高土石坝心墙施工期沉降变形统计分析模型研究.pdf

第11期2023年11月文章编号：16 7 3-9 0 0 0（2 0 2 3)11-0 0 15-0 3陕西水利Shaanxi WaterResourcesNo.11November,2023高土石坝心墙施工期沉降变形统计分析模型研究唐腾飞，史鹏飞，林金城，龙益彬，别玉静，周朝阳（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州贵阳550 0 8 1）摘要针对传统土石坝心墙沉降变形统计分析模型存在数据拟合、预测精度不高的问题，提出基于位移变化过程的多项式改进统计分析模型，综合考虑沉降变形特性、土体材料流变特性、自重荷载、以及不同时间荷载作用下的不同填筑层厚土体等多种因素。结果表明，改进模型拟合及预测趋势更符合实际、预测情况更好，可为高土石坝心墙沉降监测数据分析提供新的工具。【关键词高土石坝；心墙；施工期沉降变形；统计分析模型【中图分类号TV54；T V 6 41.1文献标识码BResearch on Statistical Analysis Model of Settlement and Deformation Characteristicsof Core Wall of High Earth-rockfill Dam during ConstructionTang Tengfei,Shi Pengfei,Lin Jincheng,Long Yibin,Bie Yujing,Zhou Chaoyang(Guiyang Engineering Corpration Limited,PowerChina,Guiyang 550081,Guizhou)Abstract:In response to the problem of data fitting and low prediction accuracy of statistical analysis model intraditional settlement and deformation characteristics of the core of high earth-rockfll dam,this paper proposes a improvedpolynomial statistical analysis model based on displacement changes of core of high earth-rockfll dam.The displacementchange process of the model comprehensively considers various factors,such as settlement deformation characteristics,rheological properties,self-gravity load,and the different filling layer thickness soil under different time loads.The resultsshows that the trend of the improved model ftting and forecasting are more realistic and precision.It can provide new tools forthe analysis of the monitoring settlement data of core of earth-rockfill dam.Key words:High Earth-rockfill Dam;core Wall;settlement deformation during construction;statistical analysismodel.2沉降变形分析本文在分析高土石坝心墙填筑料施工期沉降变形机理及1前言规律的基础上，充分耦合相关影响因子，对传统施工期沉降高土石坝是西部深山峡谷地带水电工程建设过程的常见变形分析模型进行优化，可有效提升沉降变形预测精度。坝型之一。坝体变形是高土石坝全过程监测实施的重点对象，心墙沉降量是大坝施工期主要的控制性监测项目，是评价大坝安全和填筑质量的关键指标。当前土石坝沉降分析常采用定性和定量分析方法，定性分析时综合分析心墙料特性及施工碾压、进度等因素，旨在掌握心墙沉降发展的演化规律；定量分析需对沉降变形整编资料进行数据规律分析，要建立合理的、符合高土石坝工程特性的沉降监测分析模型，挖掘心墙沉降变形数据中所蕴含的监测信息，进一步反馈优化设计、调控施工进度。监控分析模型是在使模型具有较强拟合解析力的基础上，在一定的外延区间上具有较高的预测精度，并可根据预测成果进行监控指标拟定2,工程实践中最常用的是统计分析模型。2.1沉降机理沉降是指在荷载作用下，沿竖直方向发生的位移。它主要分三个阶段：初始沉降、固结沉降和次固结沉降。