大壩壩體滲流分析

于衛(wèi)東

(遼寧省大伙房水庫管理局，遼寧 撫順 113007)

1 過程線分析

繪制長系列(12個(gè)月以上)滲透壓力水位過程線，通過開發(fā)過程線繪制應(yīng)用程序模塊繪制過程線實(shí)例，如圖1－1所示:

圖1－1 滲透壓力過程線

通過對過程線的觀測與分析，選取可靠的滲透壓力觀測資料，現(xiàn)將過程線的判斷準(zhǔn)則和處理方法歸納匯總于表1－1。

表1－1 資料選取準(zhǔn)則表

2 滯后時(shí)間分析

滲透壓力水位開始變化要比上游水位變化來得晚，這一時(shí)差成為滲透壓力的滯后時(shí)間，主要由滲透壓力的傳遞時(shí)間和測量儀器的反應(yīng)時(shí)間構(gòu)成。在使用監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)應(yīng)充分考慮到滯后時(shí)間問題。同樣，滲流量也有滯后時(shí)間，推算出滯后時(shí)間，可校正滲流量與上游水位對應(yīng)關(guān)系，提高相關(guān)分析的準(zhǔn)確性。

本研究采用的方法時(shí)建立F1(t)與F2(t－t0)之間的回歸模型，對有限范圍的滯后時(shí)間t0進(jìn)行枚舉試算，分別計(jì)算F1(t)與F2(t－t0)之間的模型參數(shù)與相關(guān)系數(shù)，最后選擇令相關(guān)系數(shù)最大的t0點(diǎn)，即得到滯后時(shí)間。通常t0的范圍可選擇0到180天，對于滯后時(shí)間超過半年的測壓管，對其監(jiān)測資料進(jìn)行分析意義不大。滲流水壓力和滲流量的滯后時(shí)間可采用如下回歸模型:

式中:H(t)－t時(shí)刻的測管滲透壓力水位;Q(t)－t時(shí)刻的觀測滲流量;Hl(t－t0)－t－t0時(shí)刻壩體上游水位。

3 相關(guān)分析

相關(guān)分析的目的在于確定滲透壓力水位的主要影響因子。相關(guān)分析計(jì)算滲透壓力與上游水位、下游水位、降水量和日均氣溫的相關(guān)系數(shù)，根據(jù)各個(gè)相關(guān)系數(shù)，可得到主要影響因子和次要影響因子，這也是工程技術(shù)人員判斷測量儀器的好壞，監(jiān)測資料是否可靠，測點(diǎn)處的滲流狀況的一個(gè)依據(jù)。例如:如果測壓管水位的主要影響因子為降水量，則該測壓管可能在封孔處漏水，在分析時(shí)，其觀測資料不宜采用。

4 位勢分析

滲流分析中常采用的一種方法是位勢分析法。測壓管位勢指某測壓管水頭在滲流場中占總滲流水頭的百分?jǐn)?shù)。如果位勢隨時(shí)間發(fā)生了變化，就意味著流場介質(zhì)發(fā)生了相對變化。

1)位勢的計(jì)算公式

式中:φ—位勢;H—滲透壓力水位;H1—上游水位;H2—下游水位。

2)運(yùn)用位勢過程線分析

首先繪制長系列(12個(gè)月以上)滲透壓力水位過程線，通過開發(fā)過程線繪制應(yīng)用程序模塊繪制過程線實(shí)例，如圖4－1所示:

圖4－1 位勢過程線實(shí)例

通過對過程線的觀測與分析判斷滲流安全，現(xiàn)將過程線的分析判斷準(zhǔn)則和方法歸納匯總于表4－1。

表4－1 位勢分析準(zhǔn)則表

運(yùn)用一元線性回歸對位勢進(jìn)行分析，模型為:

式中:φ—位勢;t—觀測日期;b—模型參數(shù)，其中a為斜率。

根據(jù)斜率、升高閾值、降低閾值、就可以判斷滲流發(fā)展趨勢:如斜率a大于升高閾值，則滲流有逐步升高的趨勢;如斜率a小于降低閾值，則滲流有逐步降低的趨勢;斜率在兩者之間，且位勢差值在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，則滲流較穩(wěn)定;位勢不符合上面條件，則位勢無明顯趨勢。

5 斷面滲流浸潤線分析

土石壩建筑物主要應(yīng)用于水庫中，因此水壩上游要形成雍水，并使土石壩上下游產(chǎn)生水位差，形成水頭，在這一水頭作用下，壩體及其地基中將產(chǎn)生從水位高的一方面向水位低的一方面的滲流。滲流對建筑物，尤其是土質(zhì)建筑物及其地基會產(chǎn)生許多不利的影響，因此對土石壩進(jìn)行安全監(jiān)測與分析要進(jìn)行滲流技術(shù)。在本節(jié)著重對土石壩監(jiān)測斷面的滲流浸潤線及流網(wǎng)分析理論進(jìn)行探討，確定了開發(fā)土石壩自動化安全監(jiān)測分析與評價(jià)系統(tǒng)進(jìn)行土石壩滲流安全分析的模型基礎(chǔ)。采用水力學(xué)方法計(jì)算斷面設(shè)計(jì)浸潤線分析的基本原理為達(dá)西定律:

式中:Q—滲流量;A—滲流斷面面積;h1－h(huán)2—水頭損失;L—滲徑長度;K—滲透系數(shù)。

以透水地基上有截水墻的黏土心墻壩為例(如圖5－1)，探討其壩體浸潤線的分析計(jì)算方法:

圖5－1 斷面圖

由于壩體下部地基中設(shè)有截水墻且其滲透系數(shù)與心墻相同，心墻土料的滲透系數(shù)比壩殼土料的滲透系數(shù)小得很多，此時(shí)壩體上游三角形楔體及其相應(yīng)的壩基部分的滲流水頭損失很小，可略去不計(jì)，所以計(jì)算滲流時(shí)可以分為兩段來計(jì)算，即心墻及其下部截水墻為第1段，心墻下游壩體及其相應(yīng)的透水壩基為第2段，并建立如圖(5－1)所示的坐標(biāo)系。

并結(jié)合自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)試算反演

根據(jù)實(shí)測的壩體及心墻前后的滲透水位，將壩體分為心墻斷和心墻后段兩部分。綜合運(yùn)用上述兩點(diǎn)滲透系數(shù)計(jì)算方法及水力學(xué)浸潤線計(jì)算方法。通過反復(fù)試算，反推壩體及心墻的滲透系數(shù)。最終得出滿足實(shí)測水位邊界條件的壩體及心墻的滲透系數(shù)。

［1］顧慰慈.2000.滲流計(jì)算原理及應(yīng)用.北京:中國建材工業(yè)出版社，6－34

［2］吳中如.2003.水工建筑物安全監(jiān)控理論及其應(yīng)用.北京:高等教育出版社