水庫大壩滲流觀測資料分析研究

于東波 韓立煒

(華北水利水電大學，河南 鄭州 450045)

0 引言

我國一半以上水庫大壩因為運行時間長，大多處于病險狀態(tài)，在大壩失事事故中，一大部分是由于滲透破壞引起的。通過滲流觀測資料，對大壩運行進行預測分析，并根據(jù)分析結果，預先采取有效措施，把隱患消滅在萌芽狀態(tài)，以確保大壩健康運行[1]。

在壩體和壩基的適當部位，采用一定數(shù)量的滲透壓儀觀察滲流情況，了解壩體浸沒線和各點的滲透壓。對土石壩的滲壓儀器進行觀測，以獲得滲透壓力和滲流的實測數(shù)據(jù)。并對這些實測數(shù)據(jù)進行分析，可以對大壩的滲透壓全面了解。這對土石壩的穩(wěn)定性分析和滲流分析具有重要的現(xiàn)實意義[2]。

1 壩體滲壓滯后因素分析

1.1 滯后因素的分析

通過記錄實測滲壓計數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)嵌入壩體的滲壓計的滲透壓值相對較小，且變化與水庫水位的變化不同步。滲透壓變?yōu)榉逯?谷值)的時間傾向于晚于儲層水位達到峰值(谷值)的時間，并且存在時間差。這就是滲壓的滯后性。此外，同一部分中每個滲透壓計的滲透壓滯后時間明顯不同。

由于壩體防滲體滲透性小，滲透壓值滯后時間較為明顯。因此，在分析滲透壓值的觀測數(shù)據(jù)時，有必要發(fā)現(xiàn)滲壓滯后時間。一方面，在選擇因子時考慮其影響；另一方面，它可以用作分析大壩滲透率的指標。

造成滲壓滯后的原因具有復雜性，且有多種因素對其產生影響，可歸納如下：水壓傳遞需要時間，非飽和土壤(或無壓飽和土壤水)的水填充耗散需要時間，不穩(wěn)定滲流的影響，以及壩體填充不均勻質量的影響。

然而，由于實際情況的復雜性，通常難以獲得滲透壓的滯后時間。通?；跐B透壓值和儲層水位的時間歷程曲線來估計。其方法主要有如下兩種：

1)在水庫水位與滲透壓之間采取較長時間的相對穩(wěn)定性，當穩(wěn)態(tài)開始在其各自的時間歷史曲線上變化(向上和向下)時，選擇兩個轉折點之間的時間差。即為相應滲壓的滯后時間。

2)將對應于兩個時間歷程曲線的峰谷時差作為滯后時間。

1.2 滯后參數(shù)演變規(guī)律

在大壩滲流場趨于穩(wěn)定后，影響滯后時間的因素有防滲結構的滲透系數(shù)(如給水度、滲透系數(shù))等。一般來說，滲壓參數(shù)的影響不會隨時間的變化而發(fā)生改變，是相對確定的關系。如果滯后時間減少，滲透壓增加，滲流增加，壩體滲透結構的滲透率增加;相反，如果滯后時間增加，滲流減少并且滲透壓降低，則滲流結構的滲透性降低。

在對大壩的滲透率進行分析時，一般需要將實測的浸沒線與原來設計的浸沒線進行比較。由于“滯后時間”的影響，如果將測量的浸入線直接與設計浸入線進行比較，然后在高水位下，通常得出結論，測量的浸沒線低于設計浸沒線。這是因為穩(wěn)定滲流的概念被用于設計計算和土石壩的運行，觀測到的滲透水位是水庫水位波動情況下不穩(wěn)定滲流的瞬態(tài)結果。

2 壩體壩基滲壓水位的統(tǒng)計分析

基于土石壩工程的復雜性，通過建立觀測數(shù)據(jù)的數(shù)學模型，定量分析水庫面板、壩體、水庫和壩前淤積對滲壓計水位的影響，運用統(tǒng)計模型的分析方法對實測數(shù)據(jù)進行分析。

