某水利枢纽工程大坝安全监测资料分析报告供参考学习

1、万家寨水利枢纽工程 大坝安全监测资料分析报告建设单位：黄河万家寨水利枢纽有限公司编制单位：水利部天津水利水电勘测设计研究院二OO二年五月总目录第卷:建设管理工作报告第二卷:建设大事记第三卷:大坝I标工程施工管理工作报告第四卷:厂房H标工程施工管理工作报告第五卷:砂石骨料生产管理工作报告第八卷:设计工作报告第七卷:建设监理工作报告第八卷:机电设备制造监造工作报告第九卷:金属结构制作监造工作报告第十卷:运行管理工作报告第十一卷：质量评定报告第十二卷：大坝安全监测资料分析报告第十三卷：水土保持及环境保护专项工作报告第十四卷：库区右岸渗漏专题工作报告第十五卷：库区防凌专题工作报告第十六卷：坝基抗滑稳定

2、处理专题工作报告第十七卷：低热微膨胀水泥应用专题工作报告第十八卷： 拟验工程清单和未完工程项目的建设安排第十九卷： 档案资料自检工作报告第二十卷： 小沙湾取水工程专项工作报告第二十一卷： 竣工安全鉴定工作报告第二十二卷： 建设征地补偿和移民安置工作报告批 准： 何志华审 定： 王宏斌 陆宗磐审 查： 郭 潇 张军劳 杜雷功 吴正桥校 核： 顾春利 李秀明编 制： 蒋志勇 张秀崧 朱伟君白俊岭 李 梅目录前言 11 工程概况及大坝安全监测布置简况 21.1工程概况 21.2监测项目及布置 22 变形观测资料分析 152.1 荷载因素分析 152.2变形观测资料的整理与分析 162.3坝体变形三维

3、有限元计算 222.4 统计模型分析 232.5位移混合模型分析 262.6大坝变形观测资料分析综述 273 渗流观测资料分析 793.1坝基扬压力资料分析 793.2坝基层间剪切带扬压力观测资料分析 823.3坝体渗透压力资料分析 834应力、应变及温度观测资料分析974.1应变计组实测资料计算分析 974.2测缝计实测资料整理和分析 1004.3抗剪平硐三向测缝计实测资料分析1034.4钢筋计实测资料分析 1044.5钢板计实测资料分析 1054.6渗压计实测资料分析 1064.7基岩变位计实测资料分析 1064.8温度计实测资料分析 1075结论与建议 1435.1 结论 1435.2

4、建议 145万家寨水利枢纽工程 1994年底开工， 1995年 5月开始大坝混凝土浇筑，大坝安全 观测仪器与设施，随坝体混凝土施工，逐步埋设安装就位，至1998年 10月水库下闸蓄水，大部分观测项目施工完成，并取得了初始值，开始或进行了正常的安全监测。至目 前大部分观测项目均已取得了系统且完整的观测资料。 受黄河万家寨水利枢纽有限公司 委托，我院承担了该工程竣工验收大坝安全观测资料分析任务。本次资料分析含概了除 近坝区岩体水平位移、垂直位移及左右岸绕坝渗流观测（甲方均已委托其他单位承担） 以外项目的大坝安全观测起始至 2001年 5 月底全部观测资料。观测资料分析依据国家 现行规程规范进行，分

5、析中除采用统计方法外，还借助于线弹性有限元对大坝位移等进 行了综合分析。通过本次观测资料分析，对该工程大坝安全监测、安全监测成果及大坝 工作状态均有了一定的认识，但由于部分观测资料的完整性、系统性较差，也给资料分 析和结论的取得带来了一定的困难，有待在今后工作中进一步地完善。在本报告的编写过程中，提到了中国水利水电科学研究院结构材料研究所张进平、 庄万康、黎利兵等专家的指导，同时得到了黄河万家寨水利枢纽有限公司领导及公司电 站管理局的大力支持，在此一并表示感谢！受时间等方面因素制约， 本次资料分析中难免有不足之处， 恳请专家们 批评指正。1 工程概况及大坝安全监测布置简况1.1 工程概况万家寨

6、水利枢纽工程位于黄河干流托克托至龙口峡谷河段内， 左岸隶属山西省偏关 县，右岸隶属内蒙古自治区准格尔旗。工程的主要任务是供水结合发电调峰，同时兼有 防洪、防凌作用。枢纽属一等大（I ）型工程，水库最高蓄水位 980.00m,正常蓄水位 977.00m,水库总库容8.96亿用,电站装机容量1080MW整个枢纽由拦河坝、坝后式厂 房、泄水建筑物、引黄取水口及 GIS开关站等建筑物组成。拦河坝为混凝土半整体直线重力坝。大坝坝顶高程 982.00m,坝顶长度443m最大 坝高105m拦河坝由22个坝段组成，其中：1#坝段为左岸挡水坝段；2#、3#坝段为引黄 取水口坝段；4#坝段为表孔坝段；5#8#坝段

7、为底孔坝段；9#、10#坝段为中孔坝段；11# 坝段为隔墩坝段；12#17#坝段为电站坝段；18#22#坝段为右岸挡水坝段。黄河在坝址区呈南北向，河谷呈宽U型，宽约430m坝基座落在寒武系中统张夏组 第五层的中厚层灰岩夹薄层灰岩上，两岸坝肩地层为寒武系上统崮山组、长山组和凤山 组的中厚层灰岩、薄层灰岩、竹叶状灰岩等地层。坝基地层呈单斜构造，岩层产状平缓，总体走向北东30°,倾向西北，倾角2°3°。在平缓单斜地层上发育有规模不大的层间褶曲、隆起及裂隙。1.2 监测项目及布置 本工程大坝观测项目有：变形观测；渗流观测；应力、应变及温度观测；水位、水 温、气温观测；水力

