（水利水电工程专业论文）李家峡拱坝参数反演分析与安全监控模型研究.pdf

摘要 李家峡水电站从1 9 9 6 年1 2 月下闸蓄水以来，历经从初期蓄水位到电站运 行最高水位的历程，水电站各水工建筑物枢纽已经历了正常高水位的检验，建筑 物的结构形态经过不同水位工况下的运行调整，必将发生较大的改变。及时了解 和掌握水工建筑物的工作状态，是建筑物能够长久安全稳定运行的保障。从国内 外各有关水工建筑物运行管理的经验来看，随着建筑物运行时间的增长，水工建 筑物及基础的有些力学参数将会发生一定的调整和改变。作者利用李家峡水电站 在正常高水位运行时所监测到的原型观测资料，用有限元模型计算大坝在各种不 同工况下不同监测点部位的变位值，然后建立基于人工神经网络的大坝及地基的 参数反演计算模型，再用垂线原型观测资料来反演大坝及地基的参数( 坝体弹性 模量、温度线膨胀系数及坝基变形模量) ，并进行相应的分析评价。另外，用已有 的原型观测资料成果分析计算大坝变形监测的混合模型及统计模型。本文的主要 工作和取得的成果如下： 1 - 根据实际地质情况建立李家峡大坝的有限元计算模型。 2 在广泛查阅有关文献的基础上，对大坝变位的正分析计算和人工神经网 络用于监测资料反分析的原理进行了总结，建立了用有限元计算与人工神经网络 相结合进行大坝及基岩参数反演的反分析模型。 3 用人工神经网络建立坝体变位的预测模型。 4 根据现有的原型观测资料建立坝体变位的混合模型及统计模型。 通过以上工作可以认为，用人工神经网络来建立坝体变位的神经网络模型 及对大坝的参数进行反演计算的理论和方法是可行的，计算过程快速、简便，适 用性较强，可为大坝安全监测资料分析提供另一种方法和途径。 关键词：李家峡水电站安全监控模型参数反演观测资料分析 a b s t r a c t s i n c ed e c e m b e r , 1 9 9 6w h e nt h es l u i c eg a t e sw e r ec l o s e da n dw a t e r s t o r a g eb e g a n ， l i j i a x i ah y d r o p o w e rs t a t i o nh a se x p e r i e n c e dt h ew h o l ep r o c e s sf r o mi n i t i a ls t o r a g e l e v e lt ot h em a x i m u m p o o ll e v e l t h eh y d r a u l i cs t r u c t u r e so ft h eh y d r o - p r o j e c th a v e a l s oe x p e r i e n c e dn o r m a l h i 班s t a g e a f t e ro p e r a t i o ni nc a s e so fd i f f e r e n tw a t e rl e v e l s s t r u c t u r a lf o r m so ft h eh y d r o - s t r u c t u r e sh a v eb e e na d j u s t e da n d c h a n g e ds i g n i f i c a n t l y i no r d e rt oe n s u r et h eh y d r a u l i cs h u c t u r e st os a f e l ya n d s t a b l yo p e r a t ef o r a l o n gt i m e ， t h ew o r k i n gs t a t eo ft h eh y d r o - s t r u c t 叶e ss h o u l db eu n d e r s t o o da n dm a s t e r e di nt i m e b a s e do nt h ee x p e r i a n e eo fo p e r a t i o na n dm a n a g e m e n to fr e l a t i v e h y d r o - s t r u c t u r e s h o m ea n d a b r o a d ，a l o n g w i t he x t e n s i o no f o p e r a t i o nt i m eo ft h eh y d r o - s t r u c t u r e ，s o m e m e c h a n i c a l p a r a m e t e r so f t h e h y d r o s t r u c t u r ea n di t sf o u n d a t i o n w i l lu n d e r g oac e r t a i n d e g r e eo fa d j u s t m e n ta n dc h a n g e o nt h eb a s i so fd a t af r o mp r o t o t