2.1 滲壓水位的因子分析

滲透水位是由上游和下游水位差，降雨和時效等因素引起的。滲透水位的高低與上下游水位的波動和壩體材料的滲透性有關。在滲透過程中，當水流克服土壤顆粒之間的阻力時，需要一定的時間從上游滲透到滲壓計的位置。因此，滲壓水位還與前期庫水位有關。此外，土壤的固結改變了土壤顆粒結構的排列，淤積對大壩前滲流狀態(tài)的影響可能是影響滲透水位的因素。因此，影響滲透水位的因素可歸納為三個部分：水庫水位分量YH，降雨分量Y1和時效分量Yθ成分。

2.2 滲壓水位的統(tǒng)計模型[3]

由以上對滲壓水位影響因素的分析，可建立滲壓水位的統(tǒng)計模型：

h=hu+hd+hp+hθ

(1)

其中,h為滲壓水位；hu為上游水位分量；hd為下游水位分量；hp為降雨分量；hθ為時效分量。

2.2.1上游水位分量

根據(jù)土石壩滲流分析，土體浸潤線方程為：

(2)

其中，hi為滲壓水位；hu為上游水位；k，q分別為滲透系數(shù)和單寬流量。

(3)

2.2.2下游水位分量

下游水位采用觀測日期的當天下游水位為因子，即：

hd=adhd

(4)

其中，ad為下游水位的回歸系數(shù)；hd為下游水位。

2.2.3降雨分量

(5)

2.2.4時效分量

土石壩竣工蓄水后，水壓的變化導致壩體土壤結構顆粒的變化;大壩前自然鋪設逐漸積累等因素也是影響因素。這些因素對滲透水位的影響有一個時效過程，通過以下方式模擬：

hθ=c1θ+c2lnθ

(6)

其中，c1，c2均為時效分量回歸系數(shù)；θ為蓄水初期開始的天數(shù)除以100計。

時效分量反映的是防滲排水措施發(fā)生變化以及泥沙淤積等對壩體壩基滲流場的影響，如果時效分量曲線呈發(fā)散態(tài)勢，則表明大壩滲流條件正在逐漸惡化，滲流場處于非穩(wěn)定狀態(tài)，應及時采取防治滲流破壞的有效措施進行控制。反之，時效分量呈收斂趨勢，說明大壩滲流條件得到改善，對大壩安全有利。

綜上所述，獲得滲透水位的統(tǒng)計模型：

(7)

其中，a0為常數(shù)項。

3 上水庫堆石壩滲壓觀測資料分析

某抽水蓄能電站為日調節(jié)純抽水蓄能電站，由上水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)、地面開關站及下水庫等建筑物組成。為對抽水蓄能電站水工建筑物進行系統(tǒng)的觀察和測量，并通過分析研究觀測資料，監(jiān)視水工建筑物在運行期間的滲流狀態(tài)變化。抽水蓄能電站水工觀測共布置壩基滲壓計4支；圖1～圖4是對滲流觀測資料分析得到的滲壓統(tǒng)計模型。

根據(jù)觀測資料計算滲壓的各個統(tǒng)計值，得到壩基滲壓回歸模型參數(shù)表，如表1所示。

表1 壩基滲壓回歸模型參數(shù)表

由表1及圖1～圖3可得，相關系數(shù)都在0.99以上，相對誤差也較小，說明所建立的回歸模型是合理的。同時由趨勢可知，隨著時間的變化，滲壓值也在逐步降低，這對壩基滲流是有利的。

4 結語

從壩基滲壓計測值擬合線看出，壩基滲壓計測值規(guī)律性較好，與庫水位呈正相關關系，庫水位上升，壩基滲壓計測值增大，庫水位降低，滲壓計測值隨之減小。在蓄水前，大部分時間段內各支滲壓計測值比庫水位高，表明滲壓計測值主要受壩基地下水位的影響，各支滲壓計測值符合大壩運行壩基滲壓變化的一般規(guī)律，所建立的滲壓回歸模型可行。

通過對實測數(shù)據(jù)建立數(shù)學模型并進行統(tǒng)計分析，來判斷大壩的運行狀況，對于及時預防和避免因為大壩滲流破壞導致的意外事故有重要意義，同時對土石壩壩體穩(wěn)定分析和滲流分析有很大的實用意義。