拉洛水电站泄洪洞监测成果分析研究

郭修云

(西藏自治区拉洛水利枢纽及灌区管理局，西藏 拉萨 851414)

1 工程概况

拉洛水利枢纽位于西藏自治区日喀则市西部萨迦县的夏布曲干流，是一座以灌溉为主，兼有供水、发电、防洪等综合功能的大型水利控制性工程。水库正常蓄水位为4 298.00 m，总库容2.965亿m3，控制流域面积3 366 km2[1]。

枢纽工程由沥青混凝土心墙砾石坝、泄洪洞、溢洪道、发电厂房、鱼道、德罗引水发电系统组成，其中泄洪洞布置于大坝右岸，集施工期导流、运行期泄洪、发电引水、水库放空等功能于一体，属于多功能隧洞。多功能泄洪洞是水利水电行业的研究重点之一，其可以有效降低工程投资，目前国内外虽有实际应用，但泄洪洞大多是利用原有导流洞改建而成[2-3]。拉洛水电站泄洪洞于2015年5月施工，2016年9月完工，2017年完成衬砌浇筑，是国内首个一次建成的多功能隧洞[4]，投入运行至今已5年多，通过对泄洪洞全过程监测，采集了大量变形、应力、渗流等原始监测数据。本文对前期收集到的泄洪洞监测数据进行详细分析，对泄洪洞的工程质量做出评价，给同类工程资料分析提供借鉴，同时基于最大熵理论提出重点监测项目安全指标，为拉洛水电站泄洪洞的未来监测提供可靠依据，以保证该工程的安全性与耐久性。

2 地质情况与监测布置

拉洛水电站泄洪洞位于大坝右岸，进口距坝轴线上游约240 m。泄洪洞为2级建筑物，横断面为圆形，洞径5.4 m，长576 m；进口底板高程4 265 m，出口底板高程4 255 m。隧洞围岩为三叠系涅如组板岩，岩体完整微风化。岩体透水性随深度增加而减小，在承压水出现孔段，岩体透水性增强。泄洪洞的主要不利地质因素有隧洞多处存在层间挤压破碎带，破碎带宽0.40～4.20 m不等。洞身渗水点较多，多为勘探孔揭露承压水。

为监测和反馈控制泄洪洞的安全运行，隧洞内共布设5个永久监测断面，分别为1-1断面(X0+18.00)、2-2断面(X0+235.00)、3-3断面(X0+302.02)、4-4断面(X0+339.01)、5-5断面(X0+560.98)。每个监测断面分别埋设3套多点位移计、3支锚杆应力计和2支测缝计，另在1-1断面、3-3断面各布置2支渗压计，用于监测泄洪洞围岩内部变形、支护结构锚杆应力、接缝开度及渗透压力情况。目前，各监测仪器运行正常，监测频次满足规范要求。泄洪洞断面布置见图1，典型断面1-1监测仪器布置如图2所示。

图1 拉洛水电站泄洪洞断面布置示意

图2 泄洪洞典型监测断面(1-1断面)仪器布置

3 误差剔除及异常值修正

测点在收集或传送数据过程中可能会由于人为失误、外界干扰或系统故障等原因，造成数据序列存在一定缺失或者数据存在离群尖点(毛刺粗差)、“台阶状”突变等异常现象，故在对监测数据分析之前需要对这些原始数据进行预处理，通过对缺失或异常数据的处理，以保证数据的完整性、可靠性和一致性。

3.1 异常值修正

异常值处理主要用于剔除因各种原因导致录入错误以及不合常理的数据，通常按缺失值进行处理。与缺失值处理不同，异常数据处理的关键是正确识别正常值和异常值。由于时效因素对测值的影响相对较小，则可假设某个短时间区段内测值服从正态分布N(μ，σ2)，采用3σ准则剔除异常值。其处理过程为：①以某测点监测数据为样本，计算得到样本标准差σ和均值μ；②对测点数据进行过程线检查，检验毛刺所在测点值是否超过μ±3σ，若超过，则认为该测值不合理，应予剔除。该方法仅剔除离群突变尖点，保留了外荷载条件变化、人为扰动等因素引起的“台阶状”突变或向某一方向渐进持续性位移增长，这些测值应结合实际情况进一步分析。

3.2 缺失值修正

对于缺失数据的处理通常采用简单删除与填充法。数据处理手段为对于监测序列上的数据空缺，若空缺时段小于1个月，则进行线性插补；若缺失时段较长，参考过程线上测值规律性较好且波动中心稳定的时段及空白时段前后测值大小，对空白区段进行3次样条曲线插值。

