水位相关系数最大,说明该测点位置很有可能存在潜 在固定渗流通道,这与定性分析中得出的5号坝段不 符合坝基横向扬压力分布规律相符,进一步验证了定 性分析结论。 3.5 统计模型 采用逐步回归分析法,由(1)式建立各测点的统 计模型,并统计各测点回归模型的回归系数、复相关 系数 和标准差|s,对UP5、UP6、UP17、UP18扬压力测 量对坝基扬压力有一定的影响。在2007年的扬压力 测孔水位年变幅中,时效分量占年变幅的5%左右。 其中,UP18测孔时效分量不收敛且变幅较大,有逐年 增加的趋势,再次表明该测点位置存在渗流通道,应加 强监测¨ 。 孔进行重点分析。 在26个扬压力监测点中,统计模型的复相关系数 4结论 (1)坝基扬压力总体符合安全要求,除UP9、 UP11、UP17和UP18测点外,排除测值突变影响,其余 大于0.9的共15个测点,介于0.8~0.9的测点有5 个,小于0.8的有6个测点,其中复相关系数最小的测 点为UP25,其复相关系数为0.724,总体而言各测点 的统计模型精度较高。以2007年为典型年,用模型分 测点测值变化平稳,无明显趋势性变化。但UP9、 UP11、UP17和UP18等孔水位在逐渐升高,UP5一 OLD、UP6和UP15孑L水位较高,应加强对上述测孔位 置的监测和分析。 离各测点各分量的年变幅值,进而分析各分量的影响, 见表2。 由表2分析各分量对坝基扬压力的影响 ,从回 归系数、分离结果可看出。 (2)坝基"N:fL的扬压力折减系数总体符合设计要 求,但UP5测孔扬压力折减系数明显偏大,2008年最 高水位时段超出设计值较多。初步分析,5号坝段坝 基防渗帷幕可能存在潜在渗流孔洞,应作进一步监测 和验证,必要时采取工程治理措施。 (1)上游水位变化仍是影响坝基扬压力测孔水位 变化的主要因素,且孔水位变化滞后于库水位的变化。 在2007年的水位年变幅中,水压分量占50%~70%, 56 人 民 长 江 2013正 (3)通过坝基扬压力测孔水位与坝前水位相关性 IJ]水力发电,2003,29(2):61—64. 分析可知,自2005年至今,坝基扬压力测孔水位与库 [4] 昊中如,沈长松,阮焕祥.水工建筑物安全监控理论及其应用 前水位相关性增大,其中UP18测孔相关性最大,表明 [M].南京:河海大学出版社,1990. [5] 昊中如,顾冲时.大坝原型反分析及其应用[M].南京:江苏科学 该测点位置可能存在固定的渗流通道,应加强监测。 技术出版社.2001. (4)通过统计模型分析可知,坝基扬压力主要受 [6] 顾金臣,束一鸣,沈长松.土石坝工程经验与创新[M].北京:中国 上游库水位影响,降雨、气温、时效等因素影响较小。 电力出版社.2004. 结合扬压力折减系数、简单相关系数、统计模型和相应 [7] 朱伯芳.有限元法原理与应用[M] 北京:中国水利电力出版 部位地质条件分析,可判定5号坝段坝基横断面下游 社,1998. [8] 李宗坤,何芳婵,王建有,等.基于ANSYS的土石坝施工过程仿真 侧存在与上游库相连的渗水通道,库水经由穿过5号 分析[J]人民黄河,2007,29(8):59—6O 坝段坝基的断裂破碎带渗入至该坝段下部,引起扬压 [9] 高国荣.青溪水电站坝基扬压力分析[J].大坝与安全,2008, 力测值异常,因此,应重点加强对UP18测孑L附近位置 (3):38—40. 的监测,必要时采取工程治理措施。 [10] 昊中如.水工建筑物安全监控理论及其应用[M].北京:高等教 参考文献: 育出版社.2003. [11] 陈久字,林见.观测数据的处理方法[M].上海:上海交通大学出 [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 版社.1986. 初探[J].西北人口,2009,(5):37—46. [2] 林继镛,王光纶.水3--建筑物[M].北京:中国水利水电出版社, [j2] 吴中如,朱伯芳.三峡水工建筑物安全监测及反馈设计[M].北 京:中国水利水电出社.1999. 2009,(5):34—35. f31 包腾飞,吴中如.新安江大坝岸坡坝段扬压力偏高成因及其影响 (编辑:郑毅) Causal analysis on abnormity of uplift pressure of a dam ZHU Kai , ,MEI Yitao’,。 ,LIU Jingyang ' ,REN Zedong , ,ZHANG Fengshan , , (1.State Key Laboratory of Hydrology Water Resources and Hydraulic Engineering,Hohai University,Nanjing 2 1 0098,China; 2. National Engineering Research Center of Water Resources Efifcient Utilization and Engineering Safety,Hohai University,Na ng 210098,China;3.College foWater Conservancy and Hydropower,Hohai University,Na ng 210098,China) Abstract:The monitoring of uplift pressure in dam foundation is an important measure to ensure the safety operation of a dam. Based on the qualitative analysis of the observed hydraulic uplitf pressure of a dam foundation,we find the hydraulic uplift pres— sure in the No.5 dam block is high and has a further upward tendency.The high uplift pressure in the dam block is analyzed by uplift pressure reduction coefifcient method,simple correlation method,statistical model method and comprehensive analytical method.The results reveal that the uplift pressure reduction coefficient and the correlation between the water level in monitoring hole and the water level of reservoir is higher,which indicates that a potential hidden seepage pass exists in its foundation,so the monitoring work should be strengthened. Key words: uplitf pressure;qualitative analysis;quantitative analysis;statistical model;dam foundation …】……’…一………】…】…】… ……………………… (上接第47页) Study of investigation method and reserve estimation of underwater sand sources WU Caihong.FAN Shenghua (Shanghai Investigation Des n and Research Institute,Shanghai 200434,China) Abstract: In order to improve the investigation method of underwater sand source and the precision of reserves calculation, taking the underwater sand sources investigation in a deposition promotion project in Shanghai as an example,the application of GPS differential positioning technology is discussed.The measured topographic and geomorphic data are used to establish DTM model,the isogram and cloud diagram of distribution of sand layer thickness are created.The 3 D geological model is built using GeoEngine and MicroStation software and the accurate and quick reserve calculation is achieved.The practical sand mining proved that the method is convenient and recommendable. Key words: sand sources investigation;GPS differential positioning;isogram and cloud diagram;3 D geological model 

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