東津水電站大壩滲流量異常測(cè)值分析

敖圣鋒，姚東風(fēng)，鄧永洪，劉異錦

(1.武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，湖北 武漢 430072；2.江西東津發(fā)電有限責(zé)任公司，江西 九江 332499)

大壩安全監(jiān)測(cè)是揭示大壩實(shí)際工作性態(tài)的重要手段，監(jiān)測(cè)資料分析是判斷大壩安全的主要途徑。要對(duì)大壩安全狀態(tài)作出正確的診斷，首先需要對(duì)監(jiān)測(cè)資料的可靠性和合理性進(jìn)行分析；當(dāng)測(cè)值存在明顯異常時(shí)，應(yīng)分析異常測(cè)值產(chǎn)生的原因，并判斷異常測(cè)值是觀測(cè)誤差引起的，還是對(duì)大壩安全變異的實(shí)際反映[1]。

滲流監(jiān)測(cè)是大壩安全監(jiān)測(cè)的主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目之一，包括混凝土的壩基揚(yáng)壓力、土石壩的滲透壓力、壩體及壩基滲流量、水質(zhì)等監(jiān)測(cè)內(nèi)容[2]。本文基于東津水電站大壩壩體及壩基滲流量監(jiān)測(cè)資料，對(duì)測(cè)值序列中的明顯異常情況進(jìn)行了綜合分析和處理，從而對(duì)壩體及壩基總滲流量實(shí)測(cè)性態(tài)做出了評(píng)價(jià)。

1 工程概況

東津水電站位于江西省修水縣境內(nèi)的修河?xùn)|津水上，是1座以發(fā)電為主，兼有防洪、灌溉、養(yǎng)殖等綜合效益的大(2)型水利水電樞紐工程，樞紐主要建筑物包括大壩、左岸開(kāi)敞式溢流道、右岸山脊梁處理工程、發(fā)電引水隧洞、地面式廠房和開(kāi)關(guān)站以及由導(dǎo)流洞改建的水庫(kù)放空洞等。水電站正常蓄水位190 m，按百年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，相應(yīng)設(shè)計(jì)洪水位194.29 m(P=1%)；考慮到下游建筑物防洪要求，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為萬(wàn)年一遇，相應(yīng)校核洪水位200.16 m(P=0.01%)。

東津水電站樞紐布置了較為完備的變形和滲流監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，其中滲流監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要包括：壩基面滲透壓力監(jiān)測(cè)、周邊縫接縫止水效果監(jiān)測(cè)、繞壩滲流監(jiān)測(cè)、滲流量監(jiān)測(cè)等。其中，為監(jiān)測(cè)壩體和壩基的總滲漏量，在大壩下游河床設(shè)置一道截水墻，并在樁號(hào)0+178.6 m處設(shè)置1座量水堰，堰頂高程124.96 m，堰口高程124.46 m。

量水堰于2000-07-21日始測(cè)，2004年及以前采用容積法進(jìn)行人工觀測(cè)；2005年無(wú)觀測(cè)成果記錄；2006年1月開(kāi)始采用量水堰儀實(shí)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)，觀測(cè)頻次為1次/d。壩后量水堰自動(dòng)化觀測(cè)采用量水堰儀(壓阻式水位計(jì))進(jìn)行觀測(cè)，量水堰儀實(shí)測(cè)滲流量計(jì)算采用計(jì)算公式為

Q=1.4H2.5

(1)

H=fr1H0

(2)

式中：Q為實(shí)測(cè)滲流量，L/s；H為實(shí)測(cè)堰上水頭，m；r1為傳感器讀數(shù)，無(wú)量綱；f為傳感器最小讀數(shù)，m/1個(gè)讀數(shù)，由廠家提供，本處為0.717；H0為三角形量水堰角點(diǎn)以下水深。

2 測(cè)值異常情況及成因

選擇2000～2016年壩體及壩基滲流量監(jiān)測(cè)資料，繪制東津水電站壩后量水堰的全時(shí)段原始實(shí)測(cè)滲流量與降雨量變化過(guò)程線，見(jiàn)圖1。

圖1 壩后量水堰的全時(shí)段原始實(shí)測(cè)滲流量與降雨量變化過(guò)程線

東津水電站大壩滲流量原始監(jiān)測(cè)成果主要存在以下異常表現(xiàn)。

1)監(jiān)測(cè)資料中存在較長(zhǎng)時(shí)段的數(shù)值成片畸大的明顯不合理現(xiàn)象，且測(cè)值數(shù)值基本相同。如觀測(cè)時(shí)段中的2010-06-21日～2010-08-31日，測(cè)值成片畸大，最大值達(dá)42 322.36L/s；再如2015-10-30日～2015-11-10日，測(cè)值陡然增大，最大值達(dá)到363 335.59 L/s。這些時(shí)段測(cè)值成片畸大，顯著大于正常的滲流量測(cè)值(一般<15 L/s)。從東津水電站水工技術(shù)人員處了解，出現(xiàn)這種情況的主要原因在于觀測(cè)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，這些測(cè)值不是壩體及壩基實(shí)際滲流量的真實(shí)反映。