4 监测资料分析

4.1 围岩变形分析

为了监测泄水隧洞围岩变形，在5个监测断面的顶拱、左右边墙部位各布置1支多点应力计，仪器编号依此为M01XHD～M15XHD。每支多点位移计设4个测点，4个测点距孔口分别为1、4、7、20 m。只有1-1断面M03XHD多点位移计的4个测点距孔口为1、4、7、12 m；5-5断面M15XHD多点位移计的钻孔深度为7 m，3个测点距孔口分别为1、4、7 m。

典型测点变化过程线如图3所示，由图3可知，对各断面进行分析，受1-1断面处浇筑二衬混凝土影响，测点M02XHDA锚头(深度1 m)位移于2016年8月21日左右压缩了0.9 mm，目前基本稳定。3-3断面浅层围岩变形较大，深度越深围岩变形越小，符合一般规律，但相较其它断面围岩变形，3-3断面围岩变形整体略大，推断与该段面位置受较高承压水影响所致。4-4断面测点受灌浆平洞爆破施工影响，自2018年10月后该断面多点位移计不同深度锚头变形均有影响，其中测点M11XHD(洞身顶拱)7 m处锚头一直呈压缩态势，洞身左右边墙呈受拉变形状态。

图3 多点位移计典型测点变化过程线

目前，围岩变形总体呈稳定态势，各断面顶拱围岩变形最大，其次为两侧边墙，符合围岩应力二次重分布的一般规律，典型断面围岩变形分布如图4所示。

图4 泄洪洞3-3断面围岩变形分布(单位：mm)

4.2 锚杆应力测值分析

为监测泄洪洞围岩应力，在5个监测断面的顶拱、左右边墙部位各布置1支锚杆应力计，仪器编号依此为R01XHD～R15XHD。锚杆应力计的测值变化过程线见图5。由图5可知，受施工影响，各别测点在二次衬砌时有小幅突变，但变幅很小。锚杆应力整体不大，与温度呈负相关性，2019年9月30日初期下闸蓄水后锚杆应力变化较小，可以推测目前泄水隧洞围岩变形正常，锚杆以温度应力为主。

图5 锚杆应力计测值变化过程线

锚杆应力计测值特征值统计见图6。由图6可知，当前锚杆应力为-4.84～11.42 MPa，最大拉应力位于4-4断面测点R10XHD，最大压应力位于5-5断面测点R15XHD。其中，纯受拉锚杆有12支，占总数的80%；纯受压锚杆有3支，占总数的20%。锚杆应力变幅较小，在0.61～13.10 MPa之间，据此推断锚杆所处部位的岩体完整，或者锚杆与岩体接触良好，不存在结构面、裂隙等不稳定结构。

图6 锚杆应力计测值特征值统计

4.3 缝开合度分析

为监测砌体与围岩的结合情况，在5个监测断面的左侧墙和顶拱处分别布置1支测缝计，测缝计编号依次为J01XHD～J10XHD。典型接缝计位移变化过程如图7所示。由图7可知，受灌浆施工影响，部分测点二衬及回填灌浆期间有小幅波动现象，但之后均回到原来的测值。目前泄洪洞各断面接缝位移基本稳定，变化速率为0.01 mm/d，接缝位移与温度呈一定的负相关性符合一般规律。2019年初期蓄水后缝开合度无明显变化。

图7 泄洪洞洞身围岩与二次衬砌混凝土典型接缝位移过程线

泄洪洞洞身围岩与衬砌接缝位移特征值统计见图8。由图8可知，接缝变幅为0.19～2.27 mm，位移量较小。目前接缝位移为-0.08～1.89 mm，8支测缝计接缝呈张开状态，位移1 mm以上测点有2支，位移0.5～1 mm测点有3支，其余均在0.5 mm以内。从量值上看，开合度最大的测点均在3-3断面侧墙，与其他监测项目综合分析，该部位渗压及变形测值均高于其他断面，主要是由于隧洞通过围岩破碎带，受山体承压水影响所致。其他部位接缝开合度变化都较小，处于正常工作状态。

