HD水电站坝基扬压力分析及监控指标拟定.pdf

云南水力发电YUNNAN WATER POWER94第 40卷第 2期0 引言HD 水电站位于云南省兰坪县境内，为一等大（1）型工程。水库正常蓄水位为 1 619 m，校核洪水位为 1 622.73 m，具有季调节性能。枢纽建筑物主要由大坝、泄洪建筑物、引水发电系统、下游防冲及其他次要建筑物等组成。挡水坝为碾压混凝土重力坝，最大坝高203 m，共分 20 个坝段，从右岸到左岸分别为 1号 7 号非溢流坝段，8 号 11 号泄洪表孔及放空底孔坝段，12 号 15 号非溢流坝段，16 号 19号进水口坝段和 20 号左岸非溢流坝段。大坝防渗系统包括上游帷幕和下游帷幕，坝基排水系统包括上游帷幕廊道的主排水幕、第一、第二纵向排水廊道的副排水幕及下游帷幕廊道内的副排水幕。坝基扬压力监控布置采取纵向和横向监测断面相结合的布置形式。在上游帷幕灌浆廊道、第一纵向排水廊道、第二纵向排水廊道和下游帷幕灌浆廊道的各坝段分别布置测压管，形成 4 个纵HD 水电站坝基扬压力分析及监控指标拟定丁倩，字林，李剑寒，李浪，郑祥旺（华能澜沧江水电股份有限公司，云南 昆明 650206）摘要：针对 HD 水电站坝基扬压力监测资料，采用定性和定量相结合的方法对扬压力进行深入分析，并根据置信区间法和典型小概率法拟定了监控指标。结果表明，各测点实测扬压力水位极值与年变幅相对稳定，扬压力水位均在设计范围内，帷幕防渗效果较好；坝基扬压力逐步回归统计模型精度较高，坝基扬压力受上游水位分量、下游水位分量和时效分量影响较大，受温度分量和降雨分量影响较小；典型小概率法拟定的监控指标略大于置信区间法和历史最大值。关键词：坝基扬压力；置信区间法；典型小概率法；监控指标中图分类号：TV698.1文献标识码：A文章编号：1006-3951(2024)02-0094-07DOI：10.3969/j.issn.1006-3951.2024.02.023Formulation of Monitoring Indicators and Analysis of Uplift Pressure on the Dam Foundation of HD Hydropower StationDING Qian,ZI Lin,LI Jianhan,LI Lang,ZHENG Xiangwang(Huaneng Lancang River Hydropower Inc.,Kunming 650206,China)Abstract:Based on the monitoring data of uplift pressure on the dam foundation of HD hydropower station,this article adopts a combination of qualitative and quantitative methods to conduct in-depth analysis of uplift pressure,and formulates monitoring indicators based on confidence interval approach and typical small probability method.The results show that the measured extreme values and annual variation amplitude of the uplift pressure water level at each measuring point are relatively stable,and the uplift pressure water level is within the design range.The curtain anti-seepage effect is good.The stepwise regression statistical model for the uplift pressure of the dam foundation has high accuracy.The uplift pressure of the dam foundation is greatly affected by the upstream water level component,downstream water level component,and time effect component,while it is less affected by the temperature component and rainfall component.The monitoring