古田溪大坝典型坝段水平位移监控指标的拟定

水利水电工程

古田溪大坝典型坝段水平位移监控指标的拟定

金 秋1,2

,刘贝贝1

,张 磊

1

(1.河海大学水利水电工程学院,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)

摘 要:分别采用典型小概率法和结构分析法拟定了古田溪大坝9号和15号坝段水平位移的监控指标,指出:采用两种方法计算得到的最大值监控指标比较接近,但结构分析法考虑了模拟大坝和基岩的实际受力情况,使计算结果更为合理,建议采用结构分析法监控坝顶水平位移的最大值;对于坝顶水平位移的最小值监控指标,建议采用小概率法。关 键 词:小概率法;结构分析法;水平位移;监控指标;古田溪大坝

中图分类号:TV 698.1 文献标识码:A do :i 10.3969/.j i ss n .1000-1379.2010.02.056

1 工程概况

古田溪三级大坝为钢筋混凝土平板坝,坝顶高程为137.70m,最大坝高约43m,坝顶长225.0m,由27个跨度为7.5m 的平板坝垛组成(左岸2号坝垛至右岸29号坝垛),2号坝垛以左和29号坝垛以右为重力式接头部分,中间9号至20号坝垛为溢流坝垛,其余均为挡水坝垛,其中5号!8号坝垛为厂房坝垛。大坝溢流段净宽81.3m,溢流堰顶高程为129.0m 。水库死水位122.0m,正常高水位131.0m (实际运行正常高水位129.0m ),设计洪水位136.7m ,校核洪水位137.5m 。古田溪三级水电站属三等工程,大坝为∀级建筑物,目前已运行近50年,经历了多种荷载的考验。

大坝9号坝垛位于河床溢流坝段与非溢流坝段之间,其测值具有典型性;15号坝垛是溢流坝段,位于河谷的中间,对整个大坝起着关键作用。因此,将9号、15号坝段作为典型坝段,用典型小概率法[1-2]和结构分析法分别分析古田溪三级大坝的水平位移监控指标。

2 典型小概率法

2.1 基本原理

令不利荷载组合时的监测效应量(如大坝的水平位移)为X m i ,则X m i 为随机变量,由监测资料系列可得到一个子样数为n 的样本空间:

X ={X m1,X m 2,#,X m n }

(1)

其统计量可用下列两式估计:

X =

1

n ∃n

i=1X

m i

(2)

X =

1n

(∃n

i=1

X

2

m i

-n X 2

)(3)

然后,用统计检验方法(如A -D 法、K -S 法),对其进行分布检验,确定其概率密度的分布函数(如正态分布、对数正态分布和

极值I 型分布等)。

令X m 为监测效应量的极值,当X >X m 时,大坝将要出现异常或险情,其概率为

P (X >X m )= =

%+&-&

f (x )d x

(4)

失事概率 根据大坝的重要性而定,古田溪大坝 =1%。确定 后,由X m 的分布函数可直接求出X m =F -1(x, x , )。

2.2 典型坝垛坝顶水平位移监控指标拟定

2.2.1 子样的选择

原型监测资料表明:古田溪大坝的位移变幅主要决定于温度变化,通常温度升高,大坝向下游位移;温度降低,大坝向上游位移。可见每年位移的最大和最小值反映了古田溪大坝极值位移的变化规律,因此将每年的最大和最小位移作为典型坝垛效应量的样本(见表1)。

2.2.2 水平位移的监控指标

利用K -S 法对各特征时段的最大和最小位移进行了检验。以9号坝垛坝顶的引张线位移为例进行检验说明:

(1)9号坝垛坝顶引张线位移每年最大值的分布。由K -S 法进行检验,9号坝垛坝顶水平位移每年的最大值服从正态分布,即 ~N ( , 1),其中 1=1.659、 1=0.577。当位移 大于位移的极值 m 1( m1为位移极值)时,其概率为

F ( ∋ m1)= 1=

%

+&

m 1

12! 1e -( - 1)2

2d =%

+&

m 1

1

0.577

2!

e

-( -1.659)2

2

d (5)

收稿日期:2009-06-02

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50539030,50539110,50539010,50809025,50879024);国家科技支撑计划课题(2006BAC14BO3,

20070294023,

2008BAB29B03,2008BAB29B06);中国水电工程顾问集团公司科技项目(CH C-K J-2007-02);江苏省(333高层次人才培养工程)科研项目(2017-B08037)。 作者简介:金秋(1984!),女,浙江慈溪人,硕士研究生,研究方向为大坝安全监控。

E m ai:l j i nqi u0218@163.co m

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122∗第32卷第2期 人 民 黄 河 Vol .32,N o .2 2010年2月 YELLOW R I VER Feb .,2010

表1 典型坝垛测点水平向位移年极值统计

mm

年份9号坝垛最大值

最小值15号坝垛最大值最小值19990.75-0.180.13-0.2120000.81-1.670.41-0.3320011.22-1.520.80-0.0720022.25-1.161.13-0.1320032.11-2.140.55020041.96-1.891.11-0.3920052.06-2.331.56-0.6520061.43-2.280.24-0.4920071.71-2.350.27-0.802008