初始沉降是大坝及其基础发生的压缩变形，这部分沉降在填筑过程中发生，土石坝在施工期发生的沉降主要部分就是初始沉降。固结沉降是由于土体固结，土颗粒间的空隙水逐渐排出引起的沉降，透水性强的土石坝固结沉降完成较快，初始沉降和固结沉降将难以分开。次固结沉降是土体中颗粒骨架在持续荷载作用下发生的蠕变所引起的，土石坝经过正常蓄水后的沉降主要是次固结沉降。施工期主要发生初始沉降及固结沉收稿日期2 0 2 3-0 1-0 5【作者简介唐腾飞（19 8 7-），男，湖北荆州人，高级工程师，主要从事水利水电工程设计和咨询工作。.15第11期2023 年11 月降围。(1)防渗区高土石坝心墙材料大多采用不透水土料，其沉降主要与填土高度、施工含水量和土料的特性等因素有关。工程实践表明，上述因素引起的沉降一般在填土高度的中央部位的附近最大，底部较小。究其原因，主要与有效应力密切相关，而有效应力又受孔隙水压力的影响。从美国垦务局2 0 多座土石坝的观测成果表明，坝体心墙沉降与荷载重量（填土高度）及含水量有关，同时指出有效应力的对数与压缩率对数大致呈直线关系14-5。(2)透水区透水区是由块石浇筑，在填筑过程中由于岩块接触处破碎或杂物压坏而产生沉降，这种沉降在总沉降中占比较大。一般在接近坝基和上部较小，在1/3 1/2 坝高处最大。在产生沉降的同时，还附带产生水平位移，其规律在上游侧表现为上游侧透水区向上游，下游侧透水区向下游。2.2统计模型改进心墙土体施工期的沉降主要与竖直荷载重量（即上部堆石或土体高度）和含水量有关，即与有效应力有关。关于施工期沉降统计的分析初步给出其施工期沉降统计模型为回：=b o+b l n h(t)式中：为监测点沉降累计值；bo、b 为常数；h(t)为监测点上部填筑高度。结合土石体发生沉降的机理可以看出，上述沉降分析模型未考虑土体材料在自重荷载作用下发生的流变变化、上部分层填筑时不同填筑层厚在不同时间点作用荷载下引起的位移变化，考虑上述几点因素，对单项式统计模型进行改进，改进后的模型表达式为：(t)=ao+a,h(t)+a2(h(t)-h(t-1)/h(t)+b,ln 式中：为监测点沉降累计值；o、i、b t 为常数；t为时间,d;h(t)为监测点上部填筑高度；为填筑完成后起算时间,d。3工程应用3.1工程概况某水利枢纽主坝为高斜心墙堆石坝,坝顶高程为2 8 1.0 0 m。设计水库最高运用水位2 7 5m，水库总库容12 6.5亿m。坝体总填筑量518 4.7 万m，坝基总开挖量7 7 0 万m。拦河大坝为壤土斜心墙堆石坝，心墙防渗料主要由粉质黏土组成，防渗墙顶端设有高塑性土区，坝壳由堆石体构成。设计最大坝高154m，右岸深槽实际施工最大坝高为16 0 m，坝顶长16 6 7.0 m，坝顶宽度15m，坝顶最大宽度8 6 4m，上下游坝坡分别为1:2.6 0和1:1.7 5,河床段坝基处于深厚砂砾石上，覆盖层厚7 0 m80m。该工程于19 9 4年9 月主体工程开工，2 0 0 1年年底枢纽主体工程按计划进度全部完工。根据规范7-8 要求、工程地质条件以及心墙堆石坝结构设计计算分析成果，壤土心墙坝最大坝高处设一个主要监测断面（0+0 38 7.50 处），在左右岸岸坡处各布设1个监测断面。监测项目主要开展了表面变形、内部变形、坝体坝基渗流渗压、坝体土压力等监测。针对心墙的监测，布置土压力计、:16.陕西水利Shaanxi WaterResources竖向测斜仪、大量程位移计和界面变位计、钢弦式沉降仪等监测设备。300280260240220200180160140120100混凝土防渗墙80160L3.2沉降变形规律选取典型监测断面：B（桩号0+38 7.50,河床中间断面）、C（桩号0+2 17.50,靠左岸断面），分别对典型高程点的沉降变形规律进行分析,7#、16#、38#测点分别大致处于心墙结构1/3、1/2 及2/3高程位置，见图2 图3。-7#-16#38#-填筑高程A44-098-8-24 98-12-24 99-4-24 99-8-24 99-12-24 00-4-24 00/8/24图2断面B不同高程点沉降变形监测值7#-16#38#-填筑高程1208889898-8-10 98-12-10 99-4-10 99-8-10 99-12-10 00-4-100/8/10图3断面C不同高程点沉降变形监测值分析图2 图3可知：1）心墙填筑过程中，各典型高程处的沉降变形值随着上部土体填筑高程的增加而增加，两者之间呈明显的正相关关系；且施工期心墙各沉降变形监测点的变形速率（曲线斜率）基本保持稳定。2）心墙1/2 高程处的沉降比下部1/3、上部2/3高程处的沉降值大，且在心墙填筑时的变形速率明显较其他部位快，与高心墙坝变形数值计算的规律相同。3.3模型应用与分析选取大坝心墙典型测点施工期沉降监测数据（含施工填筑过程信息），作为沉降分析模型的输入数据，见图4。