indicators formulated by the typical small probability method are slightly larger than the confidence interval method and historical maximum values.Keywords:foundation seepage uplift;confidence interval approach;typical small probability method;monitoring indicator收稿日期：2023-01-22作者简介：丁倩（1997-），女，河南信阳人，技术员，主要从事大坝安全监测、水工建筑物运行维护工作。*丁倩，字林，李剑寒，李浪，郑祥旺 HD水电站坝基扬压力分析及监控指标拟定95向监测断面；在 8 号、11 号、12 号、13 号坝段的基础横向廊道分别布置测压管，2 号、4 号、6 号、8 号、11 号、14 号、17 号及 19 号坝段沿建基面在帷幕前后分别布置渗压计，形成 2 个横向监测断面。根据 DL/T 5178-2018混凝土坝安全监测技术规范 1，扬压力是重力坝的重点监测项目，因此有必要对扬压力监测资料进行深入分析。参考字林等2的研究，HD 电站左岸和右岸挡水坝段坝基扬压力较小，溢流坝段坝基扬压力较大，为此选取 11 号溢流坝段横向监测断面的渗压计监测资料进行扬压力的定性分析，同时建立逐步回归统计模型，并拟定 11 号坝段的坝基扬压力监控指标，为大坝安全运行提供参考。1 数据与方法安全监控指标是评估和监测大坝安全的重要指标3。监控指标拟定就是根据地基和大坝已经抵御经历荷载的能力，来评估和预测抵御可能发生荷载的能力，进而确定相应荷载组合下监控效应量的警戒值和极值。拟定大坝安全监控指标的经典方法有置信区间法、典型小概率法、极限状态法和结构分析法，在此采用典型小概率法和置信区间法拟定坝基扬压力监控指标。1.1 典型小概率法基本原理根据大坝原型观测资料，选取不利荷载组合时的监测效应量Emi，设定的某时段内有一组子样，由监测系列获得样本数为 n 的子空间4。E=Em1,Em2,Emn （1）估计样本的均值 和标准差，并用小子样统计检验方法（如 A-D 法、K-S 法）对其进行分布检验，确定其概率密度f（x）的分布函数F（x）（如正态分布和极值型分布等）。若样本为正态分布，则分布函数的具体形式见公式（2），相应的密度函数分布如图 1 所示。（2）令 Em为由监测效应量样本拟定的大坝安全监控指标。当 E Em时大坝将会出现危险或异常，则P（E Em）=P=+Emf（E）dE （3）样本分布确定后，基于工程经验或工程级别选取合适的失事概率，即可由样本分布函数直接求出 Em。1.2 置信区间法基本原理置信区间法的基本原理是统计理论的小概率事件，取显著性水平（一般为 1%5%），则P=是小概率事件，即在统计学中不可能发生的事件，如果发生小概率事件，则认为是异常的5。置信区间法拟定监控指标的思路是根据大坝历史观测资料，用统计学方法或有限元计算，建立荷载与监测效应量的数学模型（如统计模型、确定性模型和混合模型等）。计算这些模型在荷载作用下实测值与监测效应量的差值（E-），该差值落在置信带（=i，为置信带半带宽，为监测效应量标准差）范围内的概率是 1-，且测值过程无明显趋势性变化，认为大坝运行正常，否则为异常。综上，监测效应量的监控指标 Em表示为6：（4）1.3 坝基扬压力统计模型建立由 2.2 节可知，根据置信区间法拟定监控指标需要建立荷载与监测效应量的数学模型，在此采用统计模型。工程经验表明，坝基扬压力主要受上游水位、下游水位、降雨影响，此外，温度变化引起的基岩节理裂隙变化，也会影响扬压力的大小。由于坝前淤积、防渗帷幕防渗效应随时间缓慢变化等因素也会影响坝基渗流状况，还需考虑时效的影响7。因此，坝基扬压力水位 Y 由上游水位分量 Yu、下游水位分量 Yd、降雨分量 Yp、温度分量 YT和时效分量 Y等组成，由此建立坝基扬压力统计模型如下。Y=Yu+Yd+Yp+YT+Y?图 1 样本空间的概率密度分布图96云南水力发电2024 年第 2 期 （5）式中：a0常数项；ai,a5,bi,c1 c4,d1 d3均为回归系数；Hui,Pi观测日前 1 d、前 2 d、前 5 d、前10 d 的平均上游水位和平均降雨量；Hd观测日当天的下游水位；Hui,Pi0建模起始日前 1 d、前2 d、前5 d、前10 d的平均上游水位和平均降雨量；Hd0建模起始日的下游水位；t观测日至始测日的累计天数；t0建模起始日至始测日的累计天数；观测日至始测日的累计天数除以 100；0建模起始日至始测日的累计天数除以 100。