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混凝土面板堆石壩安全評價及方法探討

文檔作者：黎佛林蔡德所李瑋嵐唐鑫秦朋文檔來源： 1．三峽大學(xué)		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2024年02月21日
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第36卷第4期
2014年4月
人民黃河
YELL0W RIVER
Vo1．36．No．4
Apr．，2014
【水利水電工程】
混凝土面板堆石壩安全評價及方法探討
黎佛林 ，蔡德所 ，李瑋嵐 ，唐 鑫 ，秦朋
(1．三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北宜昌443002；2．三峽大學(xué)理學(xué)院，湖北宜昌443002)
摘要：國內(nèi)外混凝土面板堆石壩安全評價中，定量并直觀地評估監(jiān)測值的方法并不多。本文通過面板撓度、壩體沉降、
周邊縫變形、大壩滲流及水平位移等重要的面板壩監(jiān)測項(xiàng)目，建立監(jiān)測項(xiàng)目與各自主要影響因子間最緊密的回歸線，并
作為大壩安全狀態(tài)劃分的基準(zhǔn)線；計(jì)算出各樣點(diǎn)與基準(zhǔn)線的距離，從而確定監(jiān)測項(xiàng)目的取值范圍，并選定一個正常狀態(tài)
的參考樣點(diǎn)，利用函數(shù)轉(zhuǎn)換統(tǒng)一了級別的劃分標(biāo)準(zhǔn)，并定量劃分為5個級別。在此基礎(chǔ)上對各評價指標(biāo)賦權(quán)重值，并結(jié)
合大壩監(jiān)測的部分?jǐn)?shù)據(jù)，評價了水布埡面板堆石壩的壩體安全狀況；同時利用其他評價方法對各壩體的評價結(jié)果與該方
法作比較，證實(shí)該方法是可行的。
關(guān)鍵詞：混凝土面板堆石壩；大壩安全評價；回歸分析；數(shù)值轉(zhuǎn)換；狀況指標(biāo)
中圖分類號：TV698．1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10．3969／j．issn．10O0—1379．2014．04．033
Discussion on the CFRD Safety Evaluation M ethod
LI F0一lin ，CAI De—SUO ，LI Wei．1an ，TANG Xin ，QIN Peng
(1．College of Hydraulic and Environmental Engineering，Three Gorges University，~iehang 443002，China
2．College of Science，Three Gorges University，Yichang 43002，China)
Abstract：For the safety evaluation of the status quo of domestic and foreign CFDR，quantitative and visually assess the monitoring value is not too
much．In this paper，through collecting the slab deflection，dam settlement，peripheral joints deformation，dam seepage and horizontal displace—
ment of CFRD important monitoring project information，it established the most close regression line between the monitoring projects and each main
affecting factor and used as dam safety status baseline．It calculated the distance to the reference sample point and the reference line SO as to determine
