水电站砾石土心墙变形特征及智能监测预警系统研究

李彩云

(莘县水利局，山东 聊城 252400)

当今世界的水利工程发展十分迅速，水利工程的发展离不开水库大坝的建设，我国西部雅砻江等河流上方已经修建或即将修建数十座土石坝等工程[1]。心墙土石坝由于可以就地取材、经济成本低和施工便捷等优势成为当今世界土石坝中的主流坝型[2- 3]。我国的心墙土石坝发展较晚，但是发展速度很快，为了满足我国广阔地域的水资源合理配置，我国已经修建了坝高超过300m的特高心墙土石坝[4]。

以往的研究表明，心墙土石坝中的心墙料在渗流作用下的湿化变形和流变变形等是导致坝体变形的关键因素，严重影响坝体及水库的运行安全[5]。针对上述问题，许多学者进行了相关的研究，如保华富等[6- 7]根据施工现场土料场多且分散以及土料偏细等问题，提出了土料掺砾改性的观点，并且通过室内击实试验，得到了掺砾土料的最大干密度和最优含水率等指标随击实功的变化规律，并从实际工程防渗角度出发，得到砾石含量不能高于50%的结论；董训山[8]依托双江口工程，对堆石料的流变特性进行了试验研究，并利用试验结果模拟计算了坝体的流变特征；张延亿等[9]研究了级配分布范围较宽的土石混合料的湿化变形特性，探究了材料级配和竖向应力等对材料湿化变形的影响规律。

虽然针对土心墙自身稳定性和土料优化及稳定性等方面的研究已经取得一定的研究成果，但是针对长期荷载作用下砾石料对高土心墙的稳定性研究还比较少见，其工程特性和流变特征理论研究尚显不足[10]。因此，文章以某水电站为背景，研究砾石料工程特性和流变特征，并根据实验结果提出了大坝变形智能监测预警理论，为大坝的长期稳定性提供了理论指导。

1 试验材料与试验方法

1.1 试验材料

文章所研究的砾石料原型是依托工程下游某采石场原岩而制定的，原岩的基本物理力学参数见表1，参数来源为三组及以上试样测试的平均值。通过现场堆石料的相应指标等比例缩小制作室内试验试样，试样的粒径范围为1～100mm，最大干密度和最优含水率分别为2.272g/cm3和6%。

表1 原岩基本物理力学参数

1.2 试验方法

通过常规三轴试验对试样进行湿化变形特性研究，试验均设置了三组围压(1、2和3MPa)，其中应力水平均为S=0.3、0.5、0.7和0.9，根据《土工试验规程》相关标准进行试样变形与应力状态关系的三轴剪切试验。大坝土石料在湿化过程中承受着自身的重力作用，这与单线法的试验原理更加接近，因此为了更加贴合现场情况，本次试验采用单线法进行湿化变形试验，湿化稳定时间设置为24h，当试样变形达到轴向应变的15%或破坏时停止试验。流变特性试验设置了四组围压(0.5、1.0、2和2.5MPa)，应力水平与三轴湿化变形试验相同。

2 试验结果分析

2.1 湿化变形结果分析

试样三轴湿化轴向变形和体积变形等数值见表2。从表中可以看出，在围压不变的情况下，随着应力水平的增大，试样的轴向应变和体积应变均逐渐增大，且轴向应变的增大幅度更加明显；在应力水平不变的情况下，试样的轴向应变和体积应变与围压呈正相关；相比于围压而言，应力水平的增长对试样的变形影响更加明显。

表2 试样湿化变形值

选取围压为3MPa时试样在不同应力水平下的湿化变形应力-应变曲线进行分析，如图1所示。从图中可以看出，在不同的应力水平之下，试样的湿化变形应力-应变曲线形态几乎一致，当轴向应变为3%～9%时，随着应力水平的增大，试样的应力逐渐增大；但是当轴向应变大于9%后，不同应力水平下的试样的应力值几乎相同。

图1 试样在不同应力水平下的湿化变形应力-应变曲线

选取围压为3MPa时试样在不同应力水平下的轴向变形与体积应变的关系进行分析，如图2所示。从图中可以看出，在不同的应力水平之下，所有试样的体积变形均是随着轴向变形的增加先增大后稳定，当轴向应变为0%～3%时，随着应力水平的增大，所有试样的体积应变几乎相同，说明此时试样的体积应变不受应力水平大小的影响；但是当轴向应变大于3%后，随着应力水平的增加，试样的体积应变显著增大。

图2 试样在不同应力水平下湿化变形轴向应变与体积应变的关系

2.2 流变特性结果分析

试样的流变轴向应变和流变体积应变与流变时间的关系曲线如图3所示。从图中可以看出，试样的流变轴向应变和体积应变受围压的影响较大，当围压较小时，试样的流变变形较小，当围压增大时，流变变形也显著增大；当围压和加载水平相同时，试样的轴向应变始终大于其体积应变，且围压越大，效果越明显；从分级加载流变曲线可以看出，当施加一级荷载后，试样的流变呈现出先增大后稳定的变化趋势，且前期增加速率很快，往往只需要几个小时就能达到现有加载水平下最大的流变量，这与水库大坝现场的流变特性具有较大的差异，试验结果明显快于现场土心墙的流变变形速率。

图3 试样的流变应变与流变时间的关系

3 智能监测预警系统

基于砾石土心墙坝体的典型变形特性研究结果，结合多智能体和变形施工控制等多方面条件构建坝体运营变形监测预警平台，为坝体的长期稳定性运行提供技术保障。智能体是基于人工智能发展起来的实体单元，通过结合多个智能体，可以构建多智能体预警系统，文章所用的多智能体预警系统是通过黑板模型实现单个智能体之间的信息协作，该多智能体预警结构主要由六个智能体单元构成，分别为料源质量监测预警智能体、料源运输监测预警智能体、施工质量监测预警智能体、质量检测预警智能体、湿化变形监测预警智能体和流变变形监测预警智能体，如图4所示，单个智能体的主要单元包括了知识库、推理模型、反应器、规则库和感知器等。通过该多智能体监测预警系统可以实现对施工前、施工过程和运营过程三个方面全方位的坝体质量监测及预警。

图4 多智能体监测预警系统结构

4 结论

文章研究了砾石土心墙湿化变形和流变变形两种典型条件下的变形特性，并结合现场施工与变形特性试验研究构建了多智能体监测预警系统，得到如下结论：

(1)砾石石料湿化变形受围压和应力水平影响，在同等条件下，轴向应变比体积应变增大幅度更加明显。

(2)砾石石料流变变形与围压呈正相关，且轴向变形增大幅度更为明显；室内试验流变变形速率较现场变形而言显著加快。

(3)利用黑板模型构建以单智能体为基础的多智能体坝体监测预警系统，实现施工前、施工过程和运营过程三个方面的全方位坝体质量监测及预警。