CN112504851A - 一种考虑谷幅变形作用的拱坝变形监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的是水电工程技术领域的一种考虑谷幅变形作用的拱坝变形监控方法，包括以下步骤，首先对影响大坝位移的四个部分进行建模，包括水压位移分量、温度位移分量、谷幅位移分量和时效位移分量，然后对各位移分量进行拟合得到拱坝变形监控模型表达式，然后通过收集的监测资料，整理为监控模型的样本，进行统计分析，从而得出监控模型，最后利用监控模型对拱坝变形进行分析评价。本发明所提出的考虑谷幅变形作用的拱坝变形监控方法，可以方便快捷的考虑谷幅变形对拱坝变形的影响，原理简单，易于理解，也便于通过编程实现，相对于传统的监控方法，本发明的方法更为全面、更真实的反映各影响因素对拱坝变形的影响程度，从而更科学的评判大坝运行状态。

Description

一种考虑谷幅变形作用的拱坝变形监控方法

技术领域

本发明涉及水电工程技术领域，具体涉及一种考虑谷幅变形作用的拱坝变形监控方法。

背景技术

水库蓄水后，近坝区域内的水文地质条件将发生较大的改变，坝体、坝基的应力状态和变形特征将随之发生适应性调整。针对坝基而言，系统调整的主要表现之一就是谷幅变形，即库岸变形在水平方向上的表现。特别是近年来随着一批高坝大库的建成，有些拱坝监测出了较大的谷幅收缩变形，如溪洛渡、李家峡以及锦屏一级等大坝。

谷幅变形作为两岸的基础变形作用在拱坝坝体上，会引起大坝应力和变形的调整。拱坝变形综合体现了拱坝材料力学形态、坝体结构状态及整体性，是目前能说明大坝实际状况的代表性指标，备受关注。而大量监测资料表明，谷幅收缩变形会引起拱坝坝体向上游变形，与水荷载引起的变形方向相反，有些大坝受谷幅收缩影响，坝体整体表现为向上游变形，与常规的规律不一致，给大坝安全评价带来了困难。目前还没有明确的考虑谷幅变形作用的拱坝变形监控方法。

有鉴于此，提出一种考虑谷幅变形作用的拱坝变形监控模型，能对坝体变形作出快速准确的跟踪的监控，以便及时掌握大坝的运行安全状态，成为目前水电工程技术领域亟需解决的问题。

发明内容

为克服现有变形监控技术没有考虑谷幅变形因素的不足，本发明提供一种考虑谷幅变形作用的拱坝变形监控方法，为分析评价以及预测拱坝变形和评判大坝运行安全状态提供技术支撑。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种考虑谷幅变形作用的拱坝变形监控方法，包括以下步骤：

步骤一、建立监控模型的水压位移分量：

水压作用下，大坝会产生弹性变形，称为水压位移分量δ_H，由材料力学和弹性力学推导出大坝任一点的水压分量δ_H与坝前水深H有关，用多项式描述为：

式中，a_i为结构系数；H为坝前水深；S为因子个数，拱坝一般可取S＝4；

步骤二、建立监控模型的温度位移分量：

温度荷载是影响拱坝变形的主要因素之一，由温度引起的大坝变形，称为温度位移分量δ_T，根据弹性力学知识，在变温作用下，大坝任一点的位移与各点的变温值呈线性关系，选择典型温度测点代表大坝整体温度场，用多项式描述为：

式中，m₁为典型温度计的数量；b_i为回归系数；T为温度计的测值；

步骤三、建立监控模型的谷幅位移分量：

谷幅变形作为基础变形，会引起大坝产生变形，该变形称为谷幅位移分量δ_V，有限元计算结果表明，谷幅收缩会引起拱坝径向位移向上游，且谷幅收缩量与拱坝位移近似呈线性关系，根据计算成果，大坝任一点的谷幅位移与该点的谷幅变形量级呈线性关系，采用下式进行表达：

δ_V＝c×VD

式中，c为回归系数；VD为变形测点高程附近的谷幅测值；

步骤四、建立监控模型的时效位移分量：

混凝土大坝变形在荷载作用下还有一种随时间推移而发展的不可逆分量，称为时效分量δ_θ，时效因子通常采用指数、双曲函数、多项式、对数函数、指数函数或对数函数附加周期项、线性函数等形式或是它们任意几种的组合形式来表示，本申请采用下式来表示：

δ_θ＝d₁θ+d₂ ln(θ)

