彭家道口分洪闸垂直位移观测与资料分析

【摘 要】 水闸垂直位移观测是水闸日常管理工作中的重要组成部分，为水闸整体稳定性演算提供可靠的依据。通过对观测数据的整编分析，可以掌握水闸的运行状态及运行情况，为今后水闸的运行管理及科学研究提供最可靠的基础数据，所以水闸观测数据的分析工作不容忽视。

【关键词】 水闸 垂直位移 观测 分析

1 概述

1.1 工程概况

彭家道口分洪闸位于山东省临沂市境内，分沂入沭水道入口处。该闸始建于1974年，2000年12月至2002年5月进行了加固改造，是沂沭河洪水东调南下的控制性工程之一。工程按50年一遇洪水设计，100年一遇洪水校核，设计流量4000m3/s，校核流量5000m3/s。该闸为开敞式结构，共19孔，每孔净宽10m，总宽213.4m。

1.2 坝基地质概况

闸底板座于砂质泥岩中等风化带的上部，岩石完整性较好，且较均一，不会产生较大的沉降变形。

2 垂直位移观测布置

2.1 观测情况

彭道口水利枢纽管理局从2002年开始垂直位移观测工作，每年的汛前、汛后各观测一次。工作人员对垂直位移进行汇总整理，掌握闸基沉降情况，确保工程地基稳定。

2.2 观测仪器

DS1型精密水准仪、铟钢尺。

2.3 观测方法与要求

采用DS1型精密水准仪和铟钢尺，按Ⅱ等水准测量的方法进行。采用闭合水淮线路施测，测量时，从闸左基点CZJ1开始，沿偶数号闸墩测量至闸右CZY，然后沿奇数号闸墩返回至CZJ1，共测22站，闭合差要满足Ⅱ等水准测量规范≤±0.5n1/2=2.345mm。

2.4 观测成果简介

2002年～2011年水闸观测成果，包括考证表 、试验记录成果表、高程考证表、水位统计表、位移统计表、过程线等资料，见历年彭道口水利枢纽管理局《彭家道口分洪闸观测资料》。

2.5 分析依据

水闸技术管理规程（SL75-94）；水闸工程管理设计规范（SL170-96）；水利工程管理考核办法（试行）；沂沭泗直管工程管理办法。

3 观测成果整理及分析

3.1 分析所采用的资料系列

分析资料系列选用自2002年—2011年时段中常规观测数据资料（见历年彭道口水利枢纽管理局《彭家道口分洪闸观测资料》）为依据，考虑到垂直位移是水闸地基稳定、不均匀沉降的重要观测项目，因而对历年数据资料进行全面分析，对异常点利用水力学方法进行核对，或用内插法对其进行插补，尽量延长系列的数量和样本质量，增强其代表性。此外，实测数据较为离散，处理工作量较大，故按规范要求，针对不同观测项目的特点，结合工程实际情况，选取有针对性的数据。

选用2002年—2011年累积时间、间隔位移量和累积位移量数据。

3.2 分析工作的意义

（1）增加水闸运用的安全性。垂直位移观测为水闸整体稳定性演算提供可靠的依据，所以水闸观测数据的分析工作不容忽视。

（2）预测地基的变化情况。在水闸的日常管理和运行中，位移观测可以及时监测到水闸地基的不稳定情况。因此，管理单位应充分利用测观测数据，监测地基变化情况，及时预测其危害程度。

（3） 找出常规观测数据与水闸管理工作的关联性。找出关联性有两大好处，一是可以根据工程情况分析工程病、险、害的成因，及时找到处理措施；二是可以通过关联性校核日常观测工作的精度。