8、学观测。1.2.1 变形观测(1) 坝顶水平位移监测。坝顶水平位移观测采用视准线法和大气激光准直线法，布置桩号分别为下0+017.185m和0+017.51m两种方法互为校核，两端点由设置在1#、22#坝段的正、倒垂线组作为基点。(2) 坝身水平位移监测。在高程 975.00m的观测廊道内桩号下0+013.45m处布置 一条单向引张线，两端点与 1#、 22#坝段的正、倒垂线组相结合，中间与 7#、 14#坝段的 正、倒垂线组相结合。1.2.2 垂直位移监测(1) 坝顶垂直位移监测。在每个坝段的坝顶上埋设一个沉陷标点，采用精密水准 测量方法进行观测。(2) 坝基垂直位移监测。在灌浆廊道内每个坝

9、段埋设一个沉陷标点，采用精密水 准测量方法进行观测。1.2.3 坝体挠度监测在 1#、 7#、 14#、 22#坝段各布置一条正、倒垂线组观测坝体挠度，并为大坝变形观测提供基准值。倒垂线深入基岩深度：1#坝段为42m 7#坝段为30.9m； 14#坝段为35m 22# 坝段为 45m。1.2.4 坝基倾斜监测在14#坝段灌浆及扬压力观测廊道内，桩号坝0+323.80m高程898.50m处顺流向安 装三台RJ型电容式静力水准仪，并以14#坝段倒垂线作为基点。1.2.5 坝基扬压力监测选择 2#、 5#、 11#、 14#、 20#坝段 5个横向监测断面，每个断面布置 4个以上监测孔， 纵向监测断

10、面选在灌浆廊道内，每个坝段布置 1 个监测孔，另在 6#、 10#、 15#、 18#坝段 布置 4 个深层承压水监测孔，共布置 59 个扬压力监测孔。1.2.6 绕坝渗流监测 在左右岸各布置 8 个监测孔，监测绕坝渗流情况。1.2.7 渗漏量监测(1) 坝体渗漏量监测。在灌浆廊道上游排水沟内于9#、15#坝段集水井的左右两侧各布置1台YL型电容式量水堰渗流量仪，共 4台。(2) 坝基渗漏量监测。在灌浆廊道下游排水沟内于9#、 1 5#坝段集水井的左右两侧各布置了 1台YL型电容式量水堰渗流量仪，以监测主排水孔的渗漏量，共4台。1.2.8 应力、应变及温度监测(1) 温度监测。在5#、14#、

11、21#三个典型坝段内，依高程不同，每隔 1015m布设 一排温度计，每排35个测点进行坝体温度观测；在坝踵、坝趾及坝基中部，沿铅直方向在基岩内距建基面0.0、1.5、3.0、5.0m各布置一支电阻温度计进行基岩温度监测。(2) 纵横缝开合度监测。在典型坝段的各条纵、横缝及左右岸坡坝段的横缝上布 置测缝计，监测缝面开合度变化情况。(3) 坝体渗透压力、泥沙压力监测。在5#、14#坝段观测断面高程904.50m和906.00m 布置两排10支渗压计，与坝面的距离为 0.25、1.05、2.55、4.55、7.65m；在5#、14# 坝段高程948.00m以下，每隔10m左右布置一对土压力计和一支渗

12、压计。(4) 坝体应力、应变监测。在典型坝段的基础截面布置五向应变计组、无应力计， 以监测该截面的应力应变；在坝踵部位埋设应变计、测缝计进行应力应变和缝面变化监 测；在岸坡坝段布置单向应变计及基岩变位计监测坝肩的受力和变形情况。( 5)钢筋应力监测。在 5#坝段底孔孔口、闸墩及 9#坝段排水泵房等部位布置钢筋 计进行钢筋应力监测。(6)压力钢管监测。在 14#电站坝段压力钢管的上弯段、斜直段及下弯段截取三个 垂直于钢管轴线的剖面，在每个剖面的上下、左右侧布置钢板计、钢筋计、测缝计、渗 压计、应力计及无应力计对压力钢管的工作状态进行监测。1.2.9 水位、水温、气温监测(1) 水位监测：大坝在水

13、库下闸蓄水前采用上下游水尺进行水位监测，电站机组 投入运行后利用 19#坝段及电站尾水平台的水位计进行监测。(2) 水温监测：选择上游坝面作为监测断面，利用5#、 14#、 22#坝段布置的电阻温 度计进行水温监测。(3) 气温监测：利用坝址附近即左岸山体上游侧和右岸坝段布置的两个气温观测点，安装百叶箱，采用电阻温度计进行气温监测。1.2.10 坝基抗剪平硐应力应变监测（1）应力应变监测：在 3 条坝基抗剪平硐内共埋设 20套五向应变计组和无应力计， 以监测平硐混凝土内应力状况。（2）温度监测：在平硐内共埋设温度计 63 支，进行回填混凝土温度监测。（3）周边回填缝开度监测：在 3 条平硐及部

