高混凝土面板堆石坝面板变形影响因子的聚类分析.pdf

水 力 发 电 第 3 9卷第1 1 期 2 0 1 3年 1 1月 高 混 凝 土 面 板 堆 眉 坝 面 板 变 形 景 乏 响 因 子 的 聚 龚 分 析 蔡德 所 ，黎佛 林 ，李玮 岚 ，薛晓飞 ，陈光 富 ( 1 三峡大学水利 与环境学 院，湖北宜 昌 3 4 0 0 3 3 ；2 三峡大学理 学院，湖北宜 昌 3 4 0 0 3 3 ) 摘 要 ：高混凝土面板堆石坝 的面板变形应考虑混凝土结构 自身 因素及 水压 、坝体沉降 、水平位移 、降雨量 和面板 温度等外部作用 的影响 。通过 聚类 分析将面板样点分成 3组 ，其 中第 3 组 占面板的主要部分 。由相关性分析发现 坝 体水平位移跟水压相关性 好且 显著 。对第 3组面板变形 的 4个 影响因子进行主成分分析 ，发现堆石 体变形是影响面 板变形 的主要因子。 关键词 ：混凝土面板堆石坝 ；面板变形 ；堆石体变形 ；影 响因子 ；聚类分析 Cl u s t e r i n g An a l y s i s o n I m p a c t F a c t o r s o f P a n e l De f o r m a t i o n f o r I I i g h CF RD C AI De s u o ， L I F o l i n ， L I W e i l a n ， XUE Xi a o f e i ， C HE N Gu a n g f u ( 1 C o l l e g e o f Hy d r a u l i c a n d En v i r o n me n t a l E n g i n e e r i n g , C h i n a T h r e e Go re s Un i v e r s i t y ， Yi c h a n g 4 4 3 0 0 2 ， Hu b e i ， c h i n a ； 2 F a c u l t y o f S c i e n c e ， C h i n a T h r e e Go r g e s Un i v e r s i t y ， Yi c h a n g 4 4 3 0 0 2 ， Hu b e i ， C h i n a ) Ab s t r a c t T h e s t u d y o f p a n e l d e f o r ma t i o n o f h i g h C F RD s h o u l d c o n s i d e r t h e i mp a c t o f c o n c r e t e s t r u c t u r e o f d a r n , wa t e r p r e s s u r e ， d a m s e t t l e me n t , h o r i z o n t a l d i s p l a c e me n t,r a i n f a l l a n d p a n e l t e mp e r a t u r e B y c l u s t e r a n a l y s i s ， t h e s a mp l e s o n p a n e l a r e d i v i d e d i n t o t h r e e g r o u p s ， t h e t h i r d g r o u p a c c o u n t s f o r t h e ma j o r p a r t o f p a n e 1 T h e c o r r e l a t i o n c o e f fi c i e n t a n a l y s i s fi n d s t h a t t h e h o ri z o n t a l d i s p l a c e me n t o f d a m h a s a s i g n i fi c a n t c o r r e l a t i o n wi t h wa t e r p r e s s u r e Th e ma i n i n gre d i e n t t h a t c h