*实测沉降值一填筑高程99-5-2099-8-2899-12-600-3-1500-6-2300-10-1日期d(a）0+6 9 3.7 4剖面1/3坝高处No.11November,2023图例渗压计为防击压杂计缇9测压管1“竖向测斜仪Es堤应变计口W观测井水平向测斜仪地面观测房EL-320.00EL.155.00160140120近似基岩面10080160图1大坝心墙典型监测断面布置27018090日期/d30027024021018015012090日期d310270230190150300280260240220200180第11期2023年11月12099-5-20 99-8-28 99-12-6 00-3-15 00-6-23 00-10-1(b)0+387.50剖面1/2 坝高处*实测沉降值填筑高程o/99-8-2899-12-6（c）0+2 17.50 剖面2/3坝高处图4不同监测断面典型测点施工期沉降曲线采用传统模型及改进模型对各监测点的沉降变形数据进行拟合与预测，对比见图5 图6。*实测值一传统模型拟合值一一改进模型拟合值99-5-30 99-7-9 99-8-18 99-9-27 99-11-6 99-12-16 00-1-25 00-3-5 00-4-14日期d(a）0+6 9 3.7 4剖面1/3坝高处*实测值传统模型拟合值一改进模型拟合值o/299-7-9 99-8-28 99-10-1799-12-6 00-1-25 00-3-5 00-5-4(b）0+38 7.50 剖面1/2 坝高处传统模型位置拟合数据复相最大误差误差率关系数关系数A0.998B0.994C0.981对比分析表1数据及图5 图6 可知：（1）运用传统模型对三个不同剖面不同高程处沉降变形数据分析，模型拟合数据与实测数据的复相关系数分别为0.998、0.9 9 4、0.9 8 1,最大误差分别为1.7 7 cm、2.9 1c m、4.45c m;预测数据与实测数据的复相关系数R为0.9 53、0.9 6 1、0.9 6 4,最大预测误差值为10.6 1cm、9.9 0 c m、9.0 0 c m 预测精度不高，可以基本满足心墙施工期沉降值的预测精度。（2）以0+6 9 3.7 4面1/3坝高处测点19 9 7/7/10 2 0 0 0/3/18资料为典型代表基础数据建立施工的沉降统计分析模型，通过逐步回归计算得到施工期沉降统计模型的表达式为：(t)=3.1111+1.110 8 h(t)-0.6 7 43(h(t)-h (t-1)/h (t)+0.7 9 2 41n 拟合数据与实测数据的复相关系数R=0.9994、0.9 9 7 1、0.9957,最大误差为1.38 cm、1.2 0 c m、1.6 6 c m,典型最大误陕西水利Shaanxi Water Resources*实测沉降值一一填筑高程300280260240220200日期d30028024022000-3-1500-6-2300-10-1日期/d日期d表1施工填筑期沉降推荐模型及改进模型对比分析表预测数据拟合数据复相复相最大误差误差率关系数1.771.38%2.911.53%4.451.36%No.11November,2023*实测值一一传统模型拟合值一改进模型拟合值5040302010099-8-28 99-10-17 99-12-6 00-1-25 00-3-5 00-5-4 00-6-23（c）0+2 17.50 剖面2/3坝高处图5模型拟合情况*实测值一一传统模型拟合值改进模型拟合值11010090807060003-1500-4-1400-5-4.00-6-1300-7-1300-8-12日期/d(a)0+693.74剖面1/3坝高处*实测值一一传统模型拟合值改进模型拟合值110100/209080706000-3-500-4-4(005-4 00-6-3 007-3_008-2 009-1日期/(b）0+38 7.50 剖面1/2 坝高处*实测值一一传统模型拟合值一一改进模型拟合值708840302000-4-29 00-5-14 00-5-29 00-6-13 00-6-28 00-7-13 00-7-28 00-8-12（c）0+2 17.50 剖面2/3坝高处图6 模型预测情况施工填筑期沉降推荐模型及改进模型的对比分析见表1。改进模型复相最大误差误差率关系数0.95310.610.9619.900.9649.00日期日期d11.60%0.99910.38%0.99720.02%0.995差率为：1.38 42/7 2.8 6 1=1.9%5.0%，说明拟合效果较好。（3）应用改进沉降统计模型预测各监测点沉降值，预测数据与实测数据的复相关系数R=0.9714、0.9 8 5、0.9 6 3,最大误差为3.8 2 cm、7.36 c m、1.17 c m，典型最大误差率为：3.8255/97.196=3.9%5.0%，说明采用施工期沉降统计数学模型预测效果较好，完全可满足施工期沉降预测的要求。