宝兴河铜头水电站监测预警值分析研究

靳玮涛 补忠琴

作者简介：靳玮涛（1983-），男，陕西西安人，高级工程师，研究方向为水工结构安全监测与控制。

摘 要： 本文对宝兴河铜头水电站监测预警值进行了分析研究，对类似工程具有指导意义。

关键词： 铜头水电站;安全监测;预警值;回归分析

【中图分类号】U214.7+5     【文献标识码】A     【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.37.132

1 概述

四川华能铜头水电站为青衣江支流宝兴河梯级开发最后一级，距离雅安市45km，距离芦山县9km。由混凝土双曲拱坝、泄洪隧洞、引水建筑物和厂房等建筑物组成，总库容2250m3，装机8万kw。坝体体形采用等截面三心圆弧双曲拱坝加拱端垫座体型方案。其基础处理高程686.5m，起拱高程694.0m，坝顶高程761.5m，最大坝高75m（其中垫座高6.5m），坝顶厚3.50m，坝底厚15.30m，垫座宽22.50m。顶拱中心角94.60°，最大中心角95.72°，最小中心角70.02°，对称布置。

铜头拱坝是国内著名的软基上修建的薄拱坝，全面总结拱坝运行规律，确定拱坝当前工作性态，对大坝安全运行、提高软基上拱坝筑坝水平具有重要意义。

2 重点监测区域及监测预警值分析

重点对坝体外部变形观测资料（C01-C16的X横河向、Y顺河向、Z垂直向）进行多元回归分析，对每个观测点的三个观测方向均建立了回归模型。回归自变量选用水位、等效温度以及时效分量等，回归效果评价用复相关系数表示，预警值分析采用含有观测量标准差的置信区间估计法，回归结果给出了各模型的自变量的系数、复相关系数以及观测值标准差，用于评价回归效果和进行预警值预测。、

2.1 铜头拱坝外部变形观测资料回归分析

2.1.1 坝体位移测值统计分析

通过分析，对于拱坝来说，其位移主要由三方面因素造成：水压变化、温度变化、时效。水压位移变化分量分别与水位变化H的1～4（或5）次方成线性关系，即：δH=∑biHi。温度位移变化分量与温度变化Ti呈线性关系，即δT=∑ciTi。时效位移变化分量的数学模型，根据很多工程经验选用对数函数模型：δθ=d1θ+d2lnθ。（bi、ci、di均为系数）

式中：

a1、a2……a13——为回归模型各自变量的系数;

T720、T730、T740、T750、β720、β730、β740、β750——为720、730、740、750高程的等效平均温度和等效温度梯度。

t——为时间，每100天增加1.0。

H——为坝上游水深。

2.1.2 位移观测点C01-C16Y向（顺河向）测值变化回归分析

坝体各高程位移测点Y向测值分析。

（1）C01Y、C10Y、C16Y、C5Y、C9Y（靠近坝底、坝肩）数据较分散，回归效果较差。但基本上可看出所在处位移受坝体温度变化影响较大。

（2）其它坝体各点回归效果较好，其所在处位移表现出与温度变化很强的相关性。

（3）由于水位变化不大，其所引起的位移量变化很小，时效所引起的位移变化也趋于收敛。位移的变化主要受坝体温度变化的影响，坝体夏季温升时向上游移动，冬季温降时向下游移动。与实际规律相符。

（4）坝体顺河向位移的变化规律是拱冠附近最大（4～9mm），至两岸拱端逐渐减小（1～1.5mm）。位移的变幅随高程增加而增加，（从C01的4.5mm到C13、C14的9mm）。拱冠梁至坝肩的位移变化规律性逐渐减弱，从与温度很强的相关性到无明显的变化规律。

2.1.3 位移观测点C01-C16Z向（垂直向）测值变化回归分析

坝体各高程位移测点Z向测值分析。

（1）C01-C05（坝体下半部分）回归效果较差。所在处Z向位移变化受时效、坝体温度变化影响均较大。

（2）C06-C16（坝体上半部分，除C07外）回归效果很好，其所在处Z向位移主要与温度变化相关，时效、水位的影响很小。

（3）大坝运行期坝体位移点普遍处于沉陷状态，沉陷量在1～4mm之间，同时位移点随温度做周期变化（特别对于坝体上部的测点），年波动幅度在1.5～4.5mm之间。夏季温升时坝体膨胀向上发展，冬季温降时坝体收缩沉陷。