y p eo b s e r v a t i o n w h i c hw e r em o n i t o r e d d u r i n g t h e i a j i 缸i ah y d m p o w e r s t a t i o nw a s o p e r a t e da tn o r m a l h i g h 啪t e l e v e lt h ea u t h o rc a l c u l a t e dd i s p l a c e m e n t sa td i f f e r e n tm o n i t o r i n gs p o t s u n d e rd i f f e r e n ta 隅b 擎璐eo ff e mm o d e l , t h e nb a s e do nt h ea f t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r kt h eb a c kc a l c u l a t i o nm o d e lo ft h ed a ma n di t sf o u n d a t i o nw a se s t a b l i s h e d a f t e r w a r d , d a t af r o mv e r t i c a lp r o t o t y p eo b s e r v a t i o n sw o i ou s e dt oh a c kc a l c u l a t i o n p a r a m e t e r so ft h ed a ma n di t sf o u n d a t i o n , s u c ha st h ed a m se l a s t i cm o d u l u s ，t h e r m a l l i n e a re x p a n s i o nc o e f f i c i e n ta n dd e f o r m a t i o nm o d u l u so fd a mb a s e a n dt h er e l a t i v e a n a l y s i sa n de v a l u a t i o nw o r ef i n i s h e d b e s i d e st h eh y b r i dm o d e la n dt h es t a t i s t i c a l m o d e lf o rd e f o r m a t i o no b s e r v a t i o no ft h ed a mw e r es e tu pb yu s eo ft h ee x i s t e d p r o t o t y p em o n i t o r i n gd a m t h ec h i e f w o r ka n do b t a i n e dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s a ) i na c c o r d a n c ew i t ht h ep r a c t i c a lg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，f e mm o d e lo f d a mh a se s t a b l i s h e d o nt h eb a s i so ft h ee x t e n s i v e l yc o n s u l t e dr e f e r e n c em a t e r i a l s ，i tw a s s u m m e d 叩t h a tp r i n c i p l eo fn o r m a la n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o no fd a m s f o u n d a t i o na n dh o wt ou s ea r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r kt ob a c ka n a l y s e s r ，。 o b s e r v a t i o nd a t a t h eb a c k a n a l y s i s m o d e lf o rb a c kc a l c u l a t i o no f p a r a m e t e r so fd a m a n db e d r o c kh a sb e e nc o n s t r u c t e db yc o m b i n a t i o no f f 】a mc a l c u l a t i o na n da a i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k c ) 1 1 l ef o r e c a s t i n gm o d e lo fd a md e f o r m a