龚嘴大坝变形安全监控指标的研究

1、龚嘴大坝变形安全监控指标的研究             龚嘴大坝变形安全监控指标的研究 覃友中1，李光宗2 (1.龚嘴水力发电总厂，四川 乐山614900；2.中国水力发电工程学会 大坝监测咨询部，四川 成都610061) 摘要： 应用龚嘴重力坝变形监测资料，研究了大坝变形安全监控指标。通过利用高限蓄水期的变形 实测资料和考虑温度场的有限元分析结果，提出了龚嘴大坝的变形安全监控指标。 关键词：大坝；安全监控指标；水平位移；温度荷载；库水位； 龚嘴大坝 1前言 目前在我国确定大

2、坝安全监控指标时着重对变形和渗流监测资料的分析研究。后者的监控指 标 服从设计指标，是比较明确的；而大坝变形安全监控指标的研究是个十分重要而复杂的课题 ， 尽管研究者们提出了不少方法和观点，但多偏重对观测数据处理方面的数学技巧，而在应用 方面实际意义不大。主要表现在如果观测设施和监测资料的精度不高，即使用数学技巧的手 段来处理，也难以提高分析精度和确定大坝变形安全监控指标。众所周知，在大坝的实际运行过程中，坝体受到上游和下游水压力、坝基的扬压力、 坝区的气温、坝体混凝土材料和坝基岩体的性能变化，以及时效等诸多因素的影响，会产 生水平位移和垂直位移。监测资料的分析是对某一个物理量实际发生的随机过

3、程，采用数值 分析方法进行再现模拟。通常采用的监测资料正分析的监控模型有统计模型、确定性模型 和混合模型三种。本文根据对三种模型优缺点的比较，应用龚嘴大坝精度较高的长期监测资料和多次的 科研成果，拟定了混合模型，获得较满意的结果。 2库水位变化与坝顶水平位移关系对于水电工程来讲，在大坝监测设施还没有完成时，就已蓄水发电。因此第一次蓄水期变形 监测资料往往无法获得，龚嘴大坝也是如此。由于该大坝在没有完全达到稳定温度 时，就进行了灌浆，尔后随着温度的下降，灌缝又局部张开。为此，在1978年进行了高 限蓄水试验，将库水位降到520.00m高程后，再逐步升至528.00m高程，除第九坝段设有正 垂线外

4、，还在坝顶临时设置了视准线，加密了监测，获得了如图1所示的坝顶相对水平位移 与库水位关系线，并在表1中列出了理论计算值与观测值。 由图1和表1看出：无论是正垂线或是视准线测得的坝顶水平位移与平面有限元计算的结果 均十分接近。坝顶水平位移在库水位由高程520.00528.00m之间的变化与库水 位变化呈线性关系，且库水位每升高1m，坝顶产生向下游0.375mm的水平位移。这一结果在 对确定大坝位移监控值时是个重要指标。 3坝体温度变化与坝顶位移的关系3.1监测资料分析在图2中绘制了第九坝段坝体特定时间的温度与坝顶水平位移的轨迹线。坝体特定时 间是这样确定的，利用第九坝段正垂线在高程530.00m

5、的实测水平位移，建立统计模型进行 回归分析，结果表明，影响坝顶水平位移的温度因子为观测前30、45、90天的平均温度(即 温度因子为T30=-0.07609、T45=-0.11647、T90=0.032881）。为了简化计算，在绘制图2时，只取了水平位移观测前40天的 平均温度。由图2看出， 四个典型年的坝区气温与坝顶水平位移的轨迹线为一椭圆，规律性较好；在坝区 气温升高时，坝顶水平位移的负值增大（即产生向上游的水平位移）；当坝区气温降低时， 坝顶水平位移的负值减小（即产生向下游的水平位移）。由于基准时间选在1972年3月，故 轨迹线处在第一象限。在绘制轨迹线过程中，发现当温度由高转低 或由低

6、转高时，坝顶水平位移有滞后的情况。第九坝段水平位移温度分量和位移观测前40天 的平均温度见表2。 3.2三维有限元分析模型为了从理论上分析大坝的工况，在建立确定型模型时,选择第九坝段建立了三维有限元分 析模型，采用在微机上研制的TCA全套软件系统进行分析。3.2.1基本荷载（1）自重：坝体和基础；（2）水压：上游正常水位528.00m高程，下游尾水位471.00m高程；（3）坝前泥沙压力：按实际坝前泥沙高程484.00m；（4）扬压力（渗透体积力）：扬压力：依照实测扬压力得出渗压分布图，将其倒转后的形状作为坝体浸润线，将此线 以下的坝体混凝土容重按浮容重计算；渗透体积力：应用三维有限元计算出稳

7、定渗流场，然后再按体积力作用于坝体各节点。 3.2.2温度荷载温度荷载的确定方法是先计算出坝体各时刻的温度场，再求出两个时刻（即时段）的温 度场之差，最后将各节点的温差作为温度荷载。 温度场的计算过程：为了加快计算过程，先参考坝段实测稳定温度场及准温度场，假定 坝体为均匀的初温度场（即坝体各节点的初温度场为17.2，坝基的初温度场为13)，然 后根据所给定的边界温度过程线进行三维温度场计算，每日计算一个温度场，待坝体内计算 温度接近实测点温度时作为正式温度场计算起始，同样每日计算一个温度场，由每季度初、 末的温度场求出各节点的温差作为温度荷载。边界温度的确定：上游坝面的边界温度是根据上游坝面各

8、温度测点的实测温度用插入法 求出各节点的温度，而下游坝面及闸墩的温度，因缺少实测资料，则按坝区实测日平气温， 应用热传导理论的第三类边界条件计算各节点的混凝土温度。3.2.3材料特性研究坝段分R150、R200、R250三个标号的混凝土，它们的弹性模量分别为25、29、32 a，泊松比均为0.167，容重均为25kN/m3，比热均为096kJ/kg×，线膨胀系数均 为9×106，渗透系数均为1×108cm/s；基岩的弹性模量为15GPa，泊 松比均为0.21，容重均为26kN/m3，比热均为0.95kJ/kg×，线膨胀系数均为6×106，渗透系

9、数均为47×105cm/s。3.2.4计算结果基本荷载加温度荷载后形成全荷载，基本荷载是指一级荷载，包括自重、水压、坝前 泥沙压力及扬压力等；在基于基本荷载之上，再将加上各级温度荷载所形成的结果分为 二至五级计算结果，所以，将二至五级计算结果减去一级荷载的计算结果，才是各级温度荷 载所形成的结果。在表3中列出了温度荷载作用下第九坝段坝顶的水平位移值，它是将一级荷载作为基准 ，从一级荷载中减去基本荷载计算结果，可得到温度荷载形成的位移值。考虑到位移滞后 于气温40天左右的情况，可将基准值改为-2.76 mm（即加上-2.76mm），并绘制在图3中。 由图3可见，三维有限元计算的结果与观测值基本符合。 4龚嘴重力坝变形安全监控指标龚嘴重力坝坝顶水平位移变形量大，精度较高，能反映出大坝的运行工况，故作为变 形安全监控指标的研究是可行的。 影响大坝变形的主要因素是温度变化，所以查看温度与坝顶的水平位移是否遵行以往轨 迹线可作为主要的监控手段。 其次是库水位变化的影响，龚嘴大坝第九坝段坝顶水平位移在库水位高于520.00m高程时， 每当库水位升高1.00m