3.3 分析工作的方法

垂直位移较为离散，按土力学和水力学理论，考虑采用多项式拟合累积位移量和累积观测时间数值。

假设给位移观测数据点（i=0，1，…，m），为所有次数不超过的多项式构成的函数类，现求一，使得

（3-1）

当拟合函数为多项式时，称为多项式拟合，满足式（3-1）的称为最小二乘拟合多项式。特别地，当n=1时，称为线性拟合或直线拟合。

显然

（3-2）

为的多元函数，因此上述问题即为求的极值 问题。由多元函数求极值的必要条件，得

（3-3）

即 （3-4）

（3-4）是关于的线性方程组，用矩阵表示为

（3-5）

式（3-4）或式（3-5）称为正规方程组或法方程组。

可以证明，方程组（3-5）的系数矩阵是一个对称正定矩阵，故存在唯一解。从式（3-5）中解出（k=0，1，…，n），从而可得多项式

（3-6）

可以证明，式（3-6）中的满足式（3-1），即为所求的拟合多项式。我们把称为最小二乘拟合多项式的平方误差，记作

由式（3-2）可得

（3-7）

位移数据分析结果精度，。

3.4 垂直位移数据分析及结论

3.4.1 数据分析结果

限于篇幅，只列出两个个垂直位移观测点数据：

（1）左边墩顶CZ19。CZ19垂直位移观测点沉降量与时间关系见图1。

如图1CZ19观测点间隔沉降量呈正负变化，到06—07年达到最大值，表明左边墩上浮和下沉规律明显，沉降量到07年以后趋于稳定。对02年—11年的数据进行拟合，采用六次回归分析，拟合方程为y=-3E-19x6+4E-15x5-2E-11x4+3E-08x3-2E-05x2+0.0037x-1.6733，拟合精度R2=0.3609。

（2）18#中墩顶CZ18。CZ18垂直位移观测点沉降量与时间关系见图2。

如图2CZ18观测点间隔沉降量呈正负变化，到05—06年达到最大值，表明18#中墩上浮和下沉规律明显，沉降量到06年以后趋于稳定。对02年—11年的数据进行拟合，采用四次回归分析，拟合方程为y=-2E-19x6+1E-15x5-3E-12x4-9E-10x3+1E-05x2-0.0135x +3.6221，拟合精度R2=0.757。

（中间18个观测点同其他观测点分析）

3.4.2分析结论

（1）水闸垂直位移变化符合水工建筑物沉降的一般规律。1）垂直位移观测数据能客观反应水闸基底渗流、地基对水闸沉降的影响。水闸运行两种主要工况，非汛期地下水位较低（扬压力很小）和汛期地下水位高（扬压力较大）。每年水闸间隔位移量受渗流影响明显，非汛期有上浮，汛期明显下沉。（2）水闸各部分沉降位移以下沉为主，沉降量符合规范要求。左侧边墩、13#中墩略有回升，主要原因在于，CZ19左侧边墩受到挡土侧向压力和扬压力共同作用的结果；13#受分缝的影响，略有回升。（3）水闸垂直位移变化幅度最大的部位在右边墩附近。水闸沉降量最大为5.23mm，中孔沉降量比较均匀；水闸上浮位移最大为-2.50mm。

（2）水闸沉降基本稳定。（1）对水闸间隔位移—时间关系分析，见图五，大部分观测点到2007年以后沉降量趋于稳定。（2）通过对各垂直位移观测点数据的分析，水闸每年汛前、汛后观测的间隔位移量变化幅度维持在-2mm～+2mm范围内，各观测点平均累积沉降量为+3.0mm。根据上游水位升降循环（汛前后、汛期）与水闸垂直位移变化机理可知，水闸垂直位移基本以弹性变形为主，不可逆的时效变形约30%左右。

4 拟合方程精度分析

根据数据拟合精度R2结果，垂直位移的拟合精度达到0.4

5 结语

（1）水闸垂直位移变化符合水工建筑物沉降的一般规律。（2）水闸沉降基本稳定。通过对观测数据的整编分析，为水闸整体稳定性演算提供可靠的依据，掌握水闸的运行状态及运行情况，为今后水闸的运行管理及科学研究提供最可靠的基础数据。

参考文献：

[1]张明，陈建.水闸常规观测数据分析方法研究.《治淮》，2013年 第3期 .

[2]黄少锋，蔡文波.水工建筑物观测资料的整理分析. 《黑龙江水利科技》，2011年05期 .

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