the range of values of the monitoring items，and selecting a norm al state of the reference samples，using the function to conve~the unified level
division standards and quantitatively divided into five levels．Empowers the weight value of each evaluation，and on this basis the part of the project
team in Shuibuya dam monitoring data to evaluate the Shuibuya CFRD dam safe condition；while taking advantage of other evaluation methods
for each dam the evaluation results of the comparison，it confirmed that the method was feasible．
Key words：CFRD；dam safety evaluation；regression analysis；numeric conversion ；Status Indicators；discuss with the experimental
混凝土面板堆石壩筑壩技術(shù)正日臻完善。在我國，面板堆
石壩已經(jīng)歷了30多年的發(fā)展，期間有大量的面板堆石壩建成
及運(yùn)營。但是隨著壩齡的增長，相當(dāng)一部分大壩存在著某些不
安全因素，如西北口水電站、巴拉格蘭德水電站曾發(fā)生滲流事
故。因此，利用原型觀測資料，科學(xué)分析堆石壩監(jiān)測項(xiàng)目測值
的變化，對大壩安全狀態(tài)做出合理評價，是一項(xiàng)非常重要的工
作。數(shù)學(xué)家們提出一系列的安全評價方法，如確定性模型和7昆
合模型、反分析理論、模糊理論 、突變理論、灰色理論模型 j
等，可將其應(yīng)用在大壩安全評價中。然而評價方法的各異也反
映出專家們對壩體變形分析方法持有不同見解。
由于灰色理論等方法應(yīng)用不便，因此對大壩的安全評價大
多是根據(jù)原型觀測資料來分析各評價指標(biāo)隨時間的變化規(guī)律
及是否存在突變情況，或與其他壩體的同期原型觀測資料相對
比來評價大壩安全狀況。但是，當(dāng)前國內(nèi)還未形成壩體變形的
安全標(biāo)準(zhǔn)。本文的研究目的就是提出一個簡便、定量的大壩評
· 】04 ·
價方法，探討其可行性，并將其應(yīng)用于實(shí)際工程的大壩安全評
價中。
1 評價方法
根據(jù)以往的研究證實(shí)，面板堆石壩壩體沉降、面板撓度、周
邊縫變形、大壩滲流和壩體水平位移對大壩安全影響很大，因
此本文選取這些影響因子作為大壩安全指標(biāo)的分指標(biāo)。各指
標(biāo)共劃分為5個級別，由低到高依次為惡性異常、輕度異常、正
常、較好和好。對于每一座大壩來說，首先分析分指標(biāo)項(xiàng)的歷
史原型觀測資料，若日／月的變化量超過歷史最高水平，則把它
收稿日期：2013一o3—19
作者簡介：黎佛林(1987一)，男，江西贛州人，碩士研究生，研究方向?yàn)榇髩伟?
全監(jiān)測。
E-mail：7795 1 8158@qq．com
人民黃河2014年第4期
劃分為最低級別——惡性異常，不再考慮其他分指標(biāo)；若未達(dá)
到這種程度則按下述步驟進(jìn)行。 、
(1)收集國內(nèi)外已建高面板堆石壩的變形和滲流資料，構(gòu)
建分指標(biāo)與主要影響因子間的回歸關(guān)系，其方法見圖1，其中樣
點(diǎn)1、2、3的大壩狀態(tài)依次為輕度異常、正常、較好。回歸模型
曲線的選取綜合考慮了相關(guān)系數(shù)R 和預(yù)測均方根誤差砌
SEP，選取模型的依據(jù)為R 值較大、RMSEP值較小。
蠼
絮
主要影響因子值
圖1 回歸關(guān)系法劃分大壩運(yùn)行狀態(tài)分級方法
(2)選定回歸曲線類型后，計(jì)算出樣本與回歸線的垂直距