t i o nh a sb e e ns e tu pb yu s eo f a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k mn e h y b r i dm o d e la n dt h es t a t i s t i c a lm o d e lo ft h ed a m sd e f o r m a t i o n h a v eb e e ne s t a b l i s h e do nt h eb a s i so ft h ee x i s t e dp r o t o t y p eo b s e r v a t i o n d a t a i naw o r d ，i na c c o r d a n c ew i t ht h ea b o v em e n t i o n e dw o r k ，t h ea u t h o r b e l i e v e st h a ti ti sf e a s i b l et oe s t a b l i s hn e u r a ln e t w o r ka n db a c ke a l c u l a t i o nt h e d a m sp a r a m e t e r sm o d e lo ft h ed a m sd e f o r m a t i o nb y u s i n gt h ea r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r k a st h ec a l c u l a t i o np r o c e s si sf a s t , s i m p l ea n dc o n v e n i e n ta sw e l la s s u i t a b l e ，t h ea r t i f i c i a l n e u r a ln e t w o r kp r o v i d e san e wm e t h o da n dw a yf o r a n a l y s i so f ad a m s s a f e t yo b s e r v a t i o n d a t a k e y w o r d ：l i j i a x i ah y d r o p o w e rs t a t i o n ，s a f e t ym o n i t o r i n g m o d e l ，b a c k c a l c u l a t i o no f p a r a m e t e r s , a n a l y s i s o fo b s e r v a t i o nd a t a 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含获得天津大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：龟荡玛 签字日期：j 哆年f 月哲同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅何借阅。同意学校向 国家有关部门和机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：龟秀锓 导师签名 签字日期： 粥年f 月落日 签字同期 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 随着我国水电开发步伐的加快，越来越多的高坝大库f 在形成，如长江三 峡水利枢纽以及已建成的坝高2 4 0 m 的二滩拱坝、正在兴建的澜沧江上游小湾电 站、黄河上游的拉西瓦电站等。这些工程的建成，在防洪、发电、灌溉、供水和 航运等方面产生了巨大的社会经济效益。与此同时也使我国的坝工技术水平，包 括勘测、设计、科研、施工和管理等，上升到一个新台阶，有不少技术水平已处 于国际前列。 大坝是承受巨大荷载的结构复杂的建筑物，其安全是关系到人民生命财产 安全的大事。已建的不少工程已运行了3 0 多年，随着大坝运行时间的延长，工 程老化问题f 1 趋突出。随着高坝大库建设的增多，大坝的安全已引起普遍关注。 2 0 世纪5 0 年代末发生过几座重要大坝垮坝事故之后，坝体的安全性显得特别突 出，国内外学者分别从坝体设计、模型试验、大坝安全监测及安全诊断等不同方 面进行了深入的探讨和研究。其中由于大坝安全监测最能反映坝体的实际情况， 通过对原型观测资料的综合分析可以判断大坝实际运行状况与设计情况的差别， 检验设计是否正确，为指导大坝运行和再设计提供宝贵的反馈信息，因而受到业 界的普遍重视。目前大坝安全监测的手段主要是计算机自动化采集和定期人工现 场巡视相结合，通过对观测资料的筛选除噪、分项处理和模型分析( 包括安全监 控数学模型和有限元分析模型) 来判断大坝的运行安全情况。及时根据大坝原位 观测资料并利用可靠的分析理论和计算技术以及合理的数学物理模型和更精确 的参数来进行分析计算大坝的工作状态是大坝安全运行的关键。