图8 隧洞衬砌接缝特征值统计

4.4 渗透压力分析

为监测泄洪洞围岩渗流情况，泄洪洞在1-1断面、3-3断面的左右侧墙处各布设1支渗压计。其中，P01XHD～P02XHD布置在1-1断面，P03XHD～P04XHD布置在3-3断面。泄洪洞水位-库水位过程线关系见图9。由图9a可知，泄洪洞1-1断面(灌浆帷幕前)的2支渗压计测值与库水相关性较好，库水位升高，洞身围岩渗压增大，变化规律符合泄水隧洞渗流特点。由图9b可知，3-3断面围岩渗压自二衬后水位均较高，远高于上下游水位，应与该监测断面位于围岩破碎带，洞身周边围岩破碎，主要受山体承压水影响所致。2019年7月26日对右岸灌浆平洞帷幕灌浆钻孔进一步验证该段承压水渗压较大，同时该帷幕灌浆孔对围岩渗压起到了泄压作用，围岩渗压有所下降。当前1-1断面(帷幕前)测值折算水位分别为4 275.06 m和4 272.52 m，3-3断面(帷幕后)渗压计当前测值折算水位分别为4 311.39 m和4 312.01 m。监测结果基本合理，监测断面基本稳定，但鉴于右岸山体地下水位高对泄洪发电隧洞洞身结构及岸坡稳定不利，应加强监测并及时分析。

图9 监测断面测压管折算水位-库水位过程线

5 泄洪洞监控指标拟定

为了有效保障水工建筑物的安全运行，常根据水工建筑物的工作机制，结合实测资料，选择对工程安全较不利的项目和测点拟定安全监控指标[5]。由于3-3断面渗压水位受右岸山体地下水影响一直偏高，对泄洪洞洞身的稳定不利，故采用最大熵理论[6-8]为3-3断面渗压计拟定监控指标，以便针对性关注并及时发现运行过程中的异常情况。

5.1 基本原理

最大熵理论无需提前假定监测效应量的分布概型，只要根据较少的监测效应量统计信息得到的数字特征值进行估计，就能获得精度较高的概率密度函数，适合安全监控指标的拟定。简要阐述泄水隧洞监测效应量监测指标具体确定方法。

将监测效应量ξ的信息熵定义为

(1)

式中，f(ξ)为ξ的分布密度函数。

根据最大熵原理可知，最合理的概率密度分布是在满足根据已知样本信息推导得出的一些约束条件下使熵H(ξ)达到最大值的分布，即

(2)

约束条件为

(3)

式中，R为积分空间；μi为第i阶原点矩；n为原点矩阶数。

采用伴随算子法进行求解，首先建立相应的拉格朗日方程

(4)

(5)

式中，λi为伴随算子。将效应量样本数据和式(5)带入约束条件式(3)，可求得λi，进而构建最大熵概率密度函数f(ξ)。

令ξm=F-1(ξ，α)为监测效应量的极值，则监测项目可能出现异常的概率为

(6)

式中，Pα为失效概率。将确定的随机变量ξ最大熵密度函数f(ξ)代入式(6)即可确定Pα下相应的监控指标xm。其中，失效概率Pα根据项目重要性确定，一般取1%～5%。

5.2 渗透压力监控指标

考虑泄洪洞运行的实际情况，失事概率选取Pα=0.01。表1统计了泄洪洞建成后3-3断面渗透压力年最大值，并以此作为分析样本。

表1 3-3断面每年渗透压力最大值统计结果 MPa

结合最大熵理论，求出最大熵概率密度函数所需参数见表2。

表2 各阶原点矩和标准差

由表1、2可计算求得3-3断面渗透压力的最大熵概率密度函数并代入式(6)即可确定3-3断面渗透压力安全监控指标。根据上述计算过程得到的渗透压力P的监测指标Pmax分别为0.807和0.868，若测点渗压值PPmax，但无增大趋势，应加强监测，查找原因；若测值同时有增大趋势，应在分析查找原因的基础上，采取适当措施，以确保泄洪洞的安全。

6 结论与建议

对泄洪洞的监测资料进行了综合分析，并结合地质情况分析了监测成果，可以得出如下结论：

(1)各工程部位的监测结果基本合理，洞身围岩与衬砌混凝土接缝位移、洞身围岩变形量小，洞身围岩应力正常，所处断面处于稳定状态。

(2)3-3断面围岩渗压水位自衬砌施工后渗透压力较其他断面偏大，主要受右岸山体破碎带地下承压水的影响。建议重点关注该断面渗透压力效应量的变化情况，本文基于最大熵理论提出了渗透压力效应量的安全监控指标，以便发现异常时及时上报并分析原因。

(3)右岸山体破碎带较多，地下水位较高，对泄洪洞洞身结构及岸坡稳定不利，建议增设右岸渗压监测仪器，以反映右岸地下水分布情况；同时增设右岸排水、渗流量监测和进水口两侧边坡监测设施。