2.1.4 位移观测点C01-C16X向（横河向）测值变化回归分析

坝体各高程位移测点X向测值分析。

（1）C06、C11、C12、C14、C15、C16（靠近或位于坝顶）回归效果较好。所在处X向位移变化主要受坝体温度变化影响。

（2）其它坝体、坝肩各点回归效果较差，但基本上可看出其所在处X向位移与温度变化有一定的相关性。

（3）水位、时效所引起的位移变化很小（均为0.5mm左右）。

（4）坝体横河向位移普遍较小（1～3mm）。坝顶拱冠梁附近稍大（3～5mm）

2.2 主要结论

本文主要依据铜头拱坝的水位、温度观测资料，结合时效影响，对坝体位移测值进行多元回归计算和分析，得出各观测项的回归模型和预警值区间，并根据回归结果，对测值变化规律进行了分析，得出坝体运行状态与水位、温度、时效变化的关系。

（1）铜头拱坝坝体16个位移测点测值变化总的回归结果是Y向（顺河向）和Z向（垂直向）效果较好，X向（横河向）效果较差。测点高程越高，越接近拱冠梁，位移的變化越有规律，回归结果越好。坝体位移测点测值变化无论在哪个方向上，都与坝体温度的变化有很强的相关性。夏季温升时坝体向上游移动，且膨胀向上发展，冬季温降时向下游移动，且向下收缩沉陷。顺河向位移的变幅拱冠附近最大（4～9mm），至两岸拱端逐渐减小（1～1.5mm），且随高程增加而增加（从715高程C01的4.5mm到761.5高程C13、C14的9mm）。垂直向位移年波动幅度在1.5～4.5mm之间，主要随温度做周期变化（特别对于坝体上部的测点）。由于拱坝上游水位的变幅很小，坝体位移变化的水位分量很小，由于位移量普遍较小，故可认为坝肩岸坡基本处于稳定状态。

（2）从各高程位移观测点测值变化可以看出，761.5、750高程拱冠梁附近位移变化较大，两岸坝肩处较小;735高程处C2、C3、C4测值变化幅度较接近，即拱冠梁、坝肩位移均较大。

（3）由于坝体沿不同高程的位移分布规律性不强，735高程以下拱冠梁和坝肩位移变化数值接近，对拱坝受力不利，因此以后的重点监测区域除拱冠梁测点外，还应注意坝肩和低高程处的位移测点，尤其应注意735高程以下拱冠梁和坝肩处的位移变化值是否接近。

（4）优化参数计算位移相对于设计参数计算位移：拱冠最大顺河向位移均有所减小（减小值分别为1.8mm）;左右拱端最大順河向位移均有所减小（左拱端减小值分别为0.5mm，右拱端增减小值0.3mm）。右拱端在坝顶附近位移稍有增加，这与实际观测位移相符。优化参数计算位移相对于设计参数计算位移左拱端横河向位移均有所减小;右拱端位移在坝顶处稍有增加，这与实际观测位移相符。横河向位移整体趋势是大坝整体左岸偏移。拱端顺河向位移较大，在720高程，拱端位移和拱冠梁位移已基本相当。优化参数对顺河向位移拟合较好，对横河向位移较差。

（5）对铜头位移测点测值变化均进行全面的回归分析，其回归方程即为监测值预警值的基础。铜头拱坝坝体16个位移测点测值变化总的回归结果是Y向（顺河向）和Z向（垂直向）效果较好，X向（横河向）效果较差。测点高程越高，越接近拱冠梁，位移的变化越有规律，回归结果越好。坝体位移测点测值变化无论在哪个方向上，都与坝体温度的变化有很强的相关性。由于拱坝上游水位的变幅很小，坝体位移变化的水位分量很小，位移的时效分量较小。

结束语：在强调水电站全寿命周期安全管理的今天，安全监测作为大坝安全管理的重要组成部分，其重要性日益凸显。监测资料整编分析是大坝安全监测工作的最后一环，是评价大坝安全状况的重要技术资料。在保证监测仪器埋设埋设质量和及时观测的基础上，还应加强监测资料整编和分析，加强监测预警值的分析研究，使安全监测真正发挥工程“耳目”的作用。

参考文献

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