a r a c t e ri z e s t h e d e f o r ma t i o n o f p a n e l i n t h i r d g r o u p s a mp l e s i s e x t r a c t e d f r o m f o u r i mp a c t f a c t o r s b y p rin c i p a l c o mp o n e n t a n a l y s i s ， a n d c o n f i r ms t h a t the r o c k - f i l l d e f o rm a t i o n i s t h e ma i n f a c t o r a f f e c t i n g t h e d e f o rm a t i o n o f p a n e L Ke y W o r d s ： C F RD； p a n e l d e f o rm a t i o n ； r o c k - fi l l d e f o rm a t i o n ； i mp a c t f a c t o r ； c l u s t e r i n g a n a l y s i s 中图分类号 ： T V6 9 8 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 0 5 5 9 9 3 4 2 ( 2 0 1 3 ) 1 1 - 0 0 2 8 0 3 0 前 言 凝土面板坝面板变形的成因。 高 混 凝 土 面 板 堆 石 坝 的 面 板 变 形 可 能 受 河 谷 形 态 、气 候 、坝高 、堆 石 料压 实 情 况 、堆石 变 形 、面 板 自重 、水 压 和蓄 水 过 程 等诸 多 因素 影 响 1 - 3 。 面板 变形 多方 影 响 因 素 交织 在 一 起 尤 其 是 各 因素 对 面 板 变 形 的 贡 献 大 小 ， 综 合 分 析 甚 为 复 杂 。 高 面 板 堆 石 坝 的 面 板 变 形 与 普 通 堆 石 坝 的 面 板 变 形 差 异 较 大 ， 天 生 桥 一 级 面 板 坝 实 测 挠 度( 1 9 9 9年 ) 呈 现 “ W ”形 且 顶 部 挠 度 较 大 ：水 布垭 水 电站 实 测 面板 变形 亦 出现 相似 情况 【5 。这 种变形 特 性受 众多 因素影 响 变 形 与 面板 受 荷 载 作 用 大 小 及 重 心 位 置 有 关 ， 因此 进 行 高面 板 坝 的 面板 挠 曲变 形成 因分 析 就 显得 很 有 必 要 。本 文 结 合水 布垭 电站 大 坝 面板 变 形 原 型 监测 资 料 及 观测 的环 境 因子 和 气 候 因子 ，分 析 高 混 1 样点选取与数据处理 水 布垭 电站 大坝 面板 最 大截 面沿 顺河 向长 4 0 0 8 IT I 在 底部 2 0 0 I n高程 处选 取样 点 1 ，该点 的堆 石 体 水 平 、垂 直 位 移 采用 反 演 分 析得 到 的模 拟值 ；样 点 2 6的仪 器布 置同 如 图 1所示 ；在 4 0 2 m 高程 处设 精 密 水准 测 点 ，记 作样 点 7 。 面 板 的截 面 数 据 由 7个 样 点处 的水 压 、坝体 沉 降 、水 平位 移 、面 板 温度 和陀 螺仪 监测 的面 板 变形 收稿 日期 ：2 0 1 3 0 3 2 1 作者简介 ：蔡德 所( 1 9 5 2 一 ) ，男 ，湖北武汉 人 ，教 授 ，主要从 事光纤 传感监测与 生态修复技术 的研究及 应用工 作 ；黎佛林( 通讯 作者 ) 身暑39巷 身暑 J l：民 I了 祭 倦 所 ， 寺： 面 匠 庚 上 旧J 似 脏 C】 咀J 似 夏 丌焉 u I =广 廿 泵 夹 万 图 1 坝体选取样点与分期施 工示意 ( 高程单位 ：m) 组 成 。堆 石体 沉 降 和 水 平位 移 以面 板 浇 筑 时 间为 起 始点 计 算 。面 板 内侧 温度 采 用 2 3 8、3 0 2、3 5 2 n q高 程 处 的实 测值 ，其 余 样 点 的温 度 值 按 水 温 分层 模 型 和面 板 温度滞 后 于气 温插 值得 到 。 