離，得到該距離的范圍。其中每個分指標(biāo)選定一個參考點(diǎn)為正
常狀態(tài)，再依據(jù)此點(diǎn)與回歸線的距離確定實(shí)取范圍[一a，b]；最
后利用恰當(dāng)函數(shù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換到[0，5]的取值范圍，這樣便于等級
的統(tǒng)一劃分，即轉(zhuǎn)換函數(shù)計(jì)算值(0，1)表示壩體變形惡性異常，
[1，2)表示壩體變形輕度異常，以此類推。
(3)計(jì)算分指標(biāo)的權(quán)重。何金平 指出權(quán)重問題是大壩實(shí)
測性態(tài)綜合評價中的一個需要重點(diǎn)研究的問題，本次評價綜合
考慮超權(quán)重 矩陣與指標(biāo)權(quán)重Iv矩陣得到的綜合權(quán)重矩陣
。其中：實(shí)測性態(tài)指標(biāo)矩陣X= [大壩沉降，面板撓度，周
邊縫變形，滲流，水平位移r；性態(tài)分級矩陣L=[惡性異常，輕
度異常，正常，較好，好r；五項(xiàng)實(shí)測安全指標(biāo)的五級標(biāo)準(zhǔn)矩陣
；將矩陣x和 變換為對應(yīng)的相對隸度矩陣M =[m m ：m ，
m。 m。 ] ；借助過度矩陣日，將其歸一化并轉(zhuǎn)置后得到綜合權(quán)
重矩陣W 。其他矩陣表示如下：
It =
S =
l1 0
0 22
0 0
0 0
O O
0 0 0
0 0 0
33 0 0
9 “ 0
0 0 55
2 分指標(biāo)計(jì)算結(jié)果與分析
m l1
m 2l
m 31
m 41
m 5l
(2)
(3)
在面板堆石壩的資料收集過程中，面板撓度和壩體水平位
移資料較少，而且有的文獻(xiàn)寫得模糊，但可以大概推斷。同時
因參考資料中大壩監(jiān)測特性值的時問梯度不一致，這里所用大
部分?jǐn)?shù)據(jù)為文章發(fā)表時對應(yīng)的時間，對與水布埡工程同時期
(2004-2009年)的面板堆石壩采用最新發(fā)表的數(shù)據(jù)(資料允
許)，這樣對安全評價相對更可靠。
2．1 壩體沉降分指標(biāo)
壩體沉降分為施工期沉降和運(yùn)行期沉降。大量的研究成
果表明，施工期沉降量占總沉降量的80％ 一90％ ，水布埡大壩
近幾年的沉降量逐漸減小，符合一般規(guī)律。由數(shù)理統(tǒng)計(jì)軟件
SPSS 18．0分析壩高與沉降關(guān)系曲線(直線、對數(shù)(Logistic)、冪
(S)、多項(xiàng)式和指數(shù))，可知直線和二項(xiàng)式回歸關(guān)系比較緊密，
部分回歸關(guān)系見圖2。在兩者的均方根誤差RMSEP很接近的
情況下，選擇關(guān)系更緊密的二項(xiàng)式回歸曲線作為大壩沉降差異
劃分的基準(zhǔn)線(見圖3)，各分指標(biāo)與對應(yīng)主要影響因子間的關(guān)
系見表1。由圖3可知，水布埡大壩處于曲線右下側(cè)，可反映出
大壩壓實(shí)效果相對較好，同時結(jié)合大壩的月沉降變化量說明大
壩沉降是安全的。按基準(zhǔn)線評價情況(見表2)，其中每個分指
標(biāo)選定一個參考點(diǎn)為正常狀態(tài)，再依據(jù)點(diǎn)與回歸線的距離確定
實(shí)取范圍。最后得到水布埡分指標(biāo)值為3．35，沉降安全性態(tài)
較好。
皇
世
蛙
+<
g
例
世
；s
尉
壩高／m
圖2 壩高與沉降的回歸關(guān)系
壩高『m
圖3 壩高與沉降的二項(xiàng)式回歸關(guān)系
表1 各分指標(biāo)與對應(yīng)主要影響因子間的關(guān)系
分指標(biāo)相關(guān)類型 表達(dá)式 R RMSEP
沉降 二項(xiàng)式 Y=2×10一 +0．01x一0．449 2 0．412 4 0．761 0 m
撓度 二項(xiàng)式Y(jié)=9×10一 0—0．O02 5x+0．346 6 0．549 5 0．156 2m
滲流 二項(xiàng)式 Y=3．195e。?！?0．210 9 29．962 L／s
水平位移 直線 Y=0．003 3x一0．154 7 0．45 8 0．211 3 m
