大坝视准线与真空激光观测值的衔接回归分析

罗文广 胡升伟 文聘 胡明秀

摘要：某水电站大坝水平位移2000年前采用视准线法监测，2000年后采用真空激光准直系统监测，但这两种方法观测成果存在空间和时间上的相对性，因此对该水电站水平位移2000年前后各自的数据进行分析，然后选择代表性测点尝试将二者衔接起来展现连续的水平位移变化过程和趋势。各系列测值回归复相关系数为0.71～0.97，标准差为0.41～2.42mm，标准差与变幅比值为0.03～0.16；总体上水压分量占比（36%）大于温度分量的（18%），且初蓄期水压激增的效应也突出显现，温度效应变幅为4～5mm，时效分量变幅呈收敛趋势，回归效果总体尚可。

关键词：视准线法；真空激光准直系统；水平位移；监测；回归分析；大坝

中图分类号：TV642.3 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.01.028

大壩水平位移一般采用视准线法和真空激光准直系统监测川。某水电站水平位移监测从2000年起采用真空激光准直系统（同时采用视准线法监测至2004年），尽管能获得绝对位移且精度相对较高，但具有时间上的相对性。蓄水前采用视准线法监测水平位移，捕捉到了水位激增过程的水压效应，但因基点未改正而有空间上的相对性，且观测精度不高，不过仪器基点设置在靠岸边水压相对较小的23#坝段，绝对位移小，因此该数据仍然是很珍贵、有实际意义的监测数据。由于两种方法各有局限性，均不足以展示大坝蓄水以来的连续变形趋势，因此在进行大坝安全监测资料分析时，尝试将二者衔接起来展现连续变形过程和趋势。

1 工程概况

某水电站位于四川省乐山市沙湾区境内的大渡河上，建坝地点为峡谷出口处，河谷开阔，右岸岸坡较陡，左岸平缓，两岸冲沟发育，是一座以发电为主，兼顾漂木及改善下游通航条件的综合利用工程。枢纽主要建筑物有溢流坝、发电厂房、左右冲沙底孔坝段、左右岸重力坝、左右岸堆石坝等，坝顶高程479.0m。该电站于1985年1月开工，1986年年底工程截流，1992年4月蓄水，1994年年底机组全部发电。

自1992年蓄水至2004年，坝顶4#-24#坝段采用视准线法观测水平位移的工作基点没有可靠的观测设施来改正端点位移，故测点的水平位移为相对位移。之后，随着真空激光准直系统的完善，可以利用其观测成果来改正视准线法工作基点的端点位移。因视准线法误差较大，从2005年起4#-24#坝段不再采用视准线法观测水平位移。

2000年，对坝顶位移监测设施实施自动化改造，在坝顶轴下0+007.2m、高程478.60m处，安装1套真空激光准直系统，布置在4#-24#坝段，全长449.17m，激光发射端设在4#坝段，接收端设在24#坝段，每个坝段设置1～2个测点，共26个测点。两端点各设置一套双金属标/倒垂线，测量端点位移。取8#-16#坝段的典型测点进行分析，该坝段为基岩上混凝土重力坝。

2 坝顶水平位移监测资料分析

2.1 监测资料分析方法

主要采用作图法及数学回归法来分析坝顶水平位移监测资料。作图法即通过绘制监测量的过程线来考察监测量的变化规律；数学回归法的建模方法有统计模型法、确定性模型法和混合模型法[2]。笔者采用易于被工程界所理解和接受的统计模型法[3]进行回归分析。

大坝水平位移一般由水荷载、温度荷载及坝体材料和基岩的徐变、塑性变形、裂缝变化等引起，可用如下数学模型表示某一点的位移s：

δ=δH+δT+δt式中：δH为水平水压力变化引起的弹性位移分量；δT为温度变化引起的弹性位移分量；δt为非弹性位移分量，即时效位移分量，是大坝工程安全评价至关重要的分量。