由于大坝及岩基 工作条件复杂、荷载、计算参数、边界条件、计算方法等还难以精确模拟，使目 前水工设计还难以做到完全与工程实际相吻合，有时会有较大差别。用原位监测 资料反分析大坝及岩基实际运行状况，一方面可评价大坝和岩基的实际安全度； 另一方面对在建的坝，依据施工实测资料，及时进行反分析，并对施工设计方案 提供反馈建议，从而达到优化设计施工的目标。由此可见，反馈分析研究有着重 大的实用意义和科学价值。鉴于以上情况，对大坝等水工建筑物及时进行观测资 料的分析和反分析是很有必要的。 李家峡水电站双曲拱坝高达1 5 5 m ，设计正常高水位2 1 8 0 m ，坝址地质条件复 杂，断层发育，大坝上下游均发育有大型岩质滑坡及蠕变( 松动) 岩体，左岸坝 肩稳定问题比较突出。在工程基础处理中主要采取了高压固结灌浆、混凝土抗剪 第一章绪论 传力洞和网格置换洞等处理措施。李家峡水电站从1 9 9 6 年1 2 月下闸蓄水、1 9 9 7 年2 月第一台机组发电以来至2 0 0 2 年3 月已历经6 年时间，在此期间，水库水 位经历了从初期蓄水至2 0 0 2 年1 月达历史最高水位的过程，各水工建筑物枢纽 也经过了从低水位运行至高水位的考验。蓄水初期水工建筑物运行状况由清华大 学和幽家电力公司西北勘测设计研究院进行过分析“。”，资料中水位最高仅达 2 1 6 9 8 m “1 。2 0 0 2 年1 月李家峡水库水位升至2 1 8 0 2 0 m 的正常蓄水位高程，达 历年最高值，且库水位在2 1 8 0 m 高程左右运行天数达1 3 1 天，在此期间水电站水 工建筑物的工作状态与初期蓄水时相比已发生了较大调整和改变，大坝的物理力 学参数与设计值相比肯定会有一定的变化。及时掌握和了解李家峡大坝运行状态 的变化，是保证大坝能够长期安全稳定运行的关键。因此，利用1 9 9 7 - - 2 0 0 2 年 此段时间的原型观资料反演分析坝体及坝基的主要物理力学参数是很有必要的。 在此基础上，用已有的观测资料来建立实际工况下大坝变形监测的几种监控模 犁。 1 2 前人已做的工作 大坝与基岩，存在着诸多不确定因素，甚至未知因素。因此，原位监测与 反馈分析工作得到了广泛的应用和发展。 太沙基在1 9 6 9 年提出的观测设计法( o b s e r v t i o n a ld e s i g nm e t h o d ) ，是反馈 分析思想的最早应用，他用现场观测结果修f 参数与设计。三十多年来，在隧道 工程中，由于广泛推广奥地利学者l v r a b c e w i t h 教授提出的新奥法( n e w a u s t r i a nt u n n e l l i n gm e t h o d ，简称n a t m ) 而取得了显著的经济效益“。5 1 ，新奥 法的内涵是：在隧洞开挖过程中，通过对围岩及支护的观测和测量，由此反馈施 工和设计。 国内外对大坝的反分析工作开展比较深入，取得了一些成果，尤其是混凝 七坝的反馈分析工作己开展得较为普遍。文献“提出利用原位观测资料，由确 定性模型及统计模型，并结合有限元分析成果，反演坝体混凝土的弹性模量和温 度线膨胀系数的方法，起得了较好的效果：b o n a l d i 、f a n a l l i 和g i u s e p p a i 等人“ 提出了有明显概念的确定性模型，并由此来反演坝体混凝土的弹性模量和温 度线膨胀系数，在大坝的反分析中起到了积极作用：文献2 。1 ”提出了利用离下 游不同深度的温度计的测值，并考虑坝面粘滞层的影响，来反演混凝土导温系数 的方法：陈久宇等人4 利用离上游面不同距离的渗压计测值，并考虑上游库水 位的波动，反演坝体混凝土的扩散系数，有一定的实用价值：文献“”利用临界 2 第一章绪论 荷载法和小概率试件法，反演坝体混凝土的断裂韧度，取得了较好的效果：陈久 宇、杨代泉“ 1 用有效指数法和传递荷载指数法，反馈了大坝横缝的实际传递 荷载的能力；此外利用确定性统计模型结合实际观测资料，反分析纵缝的实 际结构作用。葡萄牙国立土木工程研究所( 简称l n e c ) “”，利用施工期间浇筑 混凝土的温度观测资料，反馈温控设计和控制接缝灌浆的时剧，对实际工作有一 定的指导意义。文献“9 2 0 利用弹性理论，导出了温胀应力的理论计算公式，并 由此反馈大坝的应力控制指标，有一定的实际意义和参考价值。 现代控制理论和计算技术的发展促使岩体工程领域丌始重视反馈分析理论 及其应用研究。国外的k i r e t e n 和g i o d a 、s a k u r a i 等，以及国内的杨林德等人提 出了基于现场监控监测技术的位移反分析方法1 2 1 - 2 4 1 解决了给定岩体的本构关 系后单测点的岩基的反演分析问题。曾国熙等人k 2 5 1 根据建筑物旌工期间现场 实测的位移、应力和孔隙压力等资料，通过反分析法确定基坑丌挖问题的有关参 数，取得了较好的效果。近二十年来，位移反分析方法，已从弹性问题发展到了 粘弹性和弹塑性以及粘弹塑性问题的位移反分析。 以往对观测资料的分析多采用数学模型( 统计模型、混合模型、确定性模型) 计算方法来进行大坝实际工作性态的分析。