式中，d为回归系数；θ为时间因子，常取值为(1+τ)/100，τ为自资料始测日至观测日的累积时间；

步骤五、建立拱坝变形监控模型综合表达式：

综合上述影响大坝位移的四个部分，形成位移监控模型综合表达式：

其中，常数项C_on代表由计算位移与监测位移的初始值选取不同和其它因素引起的常量；

步骤六、收集监测资料，整理为监控模型的样本：

收集拱坝工程的所有时间τ的大坝库水位H、温度T、谷幅VD和变形δ监测资料，并对数据进行可靠性分析，将可靠的数据整理成监控模型的统计样本；

步骤七、对监控模型的样本进行统计分析，得到监控模型：

根据步骤五形成的监控模型表达式，对步骤六整理的样本进行统计分析，得到各个因子的回归系数，从而得到各变形测点最终的监控模型；

步骤八、根据监控模型，对拱坝变形进行分析评价：

根据步骤七得到的拱坝变形监控模型，对该拱坝的变形情况进行分析评价，研究拱坝变形时间演化和空间分布规律，并对影响拱坝变形的原因量进行详细统计分析，评判大坝运行安全状态。

进一步的是，在步骤一中，对于施工期分期蓄水的特高拱坝，为统一变形量级与水位的对应关系，水压位移分量采用下式进行替换：

式中，H和H₀分别为数据监测日和始测日对应的坝前水深。

进一步的是，在步骤二中，对于运行多年的大坝，考虑坝体内部各点温度随环境气温近似做简谐波动，且滞后于环境气温某一相位角，温度位移分量采用下式进行替换：

式中，b_1i、b_2i为回归系数；τ为自资料始测日至观测日的累积时间；τ_T为1年周期时间，当时间τ的单位为天(d)时，τ_T取365；m₂可根据实际情况取1或2。

进一步的是，在步骤四中，针对不同拱坝的实际情况，时效分量可采用下式中的任何一种或者两种及以上任意组合进行替换：

指数型：δ_θ＝d[1-exp(-c₁θ)]；

双曲函数：

多项式：

对数函数：δ_θ＝dlnθ；

线性函数：

式中，d为回归系数；θ为时间因子，常取值为(1+τ)/100，τ为自资料始测日至观测日的累积时间。

进一步的是，步骤八所述的拱坝变形包括拱坝径向位移、切向位移和垂直位移数据。

本发明的有益效果是：本发明所提出的考虑谷幅变形作用的拱坝变形监控方法，可以方便快捷的考虑谷幅变形对拱坝变形的影响，原理简单，易于理解，也便于通过编程实现。相对于传统的监控方法，本发明的方法更为全面、更真实的反映各影响因素对拱坝变形的影响程度，更符合工程的认识，从而可以更科学的评判大坝运行状态。

附图说明

图1是本发明实施例各测点径向位移实测值示意图。

图2是本发明实施例各测点径向位移监控模型监控过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例一：

本实施例以某大型拱坝为例，具体说明考虑谷幅变形作用的拱坝变形监控方法。本实施例中采用的变形监测数据是拱冠梁坝顶测点PL15-1的径向位移，位移监测数据采用垂线系统监测到的数据序列。

本实施例的具体步骤如下：

步骤一、建立PL15-1测点监控模型的水压位移分量：

由材料力学和弹性力学推导出PL15-1测点的水压位移分量δ_H与坝前水深H有关，用多项式描述为：

式中，a_i为结构系数；H和H₀分别为数据监测日和始测日对应的坝前水深；

步骤二、建立PL15-1测点监控模型的温度位移分量：

由于本拱坝目前还未达到稳定温度场，坝体内部仍存在温度回升的现象，因此本实施例，针对当前阶段兼顾精度和工作量，选择典型测点代表拱坝整体温度。为描述拱坝坝基和坝体温度对变形影响，选择库水温、气温、基础、拱冠梁高中低温度作为温度统计因子，即

δ_T＝δ_T(T_T16-1,T_T-25,T_T16-31,T_J8-2,T_J27-3,T_J15-11,T_J15-29,T_J15-53,T_J15-40,T_J15-42)

＝b₁×T_T16-1+b₂×T_T-25+b₃×T_T16-31+b₄×T_J8-2+b₅×T_J27-3+b₆×T_J15-11+b₇×T_J15-29+b₈×T_J15-53+b₉×T_J15-40+b₁₀×T_J15-42

式中，b为回归系数；T_T16-1为T16-1测点所测得的温度值；

步骤三、建立PL15-1测点监控模型的谷幅位移分量：

有限元计算结果表明，谷幅收缩会引起拱坝径向位移向上游，且谷幅收缩量与拱坝位移近似呈线性关系。选取PL15-1测点高程附近的谷幅测线VD04作为因子：

δ_V＝c×VD₀₄

式中，c为回归系数；VD₀₄为VD₀₄谷幅测线的测值；

步骤四、建立PL15-1测点监控模型的时效位移分量：

混凝土大坝变形在荷载作用下还有一种随时间推移而发展的不可逆的时效分量，以线性函数式以及对数函数式的线性组合形式对大坝的时效位移分量的进行描述：

δ_θ＝d₁θ+d₂ln(θ)