（1）水压分量δH。

δH=a0+a1（H1-H0）+a2（H1-H0）2+a3（H1-H0）3+a4（H2-H0）+a5（H2-H0）2+a6（H2-H0）3+δDH

δDH=a7+a8DH1+a9DH2式中：H1、H2分别为上、下游水位；H0为建基面高程；DH1为当日水位超过上个测次的最高水位量；DH2为DH1与当日水深之积；ai为待定回归系数i=1，2，…，9。

（2）温度分量δT。

δT=b0+b1T+b2T5+b3T10+b4T15+b5T20+b6T30+b7T45+b8T60+b9T90+b10T120式中：T、T5、T10、…、T120分别为观测日当天及前5、10、…、120d的平均气温；bj为待定回归系数，j=0，1，…，10。

（3）时效分量δt。

δt=c0+c1t+c2lnt+c3t/（t+100）式中：t为从1992年1月1日起至观测日的累计天数；ck为待定回归系数，k=0，1，2，3。

2.2 坝顶视准线法水平位移监测资料分析

该坝坝顶测点较多，笔者仅选取典型测点进行分析。D14、D15、D16测点位于8#-16#坝段，观测仪器布设在23#坝段的基准点D23-2，后视基点为T04。2002年后测站改为T08-1，以T08为后视点，测站与后视点的距离仅18.0m，而测站与测点之间的距离最大达279.2m，其观测精度无法满足要求。同时随着坝顶激光准直系统的逐步稳定、成熟[1]，2005年该坝段停止采用视准线法监测水平位移。该坝段从1991年11月开始观测，初期一般每月观测1～2次，1993年1月后每月观测1次。

2.2.1 历时过程分析

1992年至2001年，水平位移过程线见图1。由图1可以看出，蓄水初期水压升幅大，水平位移变幅也最大；之后，位移随着水位、温度的周期性波动而波动发展，同时，存在受坝基、坝体材料徐变等因素影响而显现的时效增加趋势。各测点相对位移受温度、水压年度周期波动的影响不明显。

2.2.2 典型测点位移回归分析

选择具有代表性的测点Dis进行回归分析，分析结果见图2。1991-2000年D15测点水平位移（Y）的回归方程为Y=1.36174+3.13×10-5（H1-H0）3+1.68×10-3t-0.1616T120。该测点统计回归复相关系数R2为0.71，标准差为2.424mm，标准差与变幅比值为0.16。时效、水位、温度分量变幅分别为5.25、7.12、2.75mm，各分量所占比例分别为35%、47%、18%。回归拟合精度较差，这与视准线法人工观测总体精度不理想有关。

水位分量变化规律符合大坝蓄水运行过程，初蓄时水位增高30余m，形成最大水平位移约6mm，此后随5m/a左右的水位变幅水位分量变幅在2mm以内；温度分量变化也正常，温升季节向上游膨胀、温降季节向下游收缩，变幅约2.5mm；时效分量则呈线性发展，与实际情况不符，理论分析应呈收敛发展态势。总体上，水压分量占整体变位的约一半，大体是合理的，温度、时效对水平位移也各有影响。

2.3 坝顶真空激光准直系统监测水平位移

该电站于2001年9月对真空激光准直系统进行升级改造，2003年9月改造完成后恢复观测，对坝顶位移1周自动观测2次，并辅以2周1次的人工比测。经论证确认真空激光准直系统端点测值的可靠性较高，且人工观测精度明显高于自动化观测精度。笔者将真空激光准直系统位移测值转换为绝对测值，并将端点的相关位移一并纳入系统测值进行时程分析。

坝顶真空激光准直系统、人工观测水平位移测值过程线见图3、图4。由图可见：坝顶水平位移呈明显的年度周期性波动，结合坝区气温、上下游水位运行规律进行分析，认为这种坝顶水平位移的波动，应该是受到气温变化致大体积混凝土热胀冷缩及上下游水压力变化双重效应的叠加影响，只是不同建基面高程坝段所受水压力效应的程度有差异。具体表现为，夏秋季温升、上游水位下降、下游水位升高，上下游水位差减小，测点处于横剖面的上游侧，混凝土热胀向外侧即上游发展，冬春季则反向发展[4]。

