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混凝土面板堆石坝安全评价及方法探讨.pdf
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1、第 3 6卷第 4期 2 0 1 4年 4月 人民黄河 YELL0W RI VER Vo 1 3 6 No 4 Ap r , 2 01 4 【 水利 水电工程 】 混凝土面板堆石坝安全评价及方法探讨 黎佛林 , 蔡德所 , 李玮岚 , 唐 鑫 , 秦朋 ( 1 三峡大学 水利与环境学院, 湖北 宜昌4 4 3 0 0 2 ; 2 三峡大学 理学院, 湖北 宜昌4 4 3 0 0 2 ) 摘要 : 国内外混凝土 面板堆石坝安全评价 中, 定量并直观地评估监测值 的方 法并不 多。本文通过面板挠度 、 坝体沉 降、 周边缝变形、 大坝渗流及水平位移等重要的面板坝监测项目, 建立监测项 目与各 自主
2、要影响因子间最紧密的回归线, 并 作为大坝安全状态划分的基准线; 计算出各样点与基准线的距离, 从而确定监测项 目的取值范围, 并选定一个正常状态 的参考样点, 利用函数转换统一 了级别的划分标准, 并定量划分为5个级别。在此基础上对各评价指标赋权重值, 并结 合大坝监测的部分数据 , 评价 了水布 垭面板 堆石坝的坝体安全状况 ; 同时利 用其他评价 方法对各 坝体 的评价 结果与该方 法作比较 , 证 实该 方法是 可行 的。 关键词 : 混凝 土面板 堆石 坝 ;大坝安全评 价 ;回归分析 ;数值 转换 ;状 况指 标 中图分 类号 :T V 6 9 8 1 文献标 志码 : A d o
3、 i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 O 0 1 3 7 9 2 0 1 4 0 4 0 3 3 Di s c us s i o n o n t he CFRD Sa f e t y Ev a l u a t i o n M e t ho d L I F 0 一 l i n , C A I D e S U O , L I We i 1 a n , T A N G X i n , Q I N P e n g ( 1 C o l l e g e o f H y d r a u l i c a n d E n v i r o n m e n t a l E n g i n e
4、 e ri n g , T h r e e G o r g e s Un i v e r s i t y , i e h a n g 4 4 3 0 0 2 , C h i n a 2 C o l l e g e o f S c i e n c e, T h r e e G o r g e s U n i v e r s i t y , Yi c h a n g 443 0 0 2, C h i n a ) Ab s t r a c t :F o r t h e s a f e t y e v a l u a t i o n o f t h e s t a t u s q u o o f d
5、o me s t i c a n d f o r e i g n CF DR,q u a n t i t a t i v e a n d v i s u a l l y a s s e s s t h e mo n i t o rin g v a l u e i s n o t t o o mu c h I n t h i s p a p e r ,t h r o u g h c o l l e c t i n g t h e s l a b d e fl e c t i o n , d a m s e t t l e me n t , p e ri p h e r a l j o i n t
6、 s d e f o r ma t i o n ,d a m s e e p a g e a n d h o ri z o n t a l d i s p l a c e me n t o f C F RD i mp o r t a n t m o n i t o ri n g p r o j e c t i n for ma t i o n , i t e s t a b l i s h e d t h e m o s t c l o s e r e g r e s s i o n l i n e b e t w e e n t h e m o n i t o ri n g p r o j