2)監(jiān)測(cè)資料中存在短時(shí)段的數(shù)值過(guò)大的明顯不合理現(xiàn)象。如2012-05-13日～2012-05-19日、2014-07-16日～2014-07-17日、2016-07-06日～2016-07-07日等時(shí)段，這些時(shí)段滲流量測(cè)值陡然增大，最大滲流量達(dá)到16 770.17 L/s，明顯大于正常測(cè)值，但持續(xù)時(shí)間較短，且主要發(fā)生在溢洪道泄洪期間。通過(guò)實(shí)地考察及向水工技術(shù)人員了解情況，量水堰與溢洪道泄槽和出口的位置比較接近，量水堰過(guò)流量受溢洪道泄洪反灌以及泄洪時(shí)霧化形成的霧化雨水的影響嚴(yán)重，導(dǎo)致量水堰觀測(cè)到的滲流量過(guò)大。這些測(cè)值也不是壩體及壩基實(shí)際滲流量的真實(shí)反映。

3)監(jiān)測(cè)資料序列中部分測(cè)次滲流量測(cè)值出現(xiàn)明顯的突變或尖點(diǎn)等現(xiàn)象。如2002-05-10日(38.86 L/s)、2003-06-26日(87.71 L/s)、2006-06-29日(28.79 L/s)、2012-06-27日(26.64 L/s)等測(cè)次。滲流量出現(xiàn)突變或尖點(diǎn)的測(cè)次較多但測(cè)值不大，一般小于100 L/s。通過(guò)向水工技術(shù)人員了解情況，并結(jié)合壩址降雨量變化過(guò)程線，出現(xiàn)突變的主要原因在于壩址降雨量對(duì)量水堰滲流量的影響。由圖1可知：①降雨對(duì)滲流量的影響主要集中在每年的雨季；②降雨對(duì)量水堰滲流量的影響程度存在差別，這估計(jì)與降雨時(shí)段是否與量水堰的觀測(cè)時(shí)刻存在重合有關(guān)。當(dāng)降雨持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)且與量水堰觀測(cè)時(shí)刻存在重合時(shí)，量水堰實(shí)測(cè)滲流量受降雨影響較明顯；當(dāng)降雨持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)且降雨量較小時(shí)，量水堰實(shí)測(cè)滲流量不受降雨影響或受降雨影響較小。受降雨影響的測(cè)值也不是壩體及壩基實(shí)際滲流量的真實(shí)反映。

3 數(shù)據(jù)處理

大壩監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的異常一般由運(yùn)行性態(tài)變化、環(huán)境量異常、系統(tǒng)改造、人為誤差或系統(tǒng)故障等原因引起。對(duì)于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)造成的異常測(cè)值應(yīng)予以剔除或作其他處理；對(duì)于運(yùn)行性態(tài)變化引起的測(cè)值異常則要予以密切關(guān)注，并采取適當(dāng)處理措施[3]。本文中東津水電站壩后量水堰滲流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存在較多明顯異常測(cè)值，主要是由監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及環(huán)境量異常造成的，經(jīng)綜合分析采用以下兩種數(shù)據(jù)處理方式。

1)過(guò)程線中存在較長(zhǎng)時(shí)段的數(shù)值成片畸大及短時(shí)段的數(shù)值過(guò)大等明顯不合理現(xiàn)象，主要是因觀測(cè)系統(tǒng)故障所致，或受溢洪道泄洪反灌及泄洪時(shí)的霧化雨水影響所致，不是對(duì)壩體及壩基實(shí)際滲流量的真實(shí)反映。這類(lèi)測(cè)值差異顯著且數(shù)量較多，不易于逐個(gè)修正，因此本次數(shù)據(jù)處理選擇從量水堰滲流量實(shí)測(cè)成果中直接予以剔除。

2)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中存在部分測(cè)次滲流量發(fā)生明顯突變的現(xiàn)象，主要原因在于壩址降雨量對(duì)量水堰滲流量的影響，使得量水堰實(shí)測(cè)成果不能反映壩體及壩基的實(shí)際滲流量，因此在滲流量監(jiān)測(cè)資料分析前應(yīng)盡量消除降雨的影響。經(jīng)綜合分析，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，采取排除觀測(cè)日前7天累積降雨量超過(guò)5mm的量水堰實(shí)測(cè)滲流量的方法進(jìn)行處理。

處理后的壩后量水堰全時(shí)段實(shí)測(cè)滲流量與降雨量的對(duì)比過(guò)程線見(jiàn)圖2，與上游水位的對(duì)比過(guò)程線見(jiàn)圖3。