注： 為各分指標(biāo)對應(yīng)的因子的取值，Y為分指標(biāo)的值。
2．2 壩體面板撓度分指標(biāo)
面板撓度變化一般按是否考慮壩體沉降分為兩類：一是考
慮壩體沉降的絕對撓度，二是不考慮壩體沉降的相對撓度。在
這里因每個大壩的沉降量不一，故采用相對撓度作比較。
面板撓度與面板長度之間的各類回歸關(guān)系通過比較選用
二項(xiàng)回歸曲線作為大壩面板撓度差異劃分的基準(zhǔn)線。以成屏
一級大壩為正常狀態(tài)的參考點(diǎn)，再根據(jù)距離確定實(shí)取
[一0．55，0．55]轉(zhuǎn)換為指標(biāo)值范圍[0，5]。其中，成屏一級大
壩靠近回歸線偏上，撓度分指標(biāo)值2．74，說明狀態(tài)正常；水布埡
· 105 ·
人民黃河2014年第4期
面板撓度分指標(biāo)值為2．72，狀態(tài)正常，說明兩者撓度變化程度 相似，而阿里亞大壩的撓度值偏大。
表2 高面板堆石壩壩體安全評價定量分指標(biāo)
分項(xiàng)指標(biāo) 范圍 參考點(diǎn) 實(shí)取范圍 轉(zhuǎn)換函數(shù) 指標(biāo)值 級別
大壩沉降
面板撓度
大壩滲流
水平位移
周邊縫沉降
剪切
張開
大坳
成屏一級
公伯峽
大坳
阿里亞
安奇卡亞
阿里亞
[一60，5O]
[一0．55，0．55]
[一6O，50]
[一0．5，0．3]
[一6O，3O]
[一60，5O]
[一200，100]
v=0．045 5x+2．73
v=4．55x+2．5
v=0．043 4x+2．83
v=6．25x+3．125
v=0．056 6x+3．33
v：0．045 5x+2．73
v：0．016 7x+3．33
3．35
2．72
4．39
3．52
4．97
4．89
4．40
較好
正常
好
較好
好
好
好
為實(shí)際指標(biāo)值，Y為轉(zhuǎn)換指標(biāo)．直；指標(biāo)值為水布埡大壩的評價分指標(biāo)值。
2．3 周邊縫變形相關(guān)分指標(biāo)
周邊縫變形監(jiān)測主要采用三向測縫計(jì)，其中水布埡周邊縫
的剪切位移最大值為13 mm，開度最大值為12 mm，沉降值最大
值為46 mm，期間未有異常變化。白溪周邊縫的最大剪切位移
為13．4 mm，最大開度為11．2 mm，最大沉降值為29．4 mm ，其
他壩的周邊縫參見變形資料 。經(jīng)數(shù)值擬合，冪回歸關(guān)系是周
邊縫剪切、張開度和沉降與壩高之間建立相關(guān)關(guān)系的最佳選
擇，因其相關(guān)系數(shù)最大且預(yù)測均方根誤差最小，而其他的線性
與非線性回歸相關(guān)性不理想。結(jié)果見表3。周邊縫變形分指標(biāo)
考慮三向變形最不利狀態(tài)，周邊縫張開度的指標(biāo)值為4，4，說明
周邊縫的運(yùn)行狀態(tài)好。
表3 壩體周邊縫變形量與壩高的回歸特性
注： 為各分指標(biāo)對應(yīng)的因子的取值，Y為分指標(biāo)的值；水布埡位置指
在圖中相對回歸線而言。
2．4 大壩滲流分指標(biāo)和水平位移分指標(biāo)
巴西的巴拉格蘭德面板堆石壩和坎潑斯·諾沃斯面板堆
石壩在建成之初曾發(fā)生大量的滲漏，達(dá)到l 300 L／s，這引起專
家學(xué)者們的重視，之后對大壩進(jìn)行認(rèn)真系統(tǒng)的檢查，并及時采
取加固措施。我國的西北口水電站于1992年因一場大雨使壩
后出現(xiàn)涌水，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)在壩的右肩 ￡了大量的滲漏，隨后
采取措施消除了安全隱患。國內(nèi)大量的研究已證實(shí)，水位是大
壩滲流最重要的影響因子，因此大壩滲流分指數(shù)由堆石壩正常
蓄水位與一般滲流量之間的相關(guān)關(guān)系導(dǎo)出。
大壩在水平方向往下游側(cè)變形不如上游側(cè)變形安全，特別
在冬季，由于上游水溫高，水體對壩體產(chǎn)生壓應(yīng)變，導(dǎo)致壩體向
下游變形加大，因此選擇壩體向下游側(cè)變形與壩高建立相關(guān)關(guān)