14、分支硐内选择 10 个观测断面，每个断 面分别在两侧及顶部各布置 1 支测缝计，共计 30支，以监测周边回填缝的开合度。（4）剪切带变形监测：在平硐内 SCJ08 SCJ10剪切带上各埋设6套3DM-200型三 向测缝计，共计 12 套。万家寨水利枢纽工程大坝安全监测测点及仪器布置见图1-1图1-10。2 变形观测资料分析2.1 荷载因素分析2.1.1 水位荷载本工程 1998 年 10 月 1 日下闸蓄水， 1998 年 11 月 25 日到达施工初期运行水位 960.00m。至2001年5月底，水库库水位在 929.50m至974.54m之间变动，其中2000 年3月24日水位降至最低，为

15、929.50m； 2001年4月17日水位升至最高，为974.54m。 在此期间，库水位主要经历了 4次大幅度的变化， 分别是 1998年 10月的蓄水过程， 1999 年 3 月和 2000年 3 月库水位的降升过程， 2001 年 3、4月的库水位升高过程。 库水位变 化过程线见图 2-1 。水荷载是坝体及坝基变形的主要影响因素之一。理论分析表明，坝体变形可以用水位的14次方表示，本次回归计算分析采用 h、h2、h3、h4作为水位分量的因子（其中， h=H/100,H 为测时当天的平均库水位）。从回归计算所得的统计模型看，现有变形监测 项目的部分测点的实测值统计模型中没有引入水位因子， 其

16、原因与大坝前期尚处于边建 设边运行之中，观测资料相对较短，而其它因素（如温度、时效等）对大坝变形的影响 较水荷载相对明显有关。为弥补现有资料相对较短，并利用有限元计算结果求出水位与 外部变形的关系方程，将此方程作为一个因子，结合实测资料，建立了外部变形混合模 型。有限元计算及分析详见 2.3 节。2.1.2 温度荷载气温是影响坝体运行状态的重要外部条件，对坝上、下游水温、坝体混凝土温度、 坝基温度有直接影响，从而影响到坝的变形、应力、渗透等。4页脚内容万家寨水利枢纽坝址地处北纬 39.6 °，该地区属温带季风大陆性气候， 冬季寒冷且 时间漫长，气候干燥，多风沙；夏季炎热；春、秋季短。

17、气温年、季及昼夜变化大，骤 降频繁。统计资料表明，本工程所在地区， 一年四季均有寒潮发生， 且寒潮降温幅度大， 覆盖时间长。实测枢纽工程区气温变化过程线见图 2-2 。因气温资料仅到 2001年 3月 21日，为 使环境量相对完整，便于回归分析，对此后 4、5 两个月的气温，用 2000年同期的资料 进行补充。根据 1995年12月9日至 2001年 3月 31日每天平均气温的统计，在此时段 内坝址处最高气温出现在1998年6月29日，最高气温为32.8 C；最低气温出现在1998 年1月18日，最低气温为-21.9 C。在进行坝体变形回归分析时，根据本工程的实际情况，采用了两类温度分量因子：

18、 一类为前期平均气温因子，包括 T7、T15、T30、T60、T90、T120 等（下标表示所取测时前的 22天数）；一类为周期因子，包括 sin（s）、sin （s）、cos（s）、cos （s）和 sin（s） cos（s）, 其中，s=2 n t ' /365 , t '为测时距分析起始日期的时间长度（天）。变形测点实侧值 回归议程中送入的年周期、半年周期和测时前期气温平均因子不全相同，反映了因测点 位置不同，受温度边界条件影响（气温、水温）程度的不同。2.2 变形观测资料的整理与分析本次资料分析中，位移方向按常规设定为：水平位移向下游及向左岸位移为正，上下游方向为纵轴丫

19、，左右岸方向为横轴X;垂直位移向下为正。数据可靠性检查及精度估计方法 在进行观测资料的整理分析前，对观测数据进行了可靠性检查，并对其中不可避免 地存在的以下三类误差分别进行了处理。（1）疏失误差（人工误差） ：是指由于观测人员的疏忽而产生的误差，如仪器操 作错误、记录错误、计算错误、计算机输入错误等。本次分析工作开始时，大坝观测自 动化系统尚未投入正常运行，分析采用的所有资料均为人工观测、人工计算后输入到计 算机，所以资料中疏失误差难以避免。因此，在资料分析前，对原始记录进行了大量的 复核，对明显的疏失误差进行了插值补缺或非真值剔除。（ 2）系统误差：是指由于观测设备、仪器、操作方法不完善或外

20、界条件变化所引 起的一种有规律的误差，如电缆接长或剪短、电缆接头硫化处理不当、不同测时更换测 量仪器等，其可能的形式较为复杂，比疏失误差难于发现和处理。对这种误差，首选将 观测数据中的系统性变化（如系统性跳动或趋势性变化）分辩出来，然后根据测量系统 的工作特性及结构变化对其产生的原因进行判断。 对判定为测量因素引起的系统性变化 （系统误差），采用曲线平移的方法进行必要的处理。（3）偶然误差：是指由于若干偶然原因所引起的微量变化的综合作用所造成的误 差。对具体观测项目而言，可以对测点的理论观测精度进行估计，但重要的是实测值的 测量精度，它直接关系到测值的实用价值。对观测数据进行回归分析时，不存在

21、严重欠 拟合现象的条件下，其剩余量主要是由观测的偶然误差引起的，对不同的观测项目，用 剩余标准差 S 对测量精度的上限进行了估计。2.2.2 水平位移监测资料的整理分析（1）坝顶视准线视准线布置在坝顶桩号0+017.185m处，共21个测点。视准线以1#、22#坝段两端作 为变形观测基点， 通过 1#、 22#坝段正、倒垂线组测得的坝顶水平位移进行绝对位移转换， 由于 1 #坝段正、倒垂线组因各种原因未取得连续完整的测值，所以本次分析也无法换算得出坝顶绝对水平位移的系列测值。为了解坝顶的绝对水平变位，工作中通过对已完成 的大坝外部变形控制网测量的成果的初步分析， 再根据相同或相近测时视准线及引