2.4 视准线法与真空激光准直系统监测成果衔接分析

视准线法从蓄水前开始监测大坝水平位移，捕捉到了水位激增过程的水压效应，但因基点未改正而有空间上的相对性；真空激光准直系统自2000年起测，尽管能获得绝对位移且精度相对较高，但具有时间上的相对性。笔者对代表性测点D14、D15、D16，尝试将二者衔接起来展现连续水位变化过程和趋势。其测值过程及回归分析见图2、图5～图8，回归方程及参数和分量统计见表1、表2。

各系列测值回归复相关系数为0.712～0.968，标准差为0.44～2.424mm，标准差与变幅比值为0.03～0.16，且分解的各分量变化符合工程实际，因此回归效果总体尚可。

（1）衔接合理性分析。2000年前，15#坝段位移的水压分量占比高达47%，温度分量占18%，时效分量呈线性增加趋势；2000年后，则以温度分量为主，占63%，水位变幅约5m/a的水压所致的效应分量僅占8%，时效分量趋于收敛。衔接后，总体上还是水压分量（占比为36%）大于温度分量（占比为18%），且初蓄期水压激增的效应也突出显现。将两种方法的测值衔接后，可以看出温度效应引起的大坝位移在2000年前与2000年后基本一致，为4～5mm，时效分量呈收敛趋势，符合工程实际，因此两种测值的衔接分析尽管存在误差，但仍是合理、可接受的。

（2）水压位移分量。各测点测值均受水压分量影响，其中D14、D16测点还受初期蓄水位的影响，Dis测点受上游水压力的影响，均表现为在初蓄期水平变位急剧增加，向下游产生位移，随后进入稳定时期；各测点位移的水压分量变幅为3.20～8.62mm，占总变幅的22%～35%，这与常规其他测点分析的水压分量（占比为8%）相比，差别显著。

（3）温度位移分量。各测点均分解出温度分量，与气温呈负相关关系，即温度升高，坝顶向上游位移[5]（测值减小）；温度降低，坝顶向下游位移（测值增大）。温度因子包括T90、T120，表明坝顶水平位移滞后于气温变化，滞后3～4个月。各测点温度分量变幅为3.64～4.58mm，占总变幅的18%～25%，对水平位移影响较大。

（4）时效位移分量。3个测点时效分量变幅为7.71～11.84mm，占总变幅的47%～53%，但均呈收敛趋势，表明大坝基本是稳定安全的。

3 结论

由某水电站坝顶视准线法观测水平位移资料可知，混凝土重力坝有向下游的趋势性位移，位移总体呈收敛趋势，符合基岩上混凝土重力坝的一般变形规律，其水平变位是安全的。测点间的水平变位连续、协调，无大的突变，位移量在可接受的安全范围内。由真空激光准直系统观测资料可知，各坝段水平变位相互间连续、协调，不存在相邻坝段间的突变、错缝，且各坝段的变幅基本为2～5mm，变形是安全的。

视准线法、真空激光准直系统监测水平位移分别存在空间、时间上的相对性，数据存在缺陷。代表性测点的衔接分析基本展现了一种连续的过程和趋势：总体上水压分量占比（36%）大于温度分量的（18%），且初蓄期水压激增的效应也突出显现，温度效应变幅为4～5mm，时效分量变幅呈收敛趋势，符合大坝工程的实际变化特征。

参考文献：

[1]沈定斌.真空激光系统在龚嘴、铜街子大坝监测中的应用情况[J].大坝与安全，2006（4）：27-31.

[2]邹璐.大坝变形监测资料分析[D].南昌：南昌工程学院，2012：4-26.

[3]张强勇，刘豆豆.重力坝变形统计回归分析模型及工程应用[J].人民黄河，2005，27（7）：37-39.

[4]于真真，王东，沈定斌，等.铜街子水电站24#坝段水平位移规律“异常”分析[J].水利水电技术，2013，44（11）：98-100.

[5]郭宝玉，胡波.乐滩水电站运行期大坝变形特性分析[J].水电自动化与大坝监测，2012，36（4）：63-67.