7、e c t s a n d e a c h ma i n a f f e c t i n g f a c t o r a n d u s e d a s d a m s afe t y s t a t u s b a s e l i n e I t c a l c u l a t e d t h e d i s t a n c e t o t h e r e f e r e n c e s a mp l e po i n t a n d t h e r e f e r e n c e l i n e S O a s t o d e t e r - mi n e t h e r a n g e
8、o f v a l u e s o f t h e mo n i t o ri n g i t e ms ,a n d s e l e c t i n g a n o rm a l s t a t e o f t h e r e f e r e n c e s a mp l e s ,u s i n g t h e f u n c t i o n t o c o nv e t h e u n i fi e d l e v - e l d i v i s i o n s t a n d a r d s a n d q u a n t i t a t i v e l y d i v i d e d
9、 i n t o fi v e l e v e l s E mp o we r s t h e we i g h t v a l u e o f e a c h e v alu a t i o n,a n d o n t h i s b a s i s t h e p a r t o f t h e p r o - j e c t t e a m i n S h u i b u y a d a m mo n i t o ri n g d a t a t o e v al u a t e t h e S h u i b u y a C F R D d a m s afe c o n d i t
10、i o n ; w h i l e t a k i n g a d v a n t a g e o f o t h e r e v a l u a t i o n me t h o d s f o r e a c h d a m t h e e v a l u a t i o n r e s u l t s o f t h e c o mp a r i s o n,i t c o n fir me d t h a t t h e me t h o d w a s f e a s ib l e Ke y wo r ds :CFRD;d a m s a f e t y e v a l u a t
11、i o n;r e g r e s s i o n a n aly s i s ;n u me ric c o n v e rsi o n ;S t a t u s I n d i c a t o r s ;d i s c u s s wi t h t h e e x p e r i me n t al 混凝土面板堆石坝筑坝技术正日臻完善。在我国, 面板堆 石坝已经历了3 0多年的发展, 期间有大量的面板堆石坝建成 及运营。但是随着坝龄的增长, 相当一部分大坝存在着某些不 安全因素, 如西北 口水电站、 巴拉格兰德水电站曾发生渗流事 故。因此, 利用原型观测资料, 科学分析堆石坝监测项 目测值
12、 的变化, 对大坝安全状态做出合理评价, 是一项非常重要的工 作。数学家们提出一系列的安全评价方法, 如确定性模型和7 昆 合模型、 反分析理论、 模糊理论 、 突变理论、 灰色理论模型 j 等, 可将其应用在大坝安全评价中。然而评价方法的各异也反 映出专家们对坝体变形分析方法持有不同见解。 由于灰色理论等方法应用不便, 因此对大坝的安全评价大 多是根据原型观测资料来分析各评价指标随时间的变化规律 及是否存在突变情况, 或与其他坝体的同期原型观测资料相对 比来评价大坝安全状况。但是, 当前国内还未形成坝体变形的 安全标准。本文的研究目的就是提出一个简便、 定量的大坝评 】 04 价方法, 探讨
13、其可行性, 并将其应用于实际工程的大坝安全评 价 中。 1 评价方法 根据以往的研究证实, 面板堆石坝坝体沉降、 面板挠度、 周 边缝变形、 大坝渗流和坝体水平位移对大坝安全影响很大, 因 此本文选取这些影响因子作为大坝安全指标的分指标。各指 标共划分为 5个级别, 由低到高依次为恶性异常、 轻度异常、 正 常、 较好和好。对于每一座大坝来说, 首先分析分指标项的历 史原型观测资料 , 若 日 月的变化量超过历史最高水平, 则把它 收稿日期 : 2 0 1 3 一 o 3 1 9 作者简 介: 黎佛林( 1 9 8 7 一 ) , 男, 江西赣 州人 , 硕 士研 究 生, 研 究方 向为大坝