2.29

-1.70

1.09

-0.08

计算得到9号坝垛坝顶引张线位移每年最大值的监控指标( =1%)为3.001mm,即水平位移最大不宜超过3.001mm 。

(2)9号坝垛坝顶水平位移每年最小值的分布。由K -S 法进行检验,9号坝垛坝顶水平位移每年的最小值服从正态分布,即 ~N ( 2, 2),其中 2=-1.722、 2=0.668。因此,当位移 小于位移的极值 m 2

时,其概率为f ( + m 2)= 2=

%

m 2

-&

12! 2e -( - 2)22d =

%

m 2

-&

10.668

2!

e -( +1.772)2

2

d (6)

计算得到9号坝垛坝顶引张线位移每年最小值的监控指标( =1%)为-3.276mm ,即最小不宜小于-3.276mm 。

15号坝垛廊道的引张线位移K -S 法检验同9号坝垛,计算得到其引张线水平位移最大不宜超过1.846mm,最小不宜小于-0.937mm 。

3 结构分析法

3.1 基本原理

依据坝踵应力不出现拉应力、坝趾不超过允许压应力以及最危险滑动面的抗滑稳定满足规范要求为准则,拟定一级监控指标[3-4]。

强度条件为坝踵 u +0、坝趾 d +

[ ]s ;稳定条件为K ∋

[K ]。 u 、 d 、[ ]s 分别为不同荷载组合下的坝踵应力、坝趾应力以及混凝土允许压应力,K 、[K ]分别为不同荷载组合下的抗滑稳定安全系数和允许抗滑稳定安全系数。

应力与荷载组合以及位移与荷载组合的显式关系为

f (∀p )=f ( u , d ,[ ]s ,[K ],c ,f,K )=f ( m )

(7)

式中:∀p 为不同荷载组合工况; m

为变形监控指标。由式(7)即可求得对应的坝顶位移,从而确定位移的监控指标。

3.2 计算方法

根据古田溪三级大坝的变形和强度稳定分析,在高水位时

产生向下游位移的最大值,为此选择最高库水位作为拟定下游位移的荷载工况,并考虑温度位移和时效位移。结构分析法拟定的监控指标是相对于初始零位移状态的计算值。

向下游水平位移的监控指标为

m =# Hm ax + T + ∃

(8)

式中:# Hma x 为最高水位与初始水位的水压分量差值; T 为温度

分量的水平位移; ∃为时效分量的水平位移。

3.3 典型坝垛坝顶水平位移监控指标拟定

采用六面体8节点等参单元和少量五面体6节点单元,9号坝垛共计10881个单元、13565个节点;15号坝垛共计10740个单元、13146个节点。

古田溪三级大坝在1993年4月15日发生过最高水位134.00m,因此选择校核洪水位137.50m 为计算水位。采用有限元法计算得到9号和15号坝垛对应的水压位移分别为1 209、1.082mm ;初始水位取128.50m ,对应的位移分别为0 176、0.313mm,则水压位移为1.033、0.769mm 。温度位移由混合模型分离至2008年10月,9号和15号坝垛分别为2 272、0.677mm ;时效分量由混合模型分离至2008年10月,9号和15号坝垛分别为0.012、0.024mm 。则9号和15号坝垛水平位移监控指标分别为3.317、1.477mm 。

4 典型小概率法和结构分析法对比

通过采用典型小概率法和结构分析法对坝顶水平位移的监控指标进行拟定可见:典型小概率法简单易行,但需要较长的资料系列才能使得监测效应量包含最不利荷载组合时的情况,而且该方法没有联系大坝失事的原因和机理;结构计算分析方法是用有限单元法建立数学模型,模拟大坝和基岩的实际受力情况,通过与实际监测资料结合反演各种材料参数后,计算各种荷载工况下坝的变形与应力变化情况。

采用两种方法计算得到的最大值监控指标比较接近,但结构分析法考虑了模拟大坝和基岩的实际受力情况,使得计算结果更为合理,建议采用结构分析法监控坝顶水平位移的最大值;对于坝顶水平位移的最小值监控指标,建议采用小概率法。在实际分析中,应两种方法结合,以便更好地监控大坝坝顶的水平位移。

参考文献:

[1] 吴中如.水工建筑物安全监控理论及其应用[M ].北京:高等教育出版社,

2003.

[2] 郑东健,郭海庆,顾冲时,等.古田溪一级大坝水平位移监控指标的拟定

[J].水电能源科学,2000,18(1):16-18.

[3] 郑东健,刘广胜,顾冲时.大坝水平位移监控指标拟定的混合法[J].大坝

安全监控技术,2002,26(2):42-44.

[4] 魏德荣.大坝安全监控指标的制定[J].大坝与安全,2003(6):24-28.

责任编辑 张华岩

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123∗人民黄河 2010年第2期