汾河水庫大壩滲透系數(shù)反演計算方法簡述

張世泉

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院，山西 太原 030024）

1 工程概況

汾河水庫位于太原市婁煩縣杜交曲鎮(zhèn)下石家莊村北約1km汾河干流上游，屬黃河流域，是一座以防洪、灌溉、工業(yè)和城市供水為主，兼顧發(fā)電和養(yǎng)魚等綜合利用的大（二）型水利樞紐工程。水庫樞紐工程由大壩、溢洪道、輸水發(fā)電洞、泄洪隧洞及水電站等建筑物組成，所有泄水建筑物均位于右岸。攔河大壩為水中倒土壩，壩頂高程1131.4m，最大壩高61.4m。

大壩主壩段位于卵石混合土和混合土卵石層上；左岸副壩位于厚19～23m的低液限粉土上，下部為厚約2～3m的卵石混合土；右壩肩位于厚8～25m的低液限粉土上，下部為厚約2～3m的卵石混合土。

2 觀測資料分析

2.1 觀測資料完整性、時效性分析

汾河水庫近十年的大壩安全監(jiān)測資料沒有經(jīng)過校正，無法利用。本次收集到的觀測資料是1983—2000年間的整編資料。滲流觀測資料不連續(xù)，且多數(shù)測壓管或孔隙水壓力計與庫水位相關(guān)性較差。河床段共設(shè)壩 0+180，壩 0+230，壩 0+370，壩 0+450，壩 0+490五個觀測橫斷面。

大壩河床觀測斷面和測點雖然較多，但通過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，資料不完整，或測壓管失效，與庫水位相關(guān)性較差（數(shù)據(jù)變幅較?。衫玫挠^測資料不多。分析原因主要有以下幾方面：第一，經(jīng)多年運行，測壓管的進水管段已淤積，致使庫水位升高時，測壓管水位上升較慢或幾乎不動；第二，有的測壓管進水管段太短，對庫水位的反應不太靈敏；第三，大壩土體滲透系數(shù)較小，壩軸線上游浸潤線較高，壩軸線下游浸潤線很快降至下游水位，下游壩面測點數(shù)據(jù)與下游水位相關(guān)，受庫水位影響較??；第四，測壓管（滲壓計）測點位置不合適，不能如實反映壩體滲流情況。

為判別實測資料的可用性，根據(jù)主河床觀測資料統(tǒng)計情況，結(jié)合地質(zhì)勘探提供的壩0+230，壩0+370，壩0+490三個橫剖面圖，選擇相關(guān)測點的觀測資料，做出部分時段（相關(guān)性較好）的測壓管（孔隙水壓力計）過程線，確定測壓管滯后時間，判斷資料可用性。

由于測點與庫水位兩者水位差較大，從多年觀測資料整編圖上難以看出滯后的時間和相關(guān)關(guān)系，因此，從中選取測壓管與庫水位相關(guān)性較好的1～2年內(nèi)的觀測數(shù)據(jù)做出過程線，選擇斷面壩0+370進行分析，其余斷面測點測壓管過程線繪制同上。

從測壓管過程線可以看出，所選時段的測壓管與庫水位時間滯后。

2.2 滲流觀測資料回歸分析

為了弄清楚庫水位與各斷面測壓管水位的相互關(guān)系，進而由實測資料推測高水位時壩體滲流情況，利用現(xiàn)有的觀測資料，選取有代表性的相對穩(wěn)定庫水位下的測壓管水位，將實測數(shù)據(jù)進行直線回歸，得出每個測壓管的庫水位與管水位之間的表達式，利用該表達式預測正常高水位1129.0m時各斷面的測壓管水位。

在滲流過程中，影響觀測的主要因素為庫水位、溫度、時效和降水等。因溫度變化、降水對土石壩測壓管水位影響極小，而時效的影響可從過程線中推出，因此在相關(guān)分析時僅考慮庫水位的影響，即選取庫水位H和相關(guān)測點滯后的相應觀測值h，點繪h—H相關(guān)線，進行直線相關(guān)，經(jīng)驗公式為h=b×H+a。各測點擬合的直線方程，相關(guān)系數(shù)R見表1。