4结论本文结合高土石坝心墙沉降变形机理对传统的沉降分析统计模型进行改进，考虑土体材料在自重荷载作用下发生的流变变化、上部分层填筑时不同填筑层厚在不同时间点作用荷载下引起的位移变化等因素，提出了改进的心墙沉降变形（下转第2 2 页）.17预测数据最大误差误差率1.381.80%1.202.30%1.665.23%0.9710.9850.9633.827.361.173.21%7.30%2.44%第11期2023 年11 月软件计算工况水位/m安全系数数计算值全系数工况一163.30北京理正工况二164.78工况三165.23工况一163.30MidasGTS工况二164.78工况三165.234结论1)Midas GTS软件在渗流计算中，模拟的浸润线绘制上更优于北京理正软件，下游逸出点也与实际情况更为相符，其渗流量、水力坡降与理正软件相比，渗流量、水力坡降更大，渗流量误差约15%，水力坡降误差约12%。2）在稳定计算最危险的工况三中，北京理正软件为上游坝坡整体的滑动,MidasGTS软件的滑动区域主要为上游坝坡陕西水利Shaanxi WaterResources表4土石坝稳定计算成果水库下游坝坡系最小安上游坝坡2.262.292.232.072.112.05No.11November,2023的中下部及上游坝脚，与实际水库运行中易出现的病险位置相似，更符合实际情况。3）计算出来的稳定系数两者都满足规范最小安全系数要1.681.251.581.251.151.541.251.451.251.15求，但MidasGTS软件计算出来的结果比理正软件小，误差约8%,整体安全系数偏安全。综上所述，MidasGTS软件计算出来的结果与实际情况更相符，可作为评价大坝渗流安全及结构安全等级的依据。1孙钧，江宇，汪波，等.高地应力软岩隧洞挤压型大变形的非线性流变属性及采用让压支护的工程整治研究J.隧道建设（中英文),2 0 2 1,41(10):16 2 7-16 33.2上官宗光，金凯，许闯.AutoBank软件在中小型水库大坝安全评价中的应用J.中国资源综合利用，2 0 2 3,41（0 5）：35-37.3关立军.基于强度折减的土坡稳定分析方法研究D.大连：大连理工大学,2 0 0 3.参考文献（上接第17 页）分析统计模型，并结合工程实例中对监测数据进行拟合及预测分析。通过对传统模型和改进模型的对比分析可知：改进模型相比推荐模型的拟合及预测复相关系数更大，说明拟合及预测趋势更符合实际、最大误差率也小，预测情况更好；同时物理意义更加明确，更加符合土石体材料的变形特征；同时对实际土石坝工程施工期数据进行建模分析对比得到改进模型更加具有工程应用价值，能对心墙沉降变形进行更高精度的预测分析，可为高土石坝心墙沉降监测数据分析提供新的模型工具。1吴高见.高土石坝施工关键技术研究.水利水电施工.2 0 13（0 4）：2刘健，王继敏，张晨.30 0 m级特高土石坝施工期心墙沉降监控模型研究J.水力发电，2 0 2 1,47（0 1）：8 2-8 9.3吴中如.水工建筑物安全监控理论及其应用M.高等教育出版社.2 0 0 3.4赵志仁.大坝安全监测的原理与应用M.天津：天津科学技术出版社.19 9 2:1-2 2,47-8 1.5郦能惠，蔡飞，沈珠江.土石坝原型观测资料分析方法的研究J.水电能源科学.2 0 0 0（0 2。6王亚坤，傅志敏，苏正洋.基于长短期记忆网络的黄河小浪底水库高斜心墙堆石坝沉降预测模型及其预测精度分析J.水电能源科学,2 0 2 2,40(0 2):110-113.参考文献7DL/T5259-2010.土石坝安全监测技术规范S.2011.8SL551-2012.土石坝安全监测技术规范S.2012.（上接第19 页）增设左导墙后，各工况下，进水渠段内水流平顺，流态平稳，控制段内水流平顺。增设左导墙后基本消除了侧收缩的影响。区间的“驼峰”流态得到一定的改善。试验结果表明：校核水位时，实测下泄流量18 0.5m/s小于设计值19 1.8 m/s约5.8 9%，设计水位时，实测下泄流量8 6.5m/s小于设计值89.9m/s约3.7 8%,30 年一遇实测下泄流量7 1.0 m/s小于设计值7 4m/s约4.0 5%，溢洪隧洞过流能力与原设计值接近，相差在3%6%范围。增设1#、2#掺气坎后，各工况下坎后均能形成稳定的掺气空腔，掺气空腔内空气吸人充分，坎后水流平顺。5结论通过对溢洪道（洞)采用理论计算公式、进口段不设导墙、.22.进口段增设导墙模型试验所得到的下泄流量进行对比分析研究，得出结论如下：（1)丫河水库溢洪道（洞）总体布置及设计体型基本合理，采用理论公式计算时由于流量系数影响，结果偏大，偏差在10%以内。（2）溢洪道进口布置在坝肩时，靠坝一侧设置顺应水流的曲面导水墙是有效的。设置导墙后，可有效避免产生绕流和横向流，过流能力得到明显提升。（3）经模型试验验证，下泄流量实测值与理论计算值偏差在3%6%之间。理论计算值偏大，在设计过程中，为偏安全考虑，建议在理论计算的基础上考虑10%左右的安全裕度，确保工程安全。