22、张线 测量结果，换算出各测点 4 个测时的绝对位移，作出绝对位移沿坝段的分布图。由于只 可以换算出 4 次绝对位移，测次较少，无法对坝顶绝对位移进行过程分析，所以本次重 点分析坝段的相对水平位移。视准线始测日期为 1998年10月16日，视准线测值过程线见图 2-3，不同日期测值 相对于1#、22#坝段的位移分布曲线见图2-9图2-11 ,视准线测值与库水位年相关图见 图 2-23、图 2-24。通过外部变形控制网 5 次测量结果，换算出的坝顶各测点绝对位移 分布图见图 2-12，各测点相对位移特征值统计见表 2-1 。当不考虑温度和时效时，坝体水平位移计算结果和水位相关线为单值曲线，作7#、

23、14#坝段坝顶视准线测值与水位年相关图（见图 2-23、图 2-24），可以看到，相关线并 不为单值曲线，可见影响坝顶水平位移的不仅仅是水位荷载。为进一步分析气温和时效是否对坝顶水平位移产生影响， 分别作出各坝段同水位同 气温位移分布图（图 2-9）、同水位不同气温位移分布图（图 2-10）、不同水位同气温 位移分布图（图 2-11）【此处所说的同气温，并不是指测时气温，因为气温对坝体位移 的影响有一定的滞后，真正影响坝体位移的是测时前一段时间的平均气温，这一点在统 计模型分析中能反映出来，故在气温无反常的情况下，取月份相近的测时，认为两测时 前期平均气温基本相同】。视准线同水位、同气温位移分

24、布图（图 2-9 ）中，两次测时相差一年，但各坝段坝 顶位移基本相等，说明时效对坝顶水平位移影响很小或基本没有影响。视准线同水位、不同气温位移分布图（图 2-10 ）中，两测次测时月份不同，分别为 5月和10月，从测时前期平均气温（测时前 12月）来看，10月份前期平均气温较5 月高， 1999年 5月 19日各坝段坝顶水平位移测值比 2000年10月 6日的大很多（右边 4 个坝段除外），说明气温与坝顶水平位移呈负相关，气温越高，坝顶向下游的水平位 移越小。右边 4 个坝段两次测值变化不大， 可能是因为这 4 个坝段受右岸山体和下游主、 副厂房的影响，受日光直接照射的时间较少，坝体内温度随气

25、温变化幅度较其它坝段相 对要小。视准线不同水位、同气温位移分布图（图 2-11 ）中，两测次测时均在 2月份，气温 对坝顶水平位移的影响应基本相同，但水位 961.31m时，各坝段坝顶的水平位移较水位 955.25m时要大，说明随着库水位的升高，坝顶水平位移增大。从视准线位移分布图（图 2-9、图2-10、图2-11）还可以看到，坝顶水平位移分布 呈河床坝段大，边坡坝段小的趋势，这符合坝体变形分布规律。同时，由外部变形控制 网测量成果初步分析的 1#、22#坝段测点位移，通过视准线换算出的 7#、14#坝段坝顶水 平位移值基本相同。【图 2-12为由外部变形控制网测量成果初步分析的 1#、22

26、#坝段测 点水平位移值，结合视准线测量结果换算出的坝顶各测点水平位移绝对值的分布】综上所述，坝顶各测点水平位移测值并不是单一的与水位或气温变化相关，而是受 两者综合作用的结果。当库水位升高时，坝顶水平位移向下游增大，反之减小；当气温 升高时，坝顶水平位移向上游增大，这一变化符合坝体变化规律。视准线过程线图中， 几乎所有测点水平位移测值在 2000年 4 月下旬有一明显增大的过程，这主要是因为在 该时段水位明显升高，到970.00m高程左右，水位升高使坝顶水平位移向下游明显增大； 而 2000年 7 月下旬坝顶水平位移有一明显减小的过程，这主要是因为在该时段水位下 降，而气温明显升高，两者的综合

27、作用，造成坝顶水平位移偏向上游。 2001年 4月份水 位升到最高，最高达974.54m,而此时气温也较低，绝大部分测点水平位移最大值也出 现在此时段，说明水位和气温变化对坝顶水平位移影响明显。从各坝段相对于 1#、22#坝段变位测值的统计（见表 2-1）可以看出：向下游最大位 移出现在2001年4月11日的13#坝段，最大位移值为13.90mm最小位移出现在1999 年2月20日的3#坝段，最小位移为-3.14mm；最大变幅发生在11#坝段，为15.70mm各 测点变幅为 3.0415.70mm。（2）高程 975.00m 观测廊道引张线引张线布置在高程975.00m观测廊道桩号下0+013

28、.45m处，共21个测点。引张线 两端也以 1#、22#坝段正、倒垂线组测值为基准，因垂线的原因，本次也只重点分析引张 线各测点的相对位移。引张线始测日期为 1998年10月12日，引张线过程线见图 2-4，不同日期测值相对 于1#、22#坝段的位移分布曲线见图2-132-15。通过大坝外部变形控制网5次测量结 果换算出的引张线各测点绝对位移分布图见图 2-16，各测点相对位移特征值统计见表 2-2。通过7#、14#坝段高程975.00m廊道引张线测值与水位年相关图（见图2-25、图2-26）, 可以看到，相关线也不是单值曲线，可见影响测点水平位移的也不仅仅是水位荷载。同视准线一样，分别作出各