用统计分析建立模型的方法较多，如 用统计分析法建立统计模型，用时间序列分析法和灰色系统理论建立预测模型， 川模糊数学建立监测模型v - r l 。这些模型的基本特点是利用实测资料，并将效应 量作为随机变量或随机过程，建立各种数学模型。本质上讲，它们都是经验模型， 均含有统计特性，它们普遍存在下列问题： ( a ) 当观测资料不包括荷载( 如水位、温度等) 发生的极值或观测资料系 列较短，那么由这些资料建立的数学模型将不能用于监测。 ( b ) 这些模型主要依靠数学处理，没有较好地联系大坝和地基的结构性态。 因此，埘大坝的工作性态不能从力学概念上加以本质解释。 ( c ) 由于随机因素的影响，这些模型的外延预报时间较短，精度较低。 统计模型预报精度在一定程度上取决于因子选择的正确与否，再加上回归方 程本身也只是确定的线形与非线形因子的组合，由于影响监测量的因素很多，且 相互间关系复杂，因此，要想应用一个精确的数学模型很难得到一个满意的回归 效果。 确定性模型的特点是：结合大坝和地基的实际工作性念，用有限元方法计算 荷载( 如水压h ，变温t 等) 作用下的大坝和地基的效应场( 如位移场，应力场 或渗流场) ，然后与实测值进行优化拟合，以求得调整参数( 因为大坝和坝基的 平均物理力学参数或渗流参数以及边界条件等取得不确切) ，从而建立确定性模 型。混合模型是水压分量用有限元计算值，其它分量仍用统计模式，然后与实测 值进行优化拟合建立的模型。 第一章绪论 在人坝安全监测的分析和预报中，为了提高精度和符合实际变形规律，既 有统计模型的分析方法，也有用确定性模型的分析方法，有些还利用混合模型进 行计算。从较多的分析资料来看，数理统计分析方法建立混凝土坝位移混合监控 模型，其拟合精度较高，是可以满足工程要求的1 2 8 1 。近年来，一些用于自动化 控制系统的理论越来越多地被用来解决大坝监控系统方面的问题，其原理和方法 已认为是可行的，如：把用于大坝观测资料分析的模糊数学的三种分析方法“” ( 聚类分析法、似然推理法、综合评判法) “o 。= “3 与神经网络结构相结合的模糊神 经网络，用来建立观测系统的模糊神经网络预报模型，通过改进的遗传算法对参 数进行调整和优化，并用自组织神经网络来优化模糊神经网络结构，预报精度优 于常规的统计回归模型，用于大坝监控中是可行的。另外，用有限元计算结果结 合人工神经网络理论来对大坝原型监测资料进行反分析计算也取得了一定的成 果。用人工神经网络反分析计算的方法一般分为直接法和问接法两种，直接法常 遇到数学上的困难，因此以间接法应用较多，比较常用的有：试错法、离散优 化法等。其中，试错法计算速度较慢，有时还要依赖经验；离散一优化法是离散 数值方法与数学优化法相结合的产物，其关键是如何决定最优值搜索的步长和方 向，如果初值给的不合理容易造成不收敛或收敛于局部极值点，且一般要用到复 杂的求导。人工神经元网络( 简称a n n ) 是对人脑神经系统的模拟，具有很强的 自适应、自组织、自学习和非线形计算能力。而多层前馈神经网络( m u l t i l a y e r n e u r a ln e t w o r k ) 能够模拟任意系统输入输出问的影射关系，尤其是非线形影射 关系，能够在某些方面避免传统优化方法的缺点和不足。用神经网络与有限元等 数值方法结合起来联合求解反问题，是先用有限元等数值方法正向计算各分区材 料参数在不同水平组合下建筑物的可测外观效应值如变形、渗压、渗流量等：然 后以正向计算结果( 效应值) 作为神经网络的输入，以各材料参数值作为神经网 络的输出，对其进行训练，当满足精度要求后停止训练( 此时的网络已经建立了 从输入到输出的非线形映射) ：再以实际的观测数据输入经过训练的神经网络， 经网络计算后可得出与实际观测值对应的材料参数值，这时若把反演参数重新代 入有限元程序进行正分析计算，可以求得与实测资料相对照的币分析计算值，这 样可进一步验证反演结果的可靠性 3 3 1 0 另外，用人工神经网络反演初始地应力 场”1 、用模糊神经网络反演大坝弹性模量“1 也可取得较精确的结果。 对李家峡水电站各水工建筑物自下闸蓄水初期的低水位运行至目前正常蓄 水位运行工况期间大坝变形性态的研究，清华大学已在1 9 9 9 年分别利用统计模 型和确定性模型对原型观测资料进行过全面分析( 包括观测资料的正分析和反分 析) ：西北勘测设计研究院也受建设单位的委托，除了对1 9 9 6 年1 2 月1 9 9 9 年 初的监测资料进行了分析整理和对大坝的工作形态进行了分析、评价外，还结合 2 0 0 0 年度的大坝安全监测资料进行了系统的综合分析和反分析，对李家峡大坝、 4 第一章绪论 基础及两岸高边坡的工作形态进行了综合评价。2 0 0 1 年1 2 月由中国水电顾问有 限公司提出了李家峡水电站竣工安全鉴定报告。”。 1 3 本文的主要研究内容 本文将搜集的李家峡原型观测资料延长至2 0 0 i 年1 2 月，主要利用水库在 经历最高蓄水位( 2 1 7 8 m ) 时的监测资料，反分析大坝及基础的工作形态，校核 大坝及基础的力学参数，并给予相应评价。在此基础上利用原型观测资料通过人 工神经网络及统计分析方法建立大坝变形的神经网络监控模型、多元回归统计模 型和混合模型。