2 面板变形的聚类分析 在 以往 的数 据 分类 中 ，主要 靠 经 验 和专 业 知 识 作 定 性 分 类 处 理 ，这 样 就 不 可 避 免 地 带 有 主 观 性 和 任 意 性 。本 文对 7个 样 点进 行 分 类 ，利 用 截 面初 始 数据 进 行 聚类 分 析 以减 少 人 为 因素 的影 响 。 聚类 分 析 过 程 为 ： 将 7 个 样 点 的5 组 初 始 样 本 数 据 归一 化 上 处 理 。 按 ( i a - x j ) 计 算 各 样 本 个 体 间 的 距 离 。其 中 ，d 为样 点 问 的距 离 ； ， 。 为 样 点 、 中 的第 个 变量 归 一化 后 的数 值 ；m为变 量个 数 ，m= 5 。 采 用 类 间连接 平 均 聚 类 定 义 两类 之 间的 平 均距 离 毒 磊 d 2v ， 其 中 ， D 为 类 G p 与 G q 的 组 问 平 均 距 离 ；递 推公式 为， J ： 一 上 ， 幻2 + ，其 中 ，D D印、 n D幻 分 别 为 类 G 与 类 G 、G 、G 的 组 问 平 均 距 离 ，类 G ， 是 类 G 与 类G 的 总和 ，类 G 为其 他 任 一 类 ，k = 2 1 ， n r： Y tp - - l ，r 为 样 点 总 数 ， 、 是 类 、G 中 的 样 点 个 数 。 按 此 步 骤 ，将 7 个 样 点 的 因 子 数 据 进 行 分 类 ， 得 到 层次 聚类 树 如 图2 所 示 ，根据 标定 距 离将 样点 分 为3 组 。其 中第 1 组 为 样 点 1 ，第2 组 为 样 点7，第 3 组 为 样 点 2 6 。 2 1 第 1组 样点 的 面板 变形 成 因分 析 2 0 0 1T I 高 程 处 位 于 坝 体 底 部 ，此 处 受 到 的 相 对 水 压 、泥 沙 力 及 自重 均较 大 ，但 面板 变 形 相 对 较 小 ，为分 析该 部分 面板 变 形 ，引入 面板 变形 转换 值 。 由于 坝 体 和 面板 不 是 整体 变 形 ，且 坝体 变 形 后 各 位 置 的 坡 比 有 变 化 ，所 以 两 者 不 能 简 单 的按 照 面 板 1 ： 1 4的坡 比来计 算 要进 行 相 应 的转 换 。 根据 勾股 定理 ，水平 、垂直位 移分 别为 角形 的直角边 ，法 向 图 2影响面板变形 的因子聚类示意 挠度是 三 角形 的斜边 ，该挠 度 为面板 变形 的转 换 值 。 根 据 堆石 体 沉 降 和水 平 位 移得 到 的 挠度 转 换值 远 小 于面 板 变形 实 测值 ，可 以认 为贴 近 面板 的堆石 体 受 到面 板 的 挤 压 。2 0 0 IT I 高 程 以 下 堆石 体 填 筑 时 间 为 2 0 0 3年 1月 5月 面板 一 期 浇 筑从 2 0 0 5年 1月 开 始 ， 此 时 堆 石 体 变 形 已 基 本 稳 定 _7 _ 。 这 种 情 况 下 ， 即使 面 板综 合 受 力很 大 ，但 受 坝 基 混凝 土 结 构 和堆 石 体 的共 同约束 ，此 处面板 应变 较小但 应 力较大 。 2 2 第 2组样 点 的面板变 形成 因分 析 大 坝 于 2 0 0 7年 3月 完 成 三 期 面 板 施 工 ，2 0 0 6 年 已开 始 蓄 水 ，4 0 0 1T I 高程 及 以上 为无 水 区 ，面 板 不 受水 压 、泥沙压 力作 用 。根据 坝体 水平 变形 观测 ， 未 出 现 向上 游 变 形 情 况 因 此 面 板 在 水 平 方 向 的 受 挤 压 力小 ；但 顶部 面 板 受坝 顶 公 路 和 防浪墙 的垂 向 压 力 作 用 明 显 ，4 0 2 13 1 高 程 处 的 面 板 沉 降 约1 0 0 mlT l ，4 0 6 I T I 高 程 处 的 面板 沉 降 接 近 2 0 0 mm。根 据 堆石 体 变 形 实 测 结 果 ，该 部 分 坝 体 沉 降 相 差 不 大 ， 而 面 板 沉 降 却 相 差 一 倍 因 此 可 认 为 此 处 面 板 变 形 主要受 垂 向压力作 用 。 