29、坝段同水位同气温位移分布图（图 2-13）、同水位不同 气温位移分布图（图 2-14）、不同水位同气温位移分布图（图 2-15），以进一步分析 气温和时效是否对高程975.00m处的水平位移产生影响。引张线同水位、同气温位移分布图（图 2-13）中，两次测时相差一年，但各坝段引 张线实测位移基本相等，说明时效对高程975.00m处水平位移影响很小或基本没有影响。引张线同水位、不同气温位移分布图（图 2-14）中，两测次测时月份不同，分别为 3月和 10月，从测时前期平均气温（测时前 12月）来看， 10月份前期平均气温较 3 月高， 1999年 3月31 日各坝段坝顶水平位移测值比 2000年

30、10月7日的大很多，说明 气温与测点处水平位移呈负相关。气温越高，测点处向下游的水平位移越小。引张线不同水位、同气温位移分布图（图 2-15）中，两测次测时在 4、 5月份，气 温对坝顶水平位移的影响应基本相同， 但水位973.43m时各坝段坝顶的水平位移较水位 970.13m时要大，说明随着库水位的升高，坝顶水平位移增大。为进一步分析高程975.00m观测廊道处水平位移与库水位的关系，取1999年2、3月份短时间内（气温对水平位移影响很小）库水位大幅度变化时，7#、 14#坝段的几次测值作出库水位与测点水平位移相关图（见图 2-27、图 2-28） 。从相关图可以看到，位 移与水位相关关系明

31、显，且水位下降过程与水位升高过程的相关线几乎完全重合，说明 坝体处于弹性变形。 分别将这几次测值与有限元计算结果进行比较 （见表 2-9、表2-10）， 绝大部分实测位移值比有限元计算结果稍小（此处位移测值为相对 1#、 22#坝段的位移， 这会对实测位移结果有一定的影响），但两者的变化规律基本相同。各坝段水平位移分布呈边坡坝段小、 河床坝段大，符合坝体水平位移分布规律。 【图2-16 为由外部变形控制网测量结果初步分析的1#、 22#坝段测点水平位移值，结合高程975.00m 廊道引张线测量结果换算出的高程 975.00m 廊道引张线各测点水平位移绝对值 的分布】同时从测值过程线可以看到，各

32、坝段测值过程线变化趋势基本相同，且随水位和气 温综合影响变化趋势明显，当库水位升高时，各测点水平位移向下游增大反之减小；当 气温升高时，各测点水平位移向上游增大。引张线过程线同视准线测值一样，所有水平 位移测值在 2000年4月下旬有一明显增大的过程， 而在 2000年7月下旬坝顶水平位移 有一明显减小的过程， 这与视准线反映的规律一致， 是水位、气温两者综合影响的结果。 2001年 4月份水位升到最高， 而引张线绝大部分测点水平位移最大值也出现在此时， 也 说明水位变化对坝顶水平位移影响明显。 对比视准线和引张线各测点测值过程线可以看 到，引张线测值过程线较视准线平滑，说明引张线测量精密较坝

33、顶视准线高，这从两个 项目各测点测值统计模型回归标准差也能看出。各测点实测水平相对位移的统计（见表 2-2 ）表明：向下游最大位移出现在 2001 年4月16日的14#坝段，最大位移为13.01mm最小位移出现在1998年10月20日的 9#坝段，最小位移为-1.60mm；最大变幅为14#坝段的13.01mm各测点变幅为2.05 13.01mm从统计结果看，引张线所反映的位移变化规律和视准线基本一致。2.2.3 垂直位移监测资料的整理分析（1 ）坝顶垂直位移坝顶垂直位一移采用精密水准测量方法定期观测，每个坝段布置一个沉陷标点（4#坝段两个测点），共 23个测点。坝顶垂直位移从 1998年 10

34、月 12日始测，各测点垂直 位移过程线见图 2-5，不同时段测值分布曲线见图 2-17图2-20，特征值统计见表 2-3。分别作出各坝段坝顶垂直同水位同气温位移分布图 （图 2-17）、同水位不同气温位 移分布图（图 2-18）、不同水位同气温位移分布图（图 2-19），以进一步分析库水位、 气温和时效对坝顶垂直位移的影响。同水位、同气温坝顶垂直位移分布图（图 2-18 中），两测次测时月份不同，分别 为 1999 年 2 月和 2000 年 6 月，测时气温相差较大， 从测时前期平均气温 （测时前 1 2 月）看， 2000年 6 月份前期平均气温较 1999年 2 月份前平均气温高， 19

35、99年 2月 9日 各坝段坝顶垂直位移测值比 2000 年 6 月 30 日的大很多。 说明坝顶垂直位移与气温呈负 相关，气温越低，坝顶重直位移越大，且气温对坝顶垂直位移的影响较大。不同水位、同气温坝顶垂直位移分布图（图 2-19）中，三次测时均在 4月份，气温 对坝顶垂直位移的影响应基本相同，但不同水位时各坝段坝顶垂直位移基本相同，说明 库水位对坝顶垂直位移影响不大。各坝段坝顶垂直位移分布曲线（图2-172-20）反映出，坝顶垂直位移沿坝段分布 呈河床坝段大、边坡坝段小的规律，不同时间的分布规律基本相同，从分布图中可以看 出， 4#坝段垂直位移较相邻坝段偏小，这可能是因为该坝段为表孔坝段，体