14、安 全监 测 。 E - ma i l : 7 7 9 5 1 8 1 5 8 q q c o m 人 民 黄 河2 0 1 4年第 4期 划分为最低级别恶性异常, 不再考虑其他分指标; 若未达 到这种程度则按下述步骤进行。 、 ( 1 ) 收集国内外已建高面板堆石坝的变形和渗流资料, 构 建分指标与主要影响因子间的回归关系, 其方法见图 1 , 其中样 点 1 、 2 、 3的大坝状态依次为轻度异常、 正常、 较好。回归模型 曲线的选取综合考虑了相关系数 R 和预测均方根误差 砌 S E P, 选取模型的依据为R 值较大、 R MS E P值较小。 蠼 絮 主要影响因子值 图 1 回归关 系
15、法划分大坝运行状态分级方法 ( 2 ) 选定回归曲线类型后, 计算出样本与回归线的垂直距 离, 得到该距离的范围。其中每个分指标选定一个参考点为正 常状态, 再依据此点与回归线的距离确定实取范围一a , b ; 最 后利用恰当函数统一转换到 0 , 5 的取值范围, 这样便于等级 的统一划分, 即转换函数计算值( 0 , 1 ) 表示坝体变形恶性异常, 1 , 2 ) 表示坝体变形轻度异常, 以此类推。 ( 3 ) 计算分指标的权重。何金平 指出权重问题是大坝实 测性态综合评价中的一个需要重点研究的问题, 本次评价综合 考虑超权重 矩 阵与指标权重 I v矩阵得到 的综合权重矩阵 。其中: 实
16、测性态指标矩阵 X= 大坝沉降, 面板挠度, 周 边缝变形 , 渗流, 水平位移r; 性态分级矩阵 L= 恶性异常, 轻 度异常, 正常, 较好 , 好r; 五项实测安全指标 的五级标准矩阵 ; 将矩阵 x和 变换为对应的相对隶度矩阵 M = m m : m , m。 m。 ; 借助过度矩阵 日, 将其归一化并转置后得到综合权 重矩阵 W 。其他矩阵表示如下: I t = S = l 1 0 0 2 2 0 0 0 0 O O 0 0 0 0 0 0 3 3 0 0 9 “0 0 0 5 5 2 分指标计算结果与分析 ml 1 m2 l m3 1 m4 1 m5 l ( 2 ) ( 3 ) 在
17、面板堆石坝的资料收集过程中, 面板挠度和坝体水平位 移资料较少, 而且有的文献写得模糊, 但可以大概推断。同时 因参考资料中大坝监测特性值的时问梯度不一致 , 这里所用大 部分数据为文章发表时对应 的时间, 对与水布垭工程同时期 ( 2 0 0 4 -2 0 0 9年) 的面板堆石坝采用最新发表的数据( 资料允 许) , 这样对安全评价相对更可靠。 2 1 坝体沉降分指标 坝体沉降分为施工期沉降和运行期沉降。大量的研究成 果表明, 施工期沉降量 占总沉降量的 8 0 一9 0 , 水布垭大坝 近几年的沉降量逐渐减小, 符合一般规律。由数理统计软件 S P S S 1 8 0分析坝高与沉降关系曲
18、线( 直线 、 对数 ( L o g i s ti c ) 、 幂 ( S ) 、 多项式和指数 ) , 可知直线和二项式回归关系比较紧密 , 部分回归关系见图2 。在两者的均方根误差 R MS E P很接近的 情况下, 选择关系更紧密的二项式回归曲线作为大坝沉降差异 划分的基准线( 见图3 ) , 各分指标与对应主要影响因子间的关 系见表 1 。由图 3可知, 水布垭大坝处于曲线右下侧 , 可反映出 大坝压实效果相对较好 , 同时结合大坝的月沉降变化量说明大 坝沉降是安全的。按基准线评价情况( 见表 2 ) , 其 中每个分指 标选定一个参考点为正常状态, 再依据点与回归线的距离确定 实取范
19、围。最后得到水布垭分指标值为 3 3 5 , 沉降安全性态 较好 。 皇 世 蛙 + g 例 世 ; s 尉 坝高 m 图 2 坝高与沉降的回归关系 坝高 m 图 3坝高与沉降的二项式回归关 系 表 1 各分指标与对应主要影响因子间的关系 分指标相关类型 表达式 R R M S E P 沉降 二项式 Y = 2 1 0 一 + 0 0 1 x 一 0 4 4 9 2 0 4 1 2 4 0 7 6 1 0 m 挠度 二项式Y= 91 0一 0 0 O 0 2 5 x + 0 3 4 6 6 0 5 4 9 5 0 1 5 6 2m 渗流 二项式 Y = 3 1 9 5 e 。 ” 0 2 1
20、0 9 2 9 9 6 2 L s 水平位移 直线 Y = 0 0 0 3 3 x一 0 1 5 4 7 0 445 8 0 2 1 1 3 m 注 : 为各分指标 对应的因子的取值 , Y为分指标的值。 2 2 坝体面板挠度分指标 面板挠度变化一般按是否考虑坝体沉降分为两类: 一是考 虑坝体沉降的绝对挠度 , 二是不考虑坝体沉降的相对挠度。在 这里因每个大坝的沉降量不一 , 故采用相对挠度作比较。 面板挠度与面板长度之间的各类回归关系通过比较选用 二项回归曲线作为大坝面板挠度差异划分的基准线。以成屏 一 级 大坝 为 正 常状 态 的参 考 点, 再 根据 距 离 确定 实 取 一 0 5
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