本文的主要工作如下： 1 收集、整理拱冠、左右1 4 拱的垂线、库水位、气温及拱冠断面不同高程 处的坝体温度等监测资料。 2 建立大坝的有限元模型。 3 利用确定性模型计算大坝在不同参数工况下各高程部位的变位值。 4 利用人工神经网络对大坝及基岩的力学参数( e 。、e ，) 进行反演计算，求 出实际参数值。 5 利用原型观测资料建立大坝变位的人工神经网络预测模型。 6 根据现有的原型观测资料建立坝体变位的混合模型及统计模型。 7 综合分析计算结果。 第二章李家峡拱坝与基础的特性及监测资料初步分析 第二章李家峡拱坝与基础的特性及监测资料初步分析 2 1 工程简介 李家峡水电站枢纽工程是黄河中上游龙羊峡刘家峡河段规划开发的第三 座大型梯级电站。位于青海省尖扎县与化隆县交界处的黄河干流上。坝址至龙羊 峡水电站河道旱程1 0 8 6 k m ，距青海省会西宁市直线距离5 5 k m ，公路里程11 2 k m ， 距平安驿铁路车站8 0 k m 。 李家峡水电站是以发电为主、兼顾灌溉等综合利用的大型水利水电枢纽工 程。电站枢纽由主坝、左岸重力墩、左岸付坝、泄水建筑物、电站引水系统、两 岸农业灌溉取水口、坝后双排机发电厂房、3 3 0 k v 出线站及左坝沟、德龙尖巴沟 防洪建筑物等工程组成。 电站正常蓄水位2 1 8 0 m ，库容1 6 5 亿m 3 。主坝为三心园双曲砼拱坝，坝高 15 5 m ，最大底宽4 5 m ，坝顶基本宽度8 m 。泄水建筑物由右岸中孔、左岸中孔和底 孔泄水遭组成。左岸底孔泄水道进口底部高程2 1 0 0 m ，孔口尺寸5 7 m 2 。左右岸 中孔泄水道进口底部高程2 1 2 0 m ，孔口尺寸8 1 0 m 2 。电站引水系统由坝内取水 进水口及5 条直径8 m 的坝后背管构成。电站厂房由坝后式双排机主厂房和付厂 房组成。电站共装5 台单机容量4 0 万k w 混流式水轮发电机组。工程分二期建成， 一期装机4 台( 土建工程一次建成) ，二期装机一台，最终总装机容量为2 0 0 万 k w 。电站保证出力5 8 1 万k w ，年平均电站共装5 台单机容量4 0 万k w 混流式水 轮发电机组。工程分二期建成，一期装机4 台( 土建工程一次建成) ，二期装机 一台，最终总装机容量为2 0 0 万k w 。发电量5 9 亿k w h 。在枢纽两岸各留有灌溉 孔。主要工程量：土石方开挖1 1 7 1 万m 3 ，混凝土浇筑2 8 8 万i l l 3 ，钢筋7 6 7 万 t ，钢板及钢结构1 3 5 万t ，预应力锚索2 8 7 2 万t - m 。工程开工时间为1 9 8 7 年7 月，1 9 9 1 年1 0 月实现截流、导流洞过水，水库于1 9 9 6 年1 2 月2 6 日下闸蓄水，1 9 9 7 年2 月1 3 日第l 台机组并网发电，1 9 9 7 年1 2 月4 日第二台机组并网发电，1 9 9 8 年5 月2 6 日第三台机组并网发电，1 9 9 9 年1 2 月1 0 日第四台机组发电，总工期 1 2 年。 2 2 枢纽建筑物区地质概况及工程特性 坝址区河道顺直，河流流向n e 7 8 。8 2 。，坝址区河谷为v 型峡谷。两岸谷 坡基本对称，左、右岸山顶高程分别为2 2 2 0 m 、2 2 5 0 m ，地形平均坡度左岸为4 0 。， 右岸平均5 0 。左岸地表沿层间挤压带发育有多种冲沟，形成沟梁相间的锯齿状 第二章李家峡拱坝与基础的特性及瓶测资料初步分析 地形，上部山体受下游左坝沟及其支沟和上游f 3 6 沟切割，山体相对较为单薄。 右岸山势高峻，山体雄厚。坝址下游泄流冲刷区两岸岸坡不对称，右岸为河流i i 级阶地，台面平缓，相对高差3 5 m 4 0 m 。 坝址区岩石主要由前震旦系浅灰色的混合岩( g r ) 和黑绿色的片岩( s h ) 组成。局部范围有华力西期花岗伟晶岩脉，呈白色或肉红色。混合岩单层厚度6 2 0 c m ，岩质硬脆，片理及稳裂隙发育。片岩单层厚度4 0 2 0 c m ，岩质较混合岩 稍软。伟晶岩脉硬脆，单层岩性不太稳定，具有相变或交替出现的特征，层间接 触紧密，总体强度比较均一。 坝址区位于化隆断陷盆地西南侧，前震旦系岩层呈单斜构造，片理产状 n w 3 0 0 ”3 3 0 丐w 么3 8 。5 5 。，倾向上游偏右岸。岩体中断层及裂隙按产状分有七组。 对工程地质条件起制约作用的主要有以下四组： n w 组层间断层( 层间挤压带) ：该组占坝区断层总数的5 0 以上；其发育 间距左岸l o 3 0 m 一条，右岸1 5 4 5 m 一条。破碎带宽度l o 3 0 c m 、个别4 0 5 0 c m ，充填物为片状破碎岩、糜棱岩及少量断层泥( 厚0 2 3 c m ) 。该组断层一 般顺层分布，仅局部切层延伸长度数十米至数百米不等，代表性的断层f 。 f ：，、艮、f 蛐、f 。f 。f 3 。其中厶、f 。氏、f 。贯穿两岸及河床。 ) n e e 组顺河断层：左岸有心、右岸有艮、河床有f ：。、艮。f 。等5 条断 层，延伸长度均在数百米以上。f 舶、f 2 t 宽度为0 3 1 5 m , 夹泥厚1 3 c m ，艮、 f ，宽度为0 5 1 2 m ，f 。