36、型和其它坝 段有一定区别，太阳照射对坝顶垂直位移的影响较其它坝段相对较小。从坝顶垂直位移过程线也可以看到，测值随气温变化较水位明显，呈周期性变化。 坝顶垂直位移除受坝体刚性变化影响外，受坝体下游面混凝土热胀冷缩影响较大，气温 上升，垂直位移减小。主要是因为坝体下游面在日照条件下，气温升高时，下游面升温 膨胀，致使坝体向上游倾斜，坝顶下游垂直位移测点处上升，符合混凝土重力坝坝顶垂 直位移变化规律。从 2000 年 3 月以后，过程线较前期平滑，说明后期坝顶垂直位移测 量精度较前期高。对坝顶各测点实测垂直位移的统计（见表 2-3）表明：最大位移出现在 2000 年 2 月17日的16#坝段，最大位

37、移为12.02mm最小位移出现在1999年9月9日的17#坝段， 最小位移为-0.67mm；最大变幅发生在16#坝段为12.02mm各测点变幅为5.3112.02mm 从统计结果看，各测点垂直位移最大值均出现在2、3 月份，主要因为该时段气温较低，从而进一步说明了坝顶垂直位移随气温下降而增大的规律， 同时也说明气温是影响坝顶 垂直位移变化的主要因素。（ 2）坝基垂直位移坝基垂直位移通过埋设设灌浆廊道内的沉陷标点，采用精密水准测量方法进行观 测，每一坝段一个测点，共 22 个标点。原设计通过 14#、22#坝段高程传递孔，采用因瓦 钢尺进行高程传递，实际现场测量时，高程由布置在大坝下游河床两侧的

38、近坝区岩体垂 直位移控制网点引入廊道。对大坝外部变形观测资料初步分析的结果显示，近坝区岩体 垂直位移控制网点没有垂直位移现象。坝基垂直位移从 1998年 10 月 2 日始测，各坝段测点测值过程线见图 2-6，不同时 段测值分布曲线见图 2-21 、图 2-22，特征值统计见表 2-4。作各坝段测点同水位、同气温测值分布图（图 2-21 ），两次测值相隔一年，在库水 位和前期气温基本相同的情况下， 2000 年 2 月 20 日各坝段的测值比一年前大，说明坝 基垂直位移有明显的时效影响。坝基重直位移主要受自重等的影响，其沿各坝段的分布 规律也呈河床段大、边坡坝段小的分布规律，与坝高变化基本一致

39、。从坝基垂直位移过程线图可以看到，测值变化不够平滑，测量精度较差。测值过程 线与水位、气温关系不明显，但过程线总体呈上升趋势，说明坝基垂直位移随时间仍有 增大趋势，时效位移依然存在。对坝基各测点实测垂直位移的统计： 最大位移出现在 1999年 7月25日的 14#坝段， 最大位移为7.32mm最小位移出现在2000年10月26日的1#坝段，最小位移为-5.49mm； 最大变幅发生在1#坝段，为7.44mm各测点变幅为3.237.44mm在 1#、7#、14#、 22#坝段布置正、倒垂线组，对坝体挠度进行观测，共计布置测点15 个。坝体挠度从 1998年 9月 30日开始观测，各垂线测点坝体位移

40、过程线见图 2-7、图 2-8，各测点位移特征值统计见表 2-5、表 2-6。从测值过程线可以看到，坝体垂线值规律性较差。经现场检查， 7#坝段倒垂垂线贴 壁，造成测值失真，其它坝段是否也有此种情况，有待进一步查实。而 1#坝段由于各种 原因造成测值较少，新增的倒垂又刚投入运行，测值不连续，从而无法进行深入分析。 因此，坝体垂线位移特征值（见表 -5、表 2-6 ）有待考证。1#、22#坝段垂线组作为坝顶视准线、高程 975.00m观测廊道引张线的基准点，其测 值的好坏直接关系到视准线和引张线测值转换成绝对位移时的准确性。 因垂线测值的不 可靠，使得本次分析无法将水平位移转换成绝对位移进行分析

41、，仅将外部变形控制网测 量结果进行初步分析后，作出了以上两个观测项目 4次观测的绝对位移分布图。外部变 形控制网坝顶各控制点的丫向绝对位移值见表2-7，由控制网测量结果初步分析的1#、 22#坝段位移，通过视准线（上、下游方向）、引张线换算出坝顶各测点丫向绝对水平位移分布见图 2-12 和图 2-16。2.3 坝体变形三维有限元计算为配合本次观测资料的分析， 对 7#、 14#坝段分别进行了三维有线元计算，主要目的是通过三维有限元模型对大坝的水平、 垂直位移进行计算， 求出坝体变形和水位的关系， 再结合实测变形资料进行回归计算，得到坝体变形混合模型。采用ALGOR FEA软件，对全坝段建立三维

42、线性有限元模型，模拟实际情况进行计算分析。计算基本假定：2.3.1 混凝土及基岩为各向同性弹性体；2.3.2 基岩自重变形已经完成；2.3.3 坝体与基础岩体固结完好，不存在坝体与基岩之间的滑动；2.3.4 坝基上、下游岩石为透水体，不承担水荷载。有限元计算模型包括大坝坝体，上、下游长度各取23倍坝高，基岩浓度取1.5 2倍坝高。实际选取的7#坝段有限元计算模型上游起于桩号 0-300.00mm,下游止于桩号 0+350.00m,基底高程为749.00m,沿坝轴线方向取一个坝段，长 19m模型如图2-29 所示；14#坝段有限元计算模型上游起于桩号 0-200.00m，下游止于桩号0+320.