2 结果与分析2.1 坝基扬压力监测资料定性分析2.1.1 变化规律分析11 号坝段沿建基面顺河向布置了 5 个扬压力测点，分布在坝踵帷幕前、上游灌浆廊道主排水幕、第 1 纵向廊道副排水幕、第 2 纵向廊道副排水幕和下游灌浆廊道副排水幕。坝基渗水汇到集水井，经抽排系统排至下游。11 号坝段横向坝基扬压力测点布置如图 2 所示，5 支渗压计均正常工作，仪器埋设高程均为 1 422 m。11 号坝段坝基扬压力水位与上游水位、下游水位、降雨的相关过程线如图 3 所示。说明上游帷幕的防渗效果较好。A11-P-03 测点和 A11-P-04 测点扬压力水位均稳定在较低的水平，且明显低于位于下游帷幕后的 A11-P-05 测点扬压力水位，说明下游帷幕的防渗效果较好。A11-P-05 测点与下游水位有较强的正相关性，受降雨影响较大，且降雨影响有滞后性。各测点扬压力水位均趋于稳定，没有明显的变化趋势，且11 号坝段横向坝基扬压力分布情况符合坝基扬压力变化的一般规律，说明坝基渗流状况良好，比较安全。图 2 11 号坝段横向坝基扬压力测点布置图由图 2 和图 3 可知，A11-P-01 测点位于上游帷幕前，与上游水位有较强的正相关性，且受降雨影响较大，降雨对 A11-P-01 测点扬压力水位的影响有一定滞后性。A11-P-02 测点位于上游帷幕后，其扬压力水位较上游库水位有很大衰减，（a）11 号坝段坝基扬压力水位与库水位（b）A11-P-05 扬压力水位与下游水位（c）A11-P-01 扬压力水位与降雨量（d）A11-P-05 扬压力水位与降雨量图 3 11 号坝段坝基扬压力水位过程线图丁倩，字林，李剑寒，李浪，郑祥旺 HD水电站坝基扬压力分析及监控指标拟定972.1.2 特征值分析为方便特征值分析，以下采用扬压力水头（扬压力水位仪器埋设高程）系列数据。11 号坝段横向坝基扬压力年变幅、最大值和最小值统计结果见表 1，特征值历年变化如图 4 所示。表 1 坝基扬压力特征值表m特征值年份A11-P-01A11-P-02A11-P-03A11-P-04A11-P-05最大值2019147.6527.896.161.2130.732020154.6244.667.261.0630.232021154.4247.937.350.9830.312022153.9448.927.510.9230.66最小值2019119.6622.575.340.9228.282020135.9826.055.870.8627.632021127.7341.046.830.7728.792022127.9442.437.050.7928.95年变幅201927.985.320.820.292.45202018.6418.621.390.202.61202126.686.890.520.211.53202226.006.490.470.131.71由表 1 可知，11 号坝段各测点横向坝基扬压力水头最大值为 154.62 m，发生在上游帷幕前的A11-P-01 测点；最小值为 0.77 m，发生在下游帷幕前的 A11-P-04 测点；最大年变幅为 27.98 m，发生在上游帷幕前的 A11-P-01 测点；最小年变幅为 0.13 m，发生在下游帷幕前的 A11-P-04 测点。由图 4 可知，11 号坝段 A11-P-01 测点（上游帷幕前）和 A11-P-02 测点（上游帷幕后）的极值与年变幅在 2019 年2020 年有一定波动，近2 a 变化已趋于平缓；其余测点的极值与年变幅近4 a 相对稳定，没有明显变化。2.1.3 扬压力分布分析为分析坝基扬压力是否满足规范要求，选取历史最高库水位、当前库水位 2 种工况计算坝基扬压力折减系数，计算示意图如图 5 所示。计算方法采用 DL/T 5209-2020混凝土坝安全监测资（a）A11-P-01 测点（b）A11-P-02 测点（c）A11-P-03 测点（d）A11-P-04 测点（e）A11-P-05 测点图 4 坝基扬压力测点历年特征值图98云南水力发电2024 年第 2 期料整编规程8中扬压力折减系数计算公式：1i=（H1i-H4）/（H1-H4）（6）2i=（H2i-H4）/（H2-H4）（7）式中：1i主排水孔处扬压力折减系数；H1i主排水孔处测点实测水位；H4建基面高程；H1上游水位；2i残余扬压力强度系数；H2i副排水孔处测点实测水位；H2下游水位。工况 1：2018 年 12 月 11 日，历史最高库水位为1 618.94 m，对应下游水位为1 474.8 m。工况2：范围为 0.02 0.25，A11-P-01 测点工况 2 的折减系数略大于规范值 0.20，但满足电站设计要求0.2 0.3。为了直观分析扬压力分布状态并利于数据比对，选取工况 1 和工况 2 的扬压力测值，以及扬压力设计警戒值绘制成坝基扬压力折算水位分布图如图 6 所示。