式中，d为回归系数；θ为时间因子，常取值为(1+τ)/100，τ为自资料始测日至观测日的累积时间；

步骤五、建立PL15-1测点监控模型综合表达式：

综合上述影响大坝位移的四个部分，形成PL15-1测点径向位移监控模型综合表达式：

其中，常数项C_on代表由计算位移与监测位移的初始值选取不同等因素引起的常量，其他因子含义同上；

步骤六、收集监测资料，整理为监控模型的样本：

收集拱坝工程的所有时间τ的大坝库水位H、温度T、谷幅VD和变形δ监测资料，并对数据进行可靠性分析，将可靠的数据整理成监控模型的统计样本，部分样本见下表。

表1 PL15-1测点径向位移统计样本

步骤七、对监控模型的样本进行统计分析，得到监控模型：

根据步骤五形成的监控模型表达式，对步骤六整理的样本进行统计分析，得到各个因子的回归系数，见表2，从而得到各变形测点最终的监控模型。

表2 PL15-1测点径向位移回归系数

步骤八、根据监控模型，对拱坝变形进行分析评价：

根据步骤七得到的拱坝变形监控模型，对该测点的变形情况进行绘图分析，见图1、图2。根据模型可以看出，该测点径向位移统计模型精度均维持在较高水平，监控模型对该测点的径向位移的回归效果比较理想。该测点的水压分量表现为库水位升高，大坝径向位移向下游；温度分量表现为温度升高，大坝径向位移向上游；谷幅分量表现为谷幅收缩，大坝径向位移向上游，符合拱坝变形规律。谷幅变化对各测点径向位移影响显著，该模型可以合理反映谷幅变形对拱坝坝体位移的影响。

本实施例结合本发明在其他测点的应用，全面开展了该水电站首次蓄水期各蓄水阶段以及历次加卸载阶段拱坝变形分析研究工作。对各阶段大坝变形工作状态取得了较多成果，研究成果已经应用于各阶段的蓄水过程监控和评价，指导并保证了整个蓄水和运行过程中工程枢纽的安全运行。

Claims (5)

1.一种考虑谷幅变形作用的拱坝变形监控方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤一、建立监控模型的水压位移分量：

式中，a_i为结构系数；H为坝前水深；S为因子个数，拱坝一般可取S＝4；

步骤二、建立监控模型的温度位移分量：

式中，m₁为典型温度计的数量；b_i为回归系数；T为温度计的测值；

步骤三、建立监控模型的谷幅位移分量：

δ_V＝c×VD

式中，c为回归系数；VD为变形测点高程附近的谷幅测值；

步骤四、建立监控模型的时效位移分量：

δ_θ＝d₁θ+d₂ ln(θ)

式中，d为回归系数；θ为时间因子，常取值为(1+τ)/100，τ为自资料始测日至观测日的累积时间；

步骤五、建立拱坝变形监控模型综合表达式：

综合上述影响大坝位移的四个部分，形成位移监控模型综合表达式：

其中，常数项C_on代表由计算位移与监测位移的初始值选取不同和其它因素引起的常量；

步骤六、收集监测资料，整理为监控模型的样本：

收集拱坝工程的所有时间τ的大坝库水位H、温度T、谷幅VD和变形δ监测资料，并对数据进行可靠性分析，将可靠的数据整理成监控模型的统计样本；

步骤七、对监控模型的样本进行统计分析，得到监控模型：

根据步骤五形成的监控模型表达式，对步骤六整理的样本进行统计分析，得到各个因子的回归系数，从而得到各变形测点最终的监控模型；

步骤八、根据监控模型，对拱坝变形进行分析评价：

根据步骤七得到的拱坝变形监控模型，对该拱坝的变形情况进行分析评价，研究拱坝变形时间演化和空间分布规律，并对影响拱坝变形的原因量进行详细统计分析，评判大坝运行安全状态。

2.如权利要求1所述的一种考虑谷幅变形作用的拱坝变形监控方法，其特征是：在步骤一中，为统一变形量级与水位的对应关系，水压位移分量采用下式进行替换：

式中，H和H₀分别为数据监测日和始测日对应的坝前水深。

3.如权利要求1所述的一种考虑谷幅变形作用的拱坝变形监控方法，其特征是：在步骤二中，对于运行多年的大坝，考虑坝体内部各点温度随环境气温近似做简谐波动，且滞后于环境气温某一相位角，温度位移分量采用下式进行替换：

式中，b_1i、b_2i为回归系数；τ为自资料始测日至观测日的累积时间；τ_T为1年周期时间，当时间τ的单位为天(d)时，τ_T取365；m₂可根据实际情况取1或2。

4.如权利要求1所述的一种考虑谷幅变形作用的拱坝变形监控方法，其特征是：在步骤四中，针对不同拱坝的实际情况，时效分量可采用下式中的任何一种或者两种及以上任意组合进行替换：

指数型：δ_θ＝d[1-exp(-c₁θ)]；

双曲函数：

多项式：

对数函数：δ_θ＝d lnθ；

线性函数：

式中，d为回归系数；θ为时间因子，常取值为(1+τ)/100，τ为自资料始测日至观测日的累积时间。

5.如权利要求1所述的一种考虑谷幅变形作用的拱坝变形监控方法，其特征是：步骤八所述的拱坝变形包括拱坝径向位移、切向位移和垂直位移数据。

Images