43、00m,基 底高程为726.00m,沿坝轴线方向取一个坝段，长 24m模型如图2-30所示。模型边界条件：基岩底部、上下游而面约束；坝体混凝土及基岩两侧约束 X方向(沿 坝轴线方向)位移。计算工况及荷载组合：本次计算共分 6 种工况，分别采用 980.00m、 970.00m、 9660.00m 960.00m 952.00m 948.00m六种水位进行计算。计算荷载组合各工况均为 坝体自重、水压力、泥沙压力及扬压力荷载。水压力及泥沙压力大小随深度线性变化， 渗透压力加在坝体底部，在计算扬压力时考虑到上游防渗帷幕和主排水的作用，对扬压 力进行折减，折减系数 0.25 ，折减位置在桩号下 0+0

44、04.00m。计算得坝体各部位变形值见表 2-8 。2.4 统计模型分析对变形测值序列进行回归分析的主要目的是：了解变形可恢复部分的主要影响因 素，认识坝体及基础在其影响下的变形性态，在一定条件下与计算进行比较相互验证； 确定有无时效变化，如果有的话，对其发展情况，如速率、变化幅度等作出估计，对其 产生的原因进行解释， 并结合有关测点及其它变形量的情况对是否存在异常情况作出判 断；对观测精度作出大致估计，以确定数据的实际应用价值。任意一变形监测量的的回归方程组成如下：S =S (H)+ S (T)+ S (t)即变形量由水位、温度、时效三个分量组成，本次回归分析对各分量采 用如下因子：水位分量

45、S (H):在水压作用下，大坝任一测点产生水平位移S (H)由三部分组成(静 水压力作用在坝体上产生的内力使坝体变形而引起的位移； 在地基面上产生的内力使地 基变形而引起的位移；库水重作用使地基面转动所引起的位移)，理论分析可知，水压 引起的位移分量可用水位的14次方表示，本次采用h的14次方作为回归因子(其 中，h=h' /100 , h'为测时当天的平均水位)。温度分量S （T）:是由于坝体混凝土和基岩温度变化引起的位移。在进行回归分析 时，可以选择坝体或基岩内埋设的温度计的测值作为因子，也可选择坝址处气温作为因 子，但因坝内温度计埋设较多，且分布的部位不同，很难用某一支温

46、度计反映坝内温度 总体变化，而要用所有温度计测值作为因子，则计算工作量太大，故本次分析采用坝址 气温作为温度回归因子。 根据本工程实际情况，采用了两类温度分量因子（见 节）。时效分量 S （t） :大坝变形产生时效分量的原因复杂，它综合反映坝体混凝土和基 岩的徐变、塑性变形以及基岩地质构造的压缩变形，同时还包括坝体裂缝引起的不可逆 变形以及自生体积变形。一般正常运行的大坝，时效位移的变化规律为初期变化急剧， 后期渐趋稳定。 根据时效变形规律， 采用 t 、ln（l+t） 、e-kt 这三项函数作为时效因子 （其 中：t = t ' /30 , t '同前；k 取 0.01 ）。

47、2.4.1 坝顶视准线坝顶视准线 21个测点全部观测数据统计回归方程见表 2-11，回归结果分量统计见 表2-17，回归复相关系数为0.78450.9602，其中大部分在0.80.9之间；测值回归 标准差在0.3362.358mm之间。（1）全部测点均选入了水位因子，表现出随水位升高位移量增大变化规律，且从 水位分量变幅所占比例可以看出，水位分量变幅比温度分量变幅稍大，水位变化是坝顶 水平位移的主要影响因素。（2）全部测点均选入了温度分量，表现出温度升高，坝顶水平位移减小，其分量 变幅略小于水位分量，说明温度是次于水位的又一主要影响因素。（3） 部分测点选入了时效因子，测点表现出了位移的趋势性

48、变化。变幅在1.11 6.63mm之间。绝大部分测点未选入时效因子，主要是因为时效分量在坝顶水平位移中所 占比重很小，而水库运行初期，影响坝顶水平位移测值的因素较多，使得时效位移分量 表现不明显。高程975.00m观测廊道引张线高程975.00m观测廊道引张线21个测点全部观测数据统计回归方程见表 2-12，回 归结果分量统计见表 2-18，回归复相关系数为 0.66750.9776，其中，仅 21#坝段为 0.6675，其余均在0.9以上；测值回归标准差在 0.1850.832mm之间，绝大部分在0.6mm 以下，除 21#坝段外，其余坝段测值回归效果较好，说明该项目的测量精度也较高。（1）

49、全部测点均选入了水位因子，表现出随水位升高位移量增大的变化规律，且 从水位分量变幅所占比重可以看出， 水位变化是高程975.00m廊道产生水平位移的主要 影响因素，和坝顶视准线所反映的规律一致。(2) 全部测点均选入了温度分量，其变幅略小于水位分量，说明温度是次于水位 的又一主要影响因素。从分量统计表中不难看出，由于坝体结构形式的不同，温度分量 呈明显的分段，这主要是因为温度对坝体变形的影响主要取决于坝体结构形式。(3) 大部分测点选入时效因子，测点表现出了位移的趋势性变化。变幅在0.716.92mm之间，时效位移大致呈从边坡坝段向河床坝段增加的趋势。2.4.3 坝顶垂直位移坝顶垂直位移 23

50、个测点全部观测数据统计回归方程见表 2-13，回归结果分量统计见表 2-19 ，回归复相关系数为 0.88490.9616，绝大部分均在 0.9 以上，测值回归标准差在0.4921.208mm之间。(1) 小部分测点入选了水位因子，且水位分量所占的比重相对温度分量要小，说明水位不是影响坝顶垂直位移最主要的因素，符合坝顶垂直位移变化规律。同时，因大 坝完建时间尚短，坝体内温度、时效变形等尚未完全稳定，水库运行也无规律，这些都 可能导致水位分量在坝顶垂直位移中反映不很明显。(2) 所有沿点均选入了温度因子，最大温度变形值(下沉)出现在2、3月份，最 小值出现在810月份，温度分量变幅为3.038.