2 3第 3组样点 的面 板变 形成 因分 析 2 3 1 面板 变形 因子的相 关性 分析 对 面板 第 3组 样 点 在 2 0 1 1年 每 月 的水 压 、坝 体 沉 降 、水 平 位移 、面 板温 度 与 面板 变形 作 相 关 性 分 析 ，得 皮 尔 逊 相 关 系 数 矩 阵 ，矩 阵 显 示 各 变 量 间 都 存 在 相 关 关 系 ，其 中 坝 体 水 平 位 移 与 水 压 的 皮 尔 逊 相 关 系 数 为 R = 一 0 6 0 8 ( a O O 1 )；面 板 变 形 与 水 压 、坝 体 沉 降 的 皮 尔 逊 相 关 系 数 分 别 为 0 4 6 1 ( a O 01 )、0 4 8 9 ( a O O1 ) ， 显 著 相 关 ； 面 板 变 形 与 水 平位 移 的斯 皮 尔 曼 系数 为 ， = 一 0 3 4 8 ( a O O 1 ) 。 由此 可知 ，坝 体水 平位移 跟水 压相 关性好 且显 著 。 2 3 2面板变形的因子分析 为 探 究 面 板 变 形 作 用 机 理 ，使 用 主 成 分 提 取 法 进行 主轴 因子 分析 。 因子分析 有 2个必 要条 件 ，其 一 要 求 变 量 相关 ，其 二要 求 样本 量 较 大 ，该 面板 坝 的 分析 数 据 满足 此 要求 。 由于初 始 数 据 的单 位 不一 致 ，在 进 行 主成 分 分 析前 需要 进 行 数 据标 准 化 。因 W a t e r P o w e r V o 1 3 9 N o 1 1 囫 子 分 析 过程 与 结 果 为 ： 建 立 分 析 变量 的相 关 系 数 矩 阵 ，矩 阵 的行 列式 值 为 0 3 4 5，该 值 大 于 0 0 0 0 1 ， 能获 得 因 子 分 析 的解 KMO值 在 0 1之 间变 化 ，若 KMO 过 小 ，表 示 变 量 偶 对 之 间 的相 关 性 不 能 被 其 他 变 量 解 释 这 里 KMO 为 0 5 6 9，Ba r t l e t t检 验 为 0 0 0 0 ，满足 因子分 析 的条 件 ； 分析 过 程 只提 取 了 一 个 主 成 分 ，无 法 旋 转 ，得 到 的水 压 、水 平 位 移 、 沉降 、温度 的系数分别为- 0 _5 4 2 、0 8 9 6 、 7 0 0 、0 5 6 5 ， 主成 分 的 特 征 值 为 2 1 6 3， 占总 方 差 比为 5 4 0 6 4 。 根 据 成 分 矩 阵 中 最 高 荷 载 定 义 ，水 平 位 移 和 坝 体 沉 降 在 第 一 成 分 即 主 成 分 )上 的 荷 载 较 大 ，表 明 其 与 主 成 分 的联 系 较 高 。第 一 成 分 集 中了原 始 变 量 5 4 0 6 4 的信息 ，该 成 分可 表征 为堆 石体 变形 7 j 。 分 析 3 0 0 m 高 程 处 在 2 0 1 0年 1月 至 2 01 2年 1 0 月间 、其余 样 点在 2 01 1年 全年 的面板 变形 实 测值 与 转 换值 的相关 性 和标准 偏 差( S T DEV) ，计 算 结果 见 表 1 ，由表 1可 知 ，实测 值 与转 换 值 的相 关 性 一 般 ， 但 偏 差 值 相似 ，测 值 变 化很 接 近 ，故 可认 为两 种 方 法具 有 很 高 的可 比性 。图 3为 3 0 0 m 高程 处 实测 变 形 与 转 换 变 形 的 关 系 ， 从 表 l和 图 3中 可 以 看 出 ， 二者 每 次 的测 量 值 相 差 为几 十 毫米 ，引起 这种 状 况 的原 因是 多方 面 的 。首 先 ，由水 平 位 移 和 垂 直位 移 联合 计 算 得 到 的法 向位 移 并不 是 面板 挠 度 。二者 只 能作 粗 略 比较 ，具 有 一 定 的参 考 价值 ；其 次 ，二者 的测 量 部 位 不 完全 一 致 ：第 三 影 响较 大 的 是该 处 附 近 面板 存 在 脱 空现 象 或 挤 压 现象 。上 述 三 点揭 示 出 4个 变 量 因T - 中提 取 的堆 石 体 主成 分 所 占总 方差 值 的 比例可 能偏 小 。 