表1 回歸分析表

由表1可以看出，所選取的測點觀測值與庫水位相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)均在0.9以上。根據(jù)這些測點的觀測資料確定大壩壩體滲流系數(shù)。

3 大壩滲流分析斷面選擇

根據(jù)大壩運行多年實際情況（左岸副壩滲漏），結(jié)合大壩測點布置及測壓管運行狀況，選擇有代表性的斷面進行大壩滲流穩(wěn)定計算，分別選取主河床段最大壩高斷面壩 0+370，0+230，0+490（副壩）斷面進行計算分析。

4 大壩反演計算確定滲透系數(shù)

計算時，首先選取與庫水位相關(guān)性較好的測點；其次根據(jù)地質(zhì)專業(yè)提供的滲透系數(shù)對不同斷面在穩(wěn)定滲流情況下進行滲流計算，并與觀測資料進行對比；最后根據(jù)在地質(zhì)條件確定的滲透系數(shù)基礎(chǔ)上調(diào)整計算參數(shù)，直至各測點誤差均較小，即可認為該滲透系數(shù)比較合理，能夠反映壩體滲流特性。

本次復核時，地質(zhì)勘察資料（豎井）結(jié)果為：主壩壩體土滲透系數(shù)為：Kx=0.0275～0.54m/d，Ky=0.022～0.224m/d，平均值為 Kx=0.156m/d，Ky=0.091m/d。

卵石混合土的滲透系數(shù)若采用地質(zhì)建議值，計算結(jié)果與實際比較誤差大，參考類似工程和原設(shè)計值，采用K=9m/d。壩體計算區(qū)域內(nèi)其他土層參考類似工程選取：淤泥Kx=Ky=0.0086m/d，排水棱體Kx=Ky=20m/d，截水槽及帷幕灌漿Kx=Ky=0.0052m/d。

計算時均選取相對穩(wěn)定的庫水位（持續(xù)時間大于30d），并采用北京理正研究院編制的《滲流分析計算》進行計算。

通過分析大壩觀測資料，選擇壩0+230，0+370主河床斷面，0+490副壩利用管水位和庫水位相關(guān)性較好的測點，選取水位相對較高、持續(xù)時間較長、測點觀測資料相對齊全的庫水位進行滲流計算，經(jīng)反復比較后選取庫水位為1122.6m（1983年1月）。對測點水頭與滲流計算的水頭進行比較，不同滲透系數(shù)、不同斷面計算結(jié)果見表2。

表2 滲流計算結(jié)果表 單位：m

從表2計算值和觀測值比較看出，測點Ⅱ-5誤差一直很大，該測點予以剔除。除此之外，壩體土滲透系數(shù)Kx=0.129m/d，Ky=0.015m/d時，其他測點滲流計算的計算值與觀測值相對誤差較小。

為了驗證所選滲流參數(shù)的合理性，對地質(zhì)勘察提供的壩體斷面0+230，0+370，0+490進行滲流對比計算。結(jié)果顯示，3個斷面4個勘探點的水位吻合均很好，僅在0+490斷面有1個勘探點水面略高于實測，說明通過反分析確定的滲流參數(shù)比較合理。最終確定壩體各土層滲透系數(shù)見表3。

表3 各土層滲透系數(shù)表

5 結(jié)語

由于土石壩是三維滲流場，用滲流基本方程計算成果很難與大壩實際運行情況一致，考慮大壩邊界條件的復雜性，壩體、壩基滲流的非均勻性，根據(jù)實測資料對滲流參數(shù)進行反演分析，確定合理的滲透參數(shù)，再進行滲流有限元計算，從而推測出正常高水位下的滲流場及浸潤線位置，為大壩穩(wěn)定計算提供依據(jù)。