其中，扬压力水位设计警戒值采用历史最高库水位 1 618.94 m、对应日期下游水位1 474.8 m 和设计坝基扬压力折减系数 0.30（主排水孔处）和 0.50（副排水孔处）计算。由图 6 可知，11 号坝段各测点扬压力水位均在设计范围内，说明帷幕防渗效果较好。2.2 坝基扬压力统计模型计算结果及分析根据公式（5），选取完整、连续的监测资料图 5 坝基扬压力折减系数计算示意图图 6 坝基扬压力折算水位分布图2022 年 11 月 30 日，当前库水位为 1 613.65 m，对应下游水位为 1 475.35 m。坝踵帷幕后及坝址帷幕前渗压计坝基扬压力折减系数计算结果见表 2。表 2 坝基扬压力折减系数计算值表测点编号A11-P-02A11-P-03A11-P-04工况 1扬压力测值/m1 446.691 427.821 423.18折减系数0.130.110.02工况 2扬压力测值/m1 469.971 429.471 422.86折减系数0.250.140.02根据SL 319-2005混凝土重力坝设计规范9，当坝基设置防渗帷幕及主、副排水孔并抽排时，主排水孔的扬压力折减系数 1建议采用 0.20，残余扬压力折减系数建议采用 0.50。根据电站设计资料，河床坝段主排水孔幕的扬压力折减系数为0.2 0.3。由表 2 可知，各扬压力测点折减系数序列，用逐步回归方法建立 11 号坝段坝基扬压力统计模型。其中，A11-P-01 A11-P-04 测点建模时间为 2017/11/26 2022/11/30，A11-P-05 测点建模时间为 2019/3/27 2022/11/30。各测点统计模型回归结果见表 3，表中“”表示选中该项回归因子，“”表示未选中该项回归因子，R 和RMSE 分别指复相关系数和均方根误差，用于评价模型精度，为标准差。为定量分析和评价水位、温度、降雨、时效等分量对坝基扬压力水位的影响，从统计模型中分离出各分量，以 2021 年为例，计算出坝基扬压力水位各分量变幅，见表 4，其中占比=分量变幅/总变幅，变幅单位为米。由表 3 可知，各测点坝基扬压力统计模型复相关系数在 0.81 1 之间，均方根误差在 0.06 3之间，模型精度较高。A11-P-01 测点未选中下游水位分量，A11-P-02 测点未选中上游水位分量和降雨分量，其余测点均选中全部回归因子，说明丁倩，字林，李剑寒，李浪，郑祥旺 HD水电站坝基扬压力分析及监控指标拟定99模型所选各分量对坝基扬压力水位都有影响。由表 4 可知，坝基扬压力受上游水位分量、下游水位分量和时效分量影响较大，受温度分量和降雨分量影响较小。一般来说，低温时坝基扬压力测值增大；高温时坝基扬压力测值减小。可能因为 HD 电站基岩裂隙发育较好，渗流通道受到抑制，故温度分量对坝基扬压力的影响较小。2.3 坝基扬压力监控指标拟定2.3.1 置信区间法拟定的监控指标采用 3.2 节建立的坝基扬压力逐步回归统计模型，监测效应量标准差 见表 1。取显著性水平=1%，则 i 2，扬压力各测点的置信区间带为2.281、5.996、0.414、0.129、0.749。以A11-P-04测点为例，其置信区间带如图7所示。2.3.2 典型小概率法拟定的监控指标从坝基扬压力监测数据系列中，选择不利荷载工况对应日期的扬压力测值组成小子样样本空间，为此选择每季度最大测值作为子样本，由 K-S法检验，扬压力测点每季度的最大值近似服从正态分布。选定失事概率=1%，则典型小概率法拟定的监控指标见表 5。表 3 坝基扬压力统计模型回归结果表回归结果A11-P-01A11-P-02A11-P-03A11-P-04A11-P-05上游水位分量下游水位分量温度分量降雨分量时效分量R10.950.980.930.811.1402.9980.2070.0650.375RMSE1.1430.210.060.37表 4 坝基扬压力统计模型各分量贡献值表分量上游水位 下游水位温度降雨时效A11-P-01变幅9.25000.010.86占比/%91.4000.18.5A11-P-02变幅02.920.0105.58占比/%034.30.1065.6A11-P-03变幅0.140.11000.38占比/%22.416.80.20.360.3A11-P-04变幅0.030.05000.04占比/%29.438.40.60.531.2A11-P-05变幅0.190.2100.010.50占比/%21.222.90.10.954.9图 7 A11-P-04 测点置信区间带图表 5 典型小概率法拟定的坝基扬压力监控指标表kPa测点编号均值标准差 监控指标 EmA11-P-011 476.0847.951 587.62A11-P-02394.1588.93601.03A11-P-0367.605.6880.81A11-P-049.630.9211.77A11-P-05295.585.09307.432.3.3 监控指标对比与讨论统计各测点实测数据历史最大值，与置信区间法和典型小概率法拟定的监控指标进行对比，如图 8 所示。