51、77mm在坝顶垂直位移中，气温是最 主要的影响因素，气温高时，坝顶垂直位移减小，气温低时坝顶垂直位移增加符合一般 规律。(3) 半数测点入选了时效因子，绝大部分测点表现出以对数或指数形式趋于稳定的下沉变化，变幅在0.552.31mm之间。2.4.4 坝基垂直位移坝基 22个测点垂直位移全部观测数据的回归结果及分量统计见表 2-14 和表 2-20， 回归复相关系数为 0.62100.9138，大部分在0.7左右，标准差在 0.5801.145mm之 间，说明坝基垂直位移观测数据精度较差，回归方程的效果也较差。(1) 仅半数测点入选了水位因子，大部分测点回归主程中都没引入水位分量，主 要是因为坝

52、基垂直位移的影响因素较多，水位荷载不是主要影响因素，同时，测值误差 较大，也导致水位分量变化影响不明显。(2) 绝大部分测点入选了温度因子，但温度分量的变幅不大，大部分温度分量变幅均小于1mm这是因为基础廊道内测点的温度变化是由测点所在平面。以上部位的坝体及基础年周期温度变化引起的，与上部结构相对，该部位坝体及基础的平均温度变化要小得多（3）所有测点均入选了时效分量，全部测点表现出了下沉的趋势性变化，变幅在1.015.29mm之间。从表2-20可以看到，时效分量呈河床坝段大，边坡期段小的分布 规律，这种分布形式与结构因素（自重、水荷载等）相对应，即自重大者其时效分量也 大，表明时效变化主要是坝

53、基受荷载作用后的徐变变化。2.4.5 坝体挠度坝体垂线X向测值回归方程见表2-15，X向位移回归结果分量统计见表 2-21 ；坝体 垂线丫向测值回归方程见表2-16，丫向位移回归结果分量统计见表 2-22 o垂线 X 向测值回归复相关系数为 0.54790.9576，测值回归标准差在 0.599 2.568mm之间；垂线丫向测值回归复相关系数为 0.63070.9280，测值回归标准差在 0.2783.436之间。在垂线X、丫向所有测值的回归复相关系数中，绝大部分均小于0.8， 最低可达 0.5479 ，说明回归方程的效果很差， 而所有测点的回归标准差中， 绝大部分均 大于1mm且有不少大于2

54、mm说明测值精度较低，这和测值过程分析结果是一致的。2.5 位移混合模型分析2.5.1 位移混合模型的建立鉴于统计模型属于经验模型，它存在下列问题：（1）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 时，那么由这些资料建立的数字模型将不能用于安全监控和测值预报。（2）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， 对大坝的工作性态不能从力学概念上加以本质解释。（3）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。 针对上述问题，对水压分量采用有限元计算结果拟合出的位移与水位关系方程，其它分量仍用统计模式，然后与实测值进行优化拟合，得到位移混

55、合模型。有限元计算见2.3 节。根据7#坝段有限元计算结果建立的坝段位移 S 1与h （其中，h=h' /100,h '为测时 当天的平均水位）关系式如下：坝顶水平位移与水位关系式：S 1=-1364.51120h 4+52792.13846h3-765825.21534h2+4936828.84757h-.87770高程975.00m观测廊道水平位移与水位关系式：1=-210.13332h 4+8184.92416h3-119469.42655h+774521.63617h-1881843.23694根据14#坝段有限元计算结果建立的位移 S i与h (其中，h=h'

56、 /100,h '为测时当天的平均水位)关系式如下：坝顶水平位移与水位关系式：1=-58.30534h 4+2332.56281h3-34859.64086h+230765.23876h-571168.85094高程 975.00m 观测廊道水平位移与水位关系式：S 1=-91.28586h 4+3580.12035h3-52560.95248h 2+342419.66755h-835338.26535 将上述各式作为一个因子与温度、时效因子一起对各项目位移测值进行回归分析， 可以得到位移的混合模型。其中，1#11#、20#22#坝段用7#坝段有限元计算成果，12# 19#坝段用 14

57、#坝段有限元计算成果。分析时段以及温度、时效因子同统计模型，各项目 测点的混合模型见表 2-23表 2-24。2.5.2 位移混合模型分析( 1 )视准线位移混合模型视准线位移混合模型见表 2-23。各测点混合模型复相关系数在 0.74100.9615 之 间，大部分在0.8左右，回归标准差在0.3682.669mm之间。可以看到，视准线位移 混合模型的拟合情况较统计模型稍差，在建立位移混合模型时，水位位移关系式在所 有回归因子中显著程度不高，往往要强行才能将其留在方程中。这主要是因为：拦河 坝尚处于蓄水运行的初期阶段，各种其它因素对坝顶水平位移影响较大，而库水位对坝 顶水平位移的影响尚反映不出理论上的规律， 这从统计模型中各测点引入的水位因子各 不相同就有所反映； 分析计算所采用的坝顶水平位移