宽度为1 o 4 o m ，充填角砾岩、糜棱岩、压碎岩及断 层泥( 厚0 5 3 c m ) ，一般均无胶结 n e 组断层：主要有f 。、艮、，其中以f 。：较大，破碎带宽0 2 1 5 m ， 充填角砾岩，压碎岩及( 厚l 3 c m ) 断层泥，未胶结。 平缓断层或裂隙：左岸以f 。t 为代表，产状n e l 5 。n w 3 4 5 ”n w s w z 8 。2 5 。， 在左坝肩2 1 5 5 2 1 6 5 m 高程平缓出露，斜切整个左岸山梁；右岸以f ，为代表， 它为级硬性结构面，总体产状n e 4 8 。n w z l l 。1 3 。，在右坝肩2 1 0 0 2 1 5 0 m 高程 断续延伸，面连通率为8 0 8 5 。 坝址区裂隙( 构造面) 十分发育，主要有两组，组是岩层层面，走向( n w ) 与层间断层产状完全一致。另一组是北东向卸荷裂隙，走向与层面垂直，陡倾角， 可以认为它是坝址区基岩构造应力第一主应力的法面。以上两组构造面几乎控制 了李家峡峡谷全部左岸天然坡面。其次还有顺河向( n e e ) 裂隙，裂隙多充填钙、 铁质薄膜和方解石细脉等。 坝区主要断层力学参数建议值见表2 1 。 第二二章李家峡拱坝与基础的特性及监测资料初步分析 表2 1坝区主要断层力学参数建议值表 纯摩( f 值)剪摩f 7 值( c 7 值，单位：i i l p a )天然状态模量：卸荷( 围压) ，( 单位：g p a ) 断 层围压围压变型模量( e | ，)弹性模量( e s ) 号 卸荷卸荷 水上水下水上水下破碎带影响带破碎带影响带 f n0 3 00 4 0o 3 50 3 5 ( o )0 4 8 ( 0 0 1 ) o 4 3 ( 0 0 0 5 )o 6 ( 1 5 )1 0 ( 2 0 )1 2 ( 2 8 )1 9 ( 3 8 ： f 2 ：0 3 00 4 0o 3 50 3 5 ( 0 )0 4 8 ( 0 0 1 )0 4 3 ( 0 0 0 5 )0 6 ( 1 5 )1 0 ( 2 o )1 2 ( 2 8 )1 9 ( 3 8 ： f 柚0 3 00 。3 50 3 5 ( o )0 4 3 ( o 0 0 5 )0 6 ( 1 5 )1 0 ( 2 0 )l - 2 ( 2 8 )1 9 ( 38 ： 氏0 3 00 4 00 3 50 3 5 ( o )0 4 8 ( 0 0 1 )0 4 5 ( 0 0 0 5 )0 6 ( 1 _ 5 )l _ 0 ( 2 0 )1 2 ( 2 8 )l - 9 ( 3 8 ： f lo 3 0o 3 50 3 5 ( 0 )0 4 5 ( 0 0 0 5 )0 6 ( 1 5 )1 0 ( 2 o )1 2 ( 2 8 )1 9 ( 3 8 ： r0 3 5o 4 5o 4 00 4 0 ( 0 )0 5 0 ( o 0 1 )0 4 5 ( 0 0 0 5 )0 9 ( 2 0 ) 1 _ 2 ( 2 2 )1 8 ( 3 8 )2 3 ( 4 1 l f mo 3 00 4 00 3 50 3 8 ( 0 )0 4 5 ( o 0 1 )0 4 0 ( o 0 0 5 )0 5 ( 1 o )1 o ( 2 0 )1 0 ( 1 9 )1 9 ( 3 8 ) f 拈0 3 5o 4 5o 4 00 4 0 ( o )0 5 0 ( 0 0 1 )0 4 5 ( 0 0 0 5 )1 0 ( 2 2 )1 5 ( 2 5 )1 9 ( 4 1 1 ) 2 8 ( 4 6 6 f no 3 5o 4 50 4 00 4 0 ( o )0 5 0 ( 0 0 1 )0 4 5 ( 0 0 0 5 )1 0 ( 2 2 )1 5 ( 2 5 )1 9 ( 4 1 1 )2 8 ( 4 6 6 f 0 3 50 4 50 4 00 4 0 ( 0 )0 5 0 ( o 0 1 )0 4 5 ( 0 0 0 5 ) 1 0 ( 2 2 )1 5 ( 2 5 )1 9 ( 4 1 1 )2 8 ( 4 6 6 bo 4 00 5 00 4 50 4 5 ( 0 )0 5 5 ( 0 0 1 )0 5 0 ( 0 0 0 5 )1 2 ( 2 5 ) 2 0 ( 3 o )2 3 ( 4 6 6 )3 8 ( 5 6 ) 2 8 ( 4 6 6 &0 3 5o 4 7o 4 20 4 0 ( 0 )0 5 0 ( 0 0 1 )0 4 5 ( 0 0 0 5 )1 0 ( 2 2 )1 5 ( 2 5 ) 1 9 ( 4 1 1 2 8 ( 4 6 6 f i o 3 5o 4 50 4 00 4 0 ( 0 )0 5 0 ( 0 0 1 )0 4 5 ( 0 0 0 5 )1 0 ( 2 2 )1 5 ( 2 5 )1 9 ( 4 1 1 ) f 措0 4 0o 5 00 4 20 4 5 ( 0 )0 5 0 f 0 0 1 )0 4 5 ( 0 0 0 5 )1 2 ( 2 5 )2 0 ( 3 0 )2 3 ( 4 6 6 )3 8 ( 5 6 ) 坝基开挖后，经现场岩体变形实验，西北院提出坝基开挖后的岩体变形模 量分布图见附图5 9 。 