圖2 處理后的壩后量水堰全時(shí)段實(shí)測(cè)滲流量與降雨量過(guò)程線

圖3 處理后的壩后量水堰全時(shí)段實(shí)測(cè)滲流量與上游水位過(guò)程線

4 滲流量變化特性分析

由圖2和圖3可知，量水堰實(shí)測(cè)滲流量具有如下特點(diǎn)。

1)2004年及以前采用人工觀測(cè)的量水堰實(shí)測(cè)滲流量較小，2006年采用自動(dòng)化觀測(cè)以來(lái)量水堰實(shí)測(cè)滲流量明顯大于人工觀測(cè)滲流量，估計(jì)與不同觀測(cè)方法帶來(lái)的誤差有關(guān)。

2)降雨對(duì)壩后量水堰實(shí)測(cè)滲流量存在明顯影響。在全序列5 127 d的測(cè)值中，按前述方法(排除觀測(cè)日前7 d累積降雨量超過(guò)5 mm的量水堰實(shí)測(cè)滲流量)確定的受降雨影響較明顯的天數(shù)為3 496 d，占總天數(shù)的68%；剔除明顯不合理測(cè)值但未排除降雨影響情況下，全序列實(shí)測(cè)最大滲流量為87.71 L/s(相應(yīng)的前7 d累計(jì)降雨量為280 mm)，發(fā)生在前期累計(jì)降雨量較大的時(shí)候。

3)無(wú)論是人工觀測(cè)，還是自動(dòng)化觀測(cè)，剔除明顯不合理測(cè)值以及排除降雨影響后，量水堰實(shí)測(cè)滲流量絕大部分時(shí)段變化較為平穩(wěn)，未表現(xiàn)出明顯的趨勢(shì)性變化，也未表現(xiàn)出其他的明顯不合理現(xiàn)象。從滲流量與相應(yīng)上游水位的過(guò)程線來(lái)看，上游水位變化對(duì)壩后量水堰滲流量有一定的影響，但不明顯。

4)剔除明顯不合理測(cè)值以及排除降雨影響后，全時(shí)段實(shí)測(cè)最大滲流量為19.24 L/s，發(fā)生在2013-08-06日(相應(yīng)上游水位186.45 m)，平均滲流量為3.60 L/s；滲流量小于1 L/s的天數(shù)有592 d，占數(shù)據(jù)處理后的觀測(cè)天數(shù)(1 631 d)的36%；滲流量小于5 L/s的天數(shù)有1 226 d，占數(shù)據(jù)處理后的觀測(cè)天數(shù)(1 631 d)的75%；滲流量大于10 L/s的天數(shù)有121 d，占數(shù)據(jù)處理后的觀測(cè)天數(shù)(1 631 d)的7.4%。表1給出了國(guó)內(nèi)外部分已建面板堆石壩實(shí)測(cè)滲流量統(tǒng)計(jì)情況，對(duì)照表1來(lái)看，剔除明顯不合理測(cè)值以及排除降雨影響后，東津水電站壩后量水堰實(shí)測(cè)滲流量不大，在合理的范圍內(nèi)。

表1 國(guó)內(nèi)外部分已建面板堆石壩實(shí)測(cè)滲流量統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié) 語(yǔ)

本文以東津水電站大壩壩體及壩基滲流量監(jiān)測(cè)資料分析為例，針對(duì)原始觀測(cè)成果中的明顯異?，F(xiàn)象，通過(guò)剔除明顯不合理測(cè)值以及排除降雨影響的方式，對(duì)原始監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理，并通過(guò)滲流量變化特性分析、國(guó)內(nèi)外滲流量對(duì)比等方式，表明東津水電站大壩壩后量水堰實(shí)測(cè)壩體及壩基總滲流量性態(tài)正常，上游面板的防滲效果是良好的。

滲流量是大壩安全監(jiān)測(cè)的主要監(jiān)控項(xiàng)目之一，滲流量監(jiān)測(cè)成果是判斷土石壩及面板堆石壩滲流運(yùn)行性態(tài)和防滲效果的主要依據(jù)。本文的研究成果表明，在滲流量監(jiān)測(cè)資料分析時(shí)，需要重點(diǎn)考慮以下因素。

1)實(shí)測(cè)成果中存在的觀測(cè)誤差。東津水電站大壩滲流量監(jiān)測(cè)成果中存在的明顯異常測(cè)值，主要是由于觀測(cè)系統(tǒng)故障引起的，或因外界因素影響導(dǎo)致客水侵入引起的。這些測(cè)值不是壩體及壩基實(shí)際滲流量的真實(shí)反映，必須進(jìn)行處理。

2)降雨影響是導(dǎo)致滲流量觀測(cè)成果異常的主要因素，也是普遍存在的因素。降雨影響使得觀測(cè)的滲流量大于實(shí)際滲流量，導(dǎo)致對(duì)壩體及壩基滲流性態(tài)產(chǎn)生誤判。因此，在滲流量監(jiān)測(cè)資料分析時(shí)，需要采取一定的措施，排除降雨因素的影響。