系。水平位移分指標(biāo)根據(jù)回歸關(guān)系選擇標(biāo)準(zhǔn)，由線性回歸線為
評價分級的基準(zhǔn)線，該分指標(biāo)值為3．52，說明大壩水平位移變
形處于較好偏上的狀態(tài)。
3 大壩安全評價指標(biāo)的探討和試驗(yàn)
隨著大壩建設(shè)事業(yè)的不斷發(fā)展，其大壩安全狀況的評價方
法不斷地推陳出新，特別是模糊評價方法應(yīng)用較普遍。其他方
法如楊艷澤等 在分析洪家渡水電站時，利用實(shí)測的滲流量與
· 106·
設(shè)計(jì)值比較，因?qū)崪y值遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值，且壩體最大沉降小于壩
高的1％ ，故得出各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)良好的結(jié)論。沉降與撓度占壩
高的百分比是專家評價大壩安全的常用指標(biāo)，利用監(jiān)測項(xiàng)與其
主要影響因子問的關(guān)系線是另一種比的形式。依據(jù)本次求得
的模型，洪家渡沉降分指標(biāo)值為3．65，滲流量分指標(biāo)值為3．1 1，
兩者安全性態(tài)較好，與楊艷澤分析的結(jié)論吻合。宋文晶等 在
三板溪面板堆石壩變形分析中選取最大橫剖面，統(tǒng)計(jì)得出大壩
水平位移約為沉降的40％ ，比例比較符合經(jīng)驗(yàn)，而面板接縫的
三向位移都小于50 mm，在止水可承受范圍。本次計(jì)算得到三
板溪壩體沉降分指標(biāo)值為3．44，壩體沉降處于正常狀態(tài)。在萬
安溪面板壩的安全評價上，戴妙林等 分析指出板間縫的開合
度主要受溫度變化影響，其變化較小，壩體沉降及表面水平位
移隨時問緩增且趨向某一穩(wěn)定值，認(rèn)為大壩的變形總體上正
常。而三板溪的指標(biāo)矩陣X= [2．63，2．94，2．76，2．97，
3．55r，除水平位移性態(tài)較好外，其他都為正常狀態(tài)。傅世平
總結(jié)了白溪面板堆石壩監(jiān)測成果：面板撓度及撓曲率均較小，
周邊縫和垂直縫的最大變形都在正常范圍內(nèi)，面板接縫變形符
合一般規(guī)律，認(rèn)為面板運(yùn)行良好 J。白溪的指標(biāo)矩陣X：
[3．23，2．72，2．35，2．97，一] ，可認(rèn)為面板變形處于正常狀態(tài)，
而評價結(jié)果總體上較前者保守。刑萬鵬 分析豐坪壩體內(nèi)部
沉降及水平位移過程符合面板堆石壩變形的一般規(guī)律，主要受
施工期影響，蓄水后變形量很小，各測點(diǎn)的沉降量和水平位移
逐漸趨向穩(wěn)定，面板壩主要監(jiān)測結(jié)果均處于正常范圍之內(nèi)，并
且符合一般規(guī)律，認(rèn)為該混凝土面板堆石壩的工作性態(tài)基本上
正常。而通過計(jì)算得出豐坪的指標(biāo)矩陣X=[2．13，2．40，～ ，
2．81，3．04] ，同樣認(rèn)為大壩處于正常性態(tài)。由此，各分指標(biāo)值
的取值方法可以認(rèn)為是合理的。
將本文介紹的方法應(yīng)用于水布埡大壩，結(jié)果如下。
(1)水布埡面板堆石壩垂直沉降量與壩高的平方成正比，
300 m高程即大壩1／2壩高處大壩沉降量最大，近3 a大壩的
月沉降變化量很小，但在2010年9月發(fā)生最大沉降100 Illm，
分析認(rèn)為是檢修儀器造成的，其他時間段在一10～20 mm內(nèi)變
化。由圖3可知，水布埡大壩處于曲線右下側(cè)，可以反映大壩
壓實(shí)效果相對較好，同時結(jié)合大壩的月沉降變化量說明大壩沉
降是安全的。
(2)水布埡大壩近3 a的面板撓度監(jiān)測月變化范圍為
一17．3～23．8 mm ，遠(yuǎn)小于歷史對應(yīng)時期，特別是近1 a來的月
變化范圍為一1．3—1．1 mm ，總的來說面板撓度在2010年1O
月后趨于穩(wěn)定 ” 。
4 3 ] 3 1 7 1
．
47 02． 56． 2O． 36 ． 47 ． 36．
； ， ， ， ，
5 4 ， 8 5 9 5
．
46 05． 26 4O． 78 ． 6O． 78．
一 一 一 一 一 一
人民黃河2014年第4期