其中，置信区间法取置信区间带上限的最大值。图 8 不同方法拟定的监控指标对比图由图 8 可知，典型小概率法拟定的监控指标略大于置信区间法和历史最大值。置信区间拟定的监控指标比较保守，其最大值基本和历史最大值重合。置信区间法简单易行，其构建的置信区间带可以实时动态反映渗流情况，但依赖于构建数学模型的精度，也没有联系大坝失事的原因和机理，物理概念不明确。典型小概率法定性联系了对强度和稳定不利的荷载组合所产生的效应量，比置信区间法提高了一步，在样本数据分布近似正态分布时，具有较好的适用性。2 种方法拟定的监控指标可以互为补充，取较大的监控指标以供运行参考。100云南水力发电2024 年第 2 期当有长期观测资料，并真正遭遇较不利荷载组合时，置信区间法和典型小概率法估计的监控指标才接近极值，否则只能是现行荷载条件下的极值。因此，监测资料经过一段时间的补充更新后，应当及时更新监控指标。3 结束语1）由坝基扬压力监测资料定性分析可知，各测点实测扬压力水位均趋于稳定，极值与年变幅也相对稳定，无明显变化趋势；各测点扬压力水位均在设计范围内，帷幕防渗效果较好。2）坝基扬压力统计模型计算结果表明，模型复相关系数范围为 0.81 1，模型精度较高，且坝基扬压力受上游水位分量、下游水位分量和时效分量影响较大，受温度分量和降雨分量影响较小。3）监控指标拟定结果表明，典型小概率法拟定的监控指标略大于置信区间法和历史最大值。置信区间拟定的监控指标比较保守，其最大值基本和历史最大值重合。参考文献：1DL/T 5178-2016 混凝土坝安全监测技术规范S.2字林，洪建辉，李浪.黄登水电站坝基渗流特性研究及实践J.云南水力发电，2021,37（11）:74-80.3丁倩，黄耀英，费大伟，等.复合土工膜防渗土石坝测压管水位二级监控指标拟定 J.水电能源科学，2022,40（11）:94-97+102.4方晗，陶兴阳.GGQ 水电站重力坝坝基扬压力监测成果分析J.陕西水利，2019,（1）:20-22.5 徐颖，傅志敏.复合土工膜防渗土石坝渗流安全监控指标拟定 J.水电能源科学，2021,39（1）:83-86.6 张礼兵，张帅，许后磊.景洪大坝安全监控指标综合拟定与应用 J.水力发电，2018,44（6）:103-106.7吴中如.水工建筑物安全监控理论及其应用M.北京:高等教育出版社，2003.8DL/T 5209-2020 混凝土坝安全监测资料整编规程S.9SL 319-2018 混凝土重力坝设计规范S.5 应用效果分析根据无人机 D2000 搭载 LIDAR 模块进行测图作业进展情况，枢纽区原始地形测量 2 d 完成了外业数据采集工作。根据无人机 D2000 搭载 LIDAR 模块进行测图轨迹解算结果得知，POS 数据结算精度满足要求。根据无人机 D2000 搭载 LIDAR 模块进行测图质量检查及精度检查结果分析，利用无人机 D2000搭载 LiDAR 扫描的地形图满足规范要求。在藏区高海拔、高边坡地区应用无人机 D2000搭载 LIDAR 模块进行大比例尺测图技术，缩短了图 3 目标效果验证柱状图d?测图时间，提高了工作效率，减少了人力、物力投入，避免了测量人员人身安全事故的发生。6 结束语采用无人机测图技术，缩短了测图时间；采用 GNSS 静态测量，不受距离制约；采用无人机测图配套软件生产的 DEM 模型，根据纹理绘制的地形图，能真实反映地形地貌情况且精度优于规范要求。此次地形测绘工作不仅大大缩短了地形测量时间，而且对西藏高海拔地区大比例尺测图工作也起到了积极的推动作用和参考价值。参考文献：1李涛，常江，胡东升.激光雷达技术和摄影测量方法在无人机数字测图中的精度对比分析J.山西煤炭，2022,42（2）:80-86.2郭东升.无人机在大比例尺地形图测绘中的应用研究J.测绘与空间地理信息，2022,45（S1）:215-217.3何亚锐，陈晓勇.无人机航摄技术在复杂山区大比例尺测图中的应用J.测绘与空间地理信息，2022,45（9）:232-234.4 窦叶贇.基于无人机航摄影像的大比例尺测图及三维建模研究 J.价值工程，2022,41（29）:121-123.5罗智伟，辛咏诗.基于倾斜摄影和机载 LiDAR 的大比例尺测图技术研究与应用J.价值工程，2022,41（30）:129-131.6刘沛.无人机倾斜摄影在水利管理和保护划界中的应用J.云南水力发电，2023,39（4）:307-311.（上接第 48 页）