坝址区地层古老，节理裂隙十分发育，表现出了岩体构造应力卸荷松驰的 特征。岩体构造应力以自重应力场为主，右岸山体雄厚，除自重应力外，尚残存 第二章李家峡拱坝与基础的特性及监测资料初步分析 有低量级的构造应力场。在右岸一定深度内，根据组数不多的地应力测试结果分 析，第一主应力( o 。) 量值在5 8 m p a 之间，方向为n w 。河床地表以下l o 2 0 m 为卸荷形成的应力松驰区。 2 3 水文地质条件 李家峡地区属高寒高原、半干旱大陆型气候，以少雨、温差大为特征，多 年平均降雨量为3 3 1 呲，多年平均蒸发量1 8 8 1 m m ；坝址区地下水主要贮存于断层 影响带或裂隙密集带中，两岸地下水力坡降较陡，左岸0 3 o 3 3 ，右岸0 5 1 0 5 7 。两岸无集中泉水出露。 2 4 大坝安全监测概况 李家峡大坝和基础布置了较多的原型观测项目，主要项目为：环境量监测、 一等平面变形控制网、一等精密水准网、坝后高边坡监测、基础处理监测、主坝 外部变形监测、主坝内部监测、绕坝渗流监测及拱坝强震反应监测等，另外还布 置有水力学监测、滑坡监测等。 2 4 1 环境量监测 2 4 1 1 库水位 李家峡水电站于1 9 9 6 年1 2 月2 6 日下闸蓄水，至2 0 0 2 年3 月已历经五年， 期间库水位历经五次抬升过程，蓄水过程线见附图2 1 。库水位抬升统计表及 分年度库水位特征值表见表2 2 和表2 3 。 2 4 1 2 下游水位成果 尾水位资料从1 9 9 9 年开始收集，下游尾水位过程线见附图2 - - 2 ，1 9 9 9 年 以来，下游平均尾水位基本稳定在2 0 5 0 m 高程，尾水位的变动主要受电站负荷大 小的变化和泄水量变化的影响而上下波动。 2 4 1 3 气温 表2 - - 4 为分年度李家峡坝址区气温特征值统计表。由统计结果看，水库蓄 - 9 - 第二章李家峡拱坝与基础的特性及监测资料初步分析 表2 2库水位抬升统计表 阶起始水位终至水位水位升幅起始终止历时稳定区间 段( m ) ( 1 1 1 ) ( i n )时间时间( 天)( 天) 2 0 6 0 02 1 4 4 9 28 8 9 71 9 9 6 1 2 2 6i 9 9 7 1 2 63 1 6 0 8 2 1 4 5 1 22 1 4 9 1 94 0 71 9 9 8 9 2 61 9 9 8 1 0 3 03 4 2 7 9 2 1 4 9 2 32 1 5 8 7 59 5 21 9 9 9 - 8 51 9 9 9 - 8 2 31 8 2 5 4 四2 1 6 0 6 52 1 6 9 4 78 8 22 0 0 0 - 5 32 0 0 0 6 - 73 5 1 3 1 五2 1 6 8 5 6 2 1 7 8 29 6 42 0 0 1 1 0 - 3 12 0 0 1 11 2 02 0 表2 3分年度库水位特征值表 年份最低水位最高水位年变幅年平均水位 1 9 9 72 1 4 4 9 7 ( 1 i2 7 )2 1 4 5 5 9 ( 8 6 )4 8 1 22 1 4 3 8 1 9 9 82 1 4 4 6 3 ( 9 1 1 )2 1 4 9 6 1 ( 1 2 2 8 )4 9 8 2 1 4 6 0 2 1 9 9 92 1 4 6 7 0 ( 2 1 )2 1 6 0 9 7 ( 1 2 2 6 ) 1 4 2 72 1 5 2 4 3 2 0 0 02 1 5 7 7 9 ( 1 _ 1 4 )2 1 6 9 8 ( 1 1 4 )1 2 0 12 1 6 5 8 1 2 0 0 12 1 6 7 3 2 ( 3 1 7 )2 1 7 8 7 3 ( 1 2 2 6 ) 1 3 0 72 1 7 3 0 2 注：l 表中所列年份均为自然年； 2 表中特征水位高程单位为米： 。 3 表中( ) 内为日期( 月日) 。 水后，李家峡地区最低气温为一1 9 1 ，年内最低气温大多发生在1 月；最高气 第二章李家峡拱坝与基础的特性及监测资料初步分析 温为3 9 14 c ，年内最高气温通常发生在7 月下旬、8 月上旬。气温过程线见附图 2 3 。 表2 4分年度坝址区气温特征值统计表 年气温年内月平均年内月平均年气温年气温年气拦 平均值气温最高值气温最低值最高值最低值变帏 1 9 9 78 8 42 0 5 ( 7 月)一3 4 3 ( 1 2 月)3 5 8 0 ( 7 2 2 )一1 7 9 ( 1 1 1 6 ) 5 3 7 1 9 9 89 7 52 0 5 ( 7 月)一5 3 9 ( 1 月)3 4 0 0 ( 4 2 7 )一1 9 1 ( 1 1 9 ) 5 3 1 1 9 9 99 2 41 9 2 4 ( 7 月)一3 4 8 ( 1 月)3 4 2 ( 8 1 )一1 3 0 ( 1 1 5 ) 4 7 2 2 0 0 0l o 22 3 1 ( 7 月)一3 3 ( 1 月)3 9 1 ( 7 2 4 )1 3 4 ( 2 2 5 ) 5 2 5 2 0 0 19 3 82 1 2 ( 7 月)一3 2 6 ( 1 2 月)3 5