表 1 各样点高程实测值与转换值 间的关系 注 ：差值范围是指该样点多次实测值与转换值差的绝对值范围 。 l 爨 嚣 图 3 3 0 0 m 高程面板实测变形与转换变形的时 间序列 2 4结 果分 析 由组 问连 接平 均 聚类 方 法对 面板 不 同部 位 进行 囫W r a e r P o w e r V o 1 3 9N o 1 1 分 类变 形 分 析 ，将 面板 分 成 3组 。其 中第 1组 样 点 处 的 面板 处 于 坝体 底 部 ， 因面板 自身 刚 度 较大 ，故 面板作 为 一 个 传力 体 ，在 堆 石体 和 坝 基 混凝 土结 构 的约束 力 作 用 下 ，平 衡 了水 压力 作 用 ，使得 面板 变 形 较小 。第 2组样 点 处 的面 板不 受 水 压 力 ，但 在垂 向压力 作 用 下 ，靠 近 坝 体 顶 部 的 面板 沉 降 远 大 于底 部 ，另 外 堆 石 体 变 形也 对 面板 变 形 产 生 影 响 。第 3 组 样 点 经 面 板 变 形 影 响 因 素 的 主 成 分 分 析 提 取 出 的 一 个 主 成 分 为 堆 石 体 变形 ，其 集 中 了 5 4 0 6 4 的信 息 ，但 该 值 可 能 偏 小 。 面 板 实 测 变 形 与 转 换 值 间 的 关 系 可说 明两 者存 在一 定 的相 关性 ，标 准 偏差 很 接 近 ，但 差 值 范 围( 绝 对 值 )随 高程 增 加 而 有加 大 的 趋 势 其 中 3 0 0 m 高程 处 的数 据是 根据 近 3年 的 实 测 值 得 出 的结 果 ，显 示 了它 们 之 间 较 好 的相 关 性 ， 且 变 化 趋 势 一 致 。 3 结论 综 上 所 述 ， 可 以得 到 以下 结 论 ： 坝 体 底 部 面 板 变 形 受 坝 基 混 凝 土 结 构 和 堆 石 体 的 约 束 ， 面 板 附 近 的 堆 石 体 受 挤 压 变 形 ，密 实 度 变 大 。 顶 部 面 板 未 出 现 向 上 游 水 平 向 变 形 ，但 随 坝 高 的 增 加 ，面 板沉 降 明显 增加 。 对 坝 体 中部 面 板 变 形 的 影 响 因 素 进 行 主 成 分 分 析 提 取 出 的 主 成 分 为 堆 石 体 变 形 ，集 中 了 原 始 变 量( 4个 因 子 ) 5 4 0 6 的 信 息 ，且 经 面 板 实 测 变 形 与 转 换 值 关 系 得 到 验 i i E面 板 变 形 的 实 测 值 与 转 换 值 的 相 关 性 整 体 一 般 ，但 标 准 偏 差 大 致 相 等 。 参考文献 ： 1 阮全荣 ，施 围，桑 志强 7 5 0 k V GI L在拉西瓦水电部应用需要考 虑 的问题 J 高压电器 ，2 0 0 3，3 9 ( 4 ) ： 6 6 6 9 1 徐 泽平 ，郭晨 高 面板堆石 坝面板挤 压破坏 问题研 究 J 水 力 发 电，2 0 0 7 ，3 3 ( 9 ) ： 8 O 一 8 4 2 刘 军 混凝土 面板 堆石坝 面板 变形特性 研究 D 杨凌 ：西北农 林科技大学 ，2 0 0 8 f 3 孙役 ，燕 乔 ，王 云清 面板堆石坝 面板开裂 机理与 防止措施研 究 J 水力发电 ，2 0 0 4，3 0 ( 2 ) ： 3 0 3 2 4 赵魁 芝 ，李 国英 ，沈珠江 天生桥 混凝土 面板堆石 坝原型 观测 资料反馈 分析 J 水利水运科学研究 ，2 0 0 0( 4 ) ： 1 5 1 8 5 黎佛 林 ，蔡德所 ，秦鹏 ，等 水 布垭水 电站面板挠 度监测 方法 比较 J 水力发 电，2 0 1 3 ，3 9 ( 1 ) ： 8 2 8 4 ，8 8 6 杨启贵 ，刘宁 ，孙役 ，等 水 布垭 面板堆石 坝筑坝技术 M 北 京 ：中国水利水电出版社 2 0 1 0 7 骆方 ，刘云红 ，黄 岜 S P S S数据统计 与分析 M 北京 ：清华大 学 出版社 2 0 1 1 8 曹克明 ，汪易森 ，张宗 亮 高 混凝土 面板堆石 坝的设计 与施工 J 水力发电 ，2 0 0 1 ( 1 O ) ： 1 9 5 2 ( 责任编辑王 琪)