(3)周邊縫變形分指標(biāo)考慮三向變形最不利狀態(tài)，指標(biāo)值
為4．4，說明水布埡周邊縫的施工質(zhì)量較好，沒有出現(xiàn)有威脅的
變形狀況。
(4)水布埡大壩近3 a滲流量最大值未超過歷史最高值46
L／s，而且大壩滲流量相對較小，在20～3O I／s內(nèi)變化，相比其
他大壩，這種滲流規(guī)模在大壩的可承受范圍內(nèi)，不對壩體構(gòu)成
威脅。
(5)水布埡壩體水平位移表現(xiàn)為底部小部分出現(xiàn)向上游變
形，中上部一致向下游變形，大小不超過120 mm。另根據(jù)240
m高程到370 m高程問近3 a的水壓、水平位移、壩體沉降和面
板變形資料，得到四者的斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)，發(fā)現(xiàn)大壩向下游
側(cè)水平位移與水壓和壩體沉降關(guān)系緊密，見表4。相比馮甲
林Ⅲ 對壩頂水平位移用小概率法建立的安全監(jiān)控指標(biāo)，能利
用多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行評價更為可靠。
表4 部分分項(xiàng)目間的斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)
汪： $表不P<0．01。
根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)的相對重要性，取權(quán)重矩陣N=[0．20，0．21，
0．25，0．24，0．10]，綜合權(quán)重矩陣W =[0．185，0．158，0．302，
0．233，0，122]，最終水布埡大壩安全狀況指標(biāo)值為3．73，根據(jù)等
級劃分標(biāo)準(zhǔn)，大壩安全性狀較好。正如周偉等 根據(jù)監(jiān)測資料，
從大壩的變形以及滲流量方面全面分析評價了水布埡面板堆石
壩自2007年以來的工作性態(tài)，認(rèn)為大壩安全狀態(tài)良好。基于水
布埡原型觀測資料反演分析，很多學(xué)者也進(jìn)行了大量的工作，如
楊秀萍曾利用位移實(shí)測值，將RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和蟻群聚類算法相
結(jié)合的直接反分析方法，認(rèn)為蓄水前后水布埡壩體都是安全
的 。
4 結(jié)論
(1)大壩安全評價方法眾多，本文提出一種簡便的高面板
堆石壩定量評價方法，即依據(jù)各監(jiān)測項(xiàng)目的間隔變化量是否超
過歷史最大變化量，再參照世界各主要高面板堆石壩原型觀測
資料，劃分等級及對對應(yīng)的指標(biāo)值范圍進(jìn)行評價。
(2)結(jié)合面板堆石壩壩體沉降、面板撓度、周邊縫變形、大
壩滲流和壩體水平位移分指標(biāo)對大壩各部位的安全運(yùn)行狀況
進(jìn)行評估，并綜合5個分指標(biāo)得到安全狀態(tài)指標(biāo)對壩體進(jìn)行綜
合評價。
(3)分析認(rèn)為該方法是合理的，與其他評價方法的結(jié)果較
吻合。水布埡面板堆石壩的安全狀態(tài)指標(biāo)值為3．73，總體安全
性狀較好。
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【責(zé)任編輯楊雯惠】
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(上接第103頁)在面積收縮比大致相等的情況下，齒墩數(shù)目影
響消能效果；4種方案的脈動壓力都在距離齒墩消能段進(jìn)口2D
左右達(dá)到最大值，然后急劇衰減，在距進(jìn)口6D處脈動壓力強(qiáng)度
逐漸平穩(wěn)，其中方案d的抗空化性能較好；在脈動壓力均方根
最大點(diǎn)處，方案d的脈動壓力雖然不完全服從正態(tài)分布，但其
偏離程度不大。
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【責(zé)任編輯呂艷梅】
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