南水北調(diào)東線(xiàn)工程大屯水庫(kù)滲流監(jiān)測(cè)分析

郭曉翠，于 云，張運(yùn)保

（南水北調(diào)東線(xiàn)山東干線(xiàn)有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250109）

1 工程概況

大屯水庫(kù)工程位于山東省德州市武城縣恩縣洼東側(cè)，是南水北調(diào)東線(xiàn)一期魯北段工程的重要調(diào)蓄水庫(kù)，為圍壩型平原水庫(kù)。大屯水庫(kù)設(shè)計(jì)最高蓄水位29.80 m，相應(yīng)最大庫(kù)容5209萬(wàn)m3，設(shè)計(jì)死水位21.00 m，死庫(kù)容745萬(wàn)m3，水庫(kù)調(diào)節(jié)庫(kù)容4464萬(wàn)m3，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇。水庫(kù)圍壩壩軸線(xiàn)總長(zhǎng)8 913.99 m，最大壩高14.15 m，壩頂寬7.50 m，上游邊坡坡比為1∶2.75，下游邊坡坡比為1∶2.5。壩型為砂壤土均質(zhì)壩和裂隙粘土與砂壤土分區(qū)壩，上游壩坡采用預(yù)制混凝土塊護(hù)坡，下游壩坡27.60 m高程以上部分為草皮護(hù)坡，27.60 m高程以下部分為棄土平臺(tái)。水庫(kù)防滲采用壩體上游坡鋪設(shè)復(fù)合土工膜和庫(kù)底水平鋪膜相結(jié)合的防滲。大屯水庫(kù)工程于2010年11月25日正式開(kāi)工，2012年12月31日主體工程建設(shè)基本完成，2013年6月11日至6月26日，水庫(kù)成功完成了試通水工作，2017年6月水庫(kù)蓄水達(dá)到設(shè)計(jì)蓄水位。

2 安全監(jiān)控指標(biāo)研究

安全監(jiān)控指標(biāo)是評(píng)估、監(jiān)測(cè)建筑物安全的重要指標(biāo)，在安全監(jiān)控理論中占有重要地位。安全監(jiān)控指標(biāo)的重要任務(wù)是根據(jù)建筑物已經(jīng)抵御經(jīng)歷荷載的能力，來(lái)評(píng)估、預(yù)測(cè)抵御可能發(fā)生荷載的能力狀況，來(lái)確定在這種荷載組合下，監(jiān)控效應(yīng)量的警戒值，以達(dá)到在實(shí)際運(yùn)用時(shí)能及時(shí)發(fā)揮預(yù)警預(yù)報(bào)的作用。由于一些建筑物可能沒(méi)有遭遇最不利的工況，另外建筑物在抵御荷載的能力也在變化。所以，在實(shí)際工程中，擬定安全監(jiān)控指標(biāo)是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題，需要根據(jù)建筑物的工程特點(diǎn)，結(jié)合工程地質(zhì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行等資料，研究監(jiān)控對(duì)象破壞機(jī)理和長(zhǎng)期運(yùn)行安全的主要影響因素，結(jié)合實(shí)測(cè)資料，用多種方法進(jìn)行分析論證。本次研究采用置信區(qū)間法進(jìn)行大屯水庫(kù)滲流監(jiān)測(cè)安全監(jiān)控指標(biāo)的擬定。

3 滲流監(jiān)測(cè)資料分析

滲流監(jiān)測(cè)包括壩基測(cè)壓管監(jiān)測(cè)和壩基埋入式滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)兩種方式，共15個(gè)滲流監(jiān)測(cè)斷面、68個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。其中埋入式滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)斷面8個(gè)，每個(gè)斷面設(shè)5個(gè)埋入式滲壓計(jì)測(cè)點(diǎn)；測(cè)壓管監(jiān)測(cè)7個(gè)斷面，每個(gè)斷面設(shè)4根測(cè)壓管（內(nèi)安裝滲壓計(jì)）。本次研究選取2014—2018年1+800斷面的4處測(cè)壓管滲流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及4+900斷面的5處埋入式滲壓計(jì)滲流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行分析，確定應(yīng)量與環(huán)境量變化之間的相關(guān)性。

3.1 測(cè)壓管滲流監(jiān)測(cè)

1+800斷面測(cè)壓管水位總體上與庫(kù)水位相關(guān)性顯著，斷面不同點(diǎn)的管水位變化與庫(kù)水位相關(guān)性呈現(xiàn)從上游到下游逐漸減小的規(guī)律。即測(cè)壓管離上游越近，管水位變化與庫(kù)水位變化的相關(guān)性越強(qiáng)，滯后性越不明顯。

1）特征值分析。1+800斷面的4處測(cè)壓管滲流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示：

表1 大屯水庫(kù)圍壩1+800斷面測(cè)壓管水位特征值統(tǒng)計(jì)表 m

2）時(shí)空規(guī)律分析。總體來(lái)看，1+800斷面測(cè)壓管滲透壓力規(guī)律明顯，與庫(kù)水位存在較好的相關(guān)性，見(jiàn)圖1。

圖1 1+800斷面測(cè)壓管水位過(guò)程線(xiàn)

3.2 埋入式滲壓計(jì)滲流監(jiān)測(cè)

由表2、圖2數(shù)據(jù)分析可知：埋入式滲壓計(jì)所測(cè)水位與庫(kù)水位相關(guān)性較好，并且總體上比測(cè)壓管水位與庫(kù)水位相關(guān)性要更明顯。

1）特征值分析。4+900斷面的5處埋入式滲壓計(jì)滲流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示：

圖2 4+900斷面滲壓計(jì)過(guò)程線(xiàn)

4 監(jiān)控指標(biāo)研究方法

4.1 水庫(kù)經(jīng)歷荷載情況

大屯水庫(kù)設(shè)計(jì)最高蓄水位29.80 m，死水位21.00 m。從實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)看，自2013年11月通水試運(yùn)行以來(lái)，大屯水庫(kù)分別在2015年、2017年和2018年實(shí)現(xiàn)了三次正常調(diào)水。在2017年和2018年，大屯水庫(kù)共兩次到達(dá)設(shè)計(jì)最高水位29.8 m。大屯水庫(kù)所在區(qū)域?qū)倥瘻貛О霛駶?rùn)季風(fēng)性氣候，多年平均降水量558.8 mm，最大年降水量為1964年的1 047.7 mm，最小年降水量為1968年的297.0 mm。從運(yùn)行期大屯水庫(kù)實(shí)際經(jīng)歷荷載情況來(lái)看，較不利荷載主要為水庫(kù)運(yùn)行至最高水位時(shí)的荷載。結(jié)合大屯水庫(kù)經(jīng)歷荷載情況和滲流監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的資料分析成果，針對(duì)水庫(kù)壩基和壩體滲流監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，利用置信區(qū)間法估算其監(jiān)控指標(biāo)。

表2 埋入式滲壓計(jì)4+900斷面特征值統(tǒng)計(jì)表 m

4.2 置信區(qū)間法

1）監(jiān)控模型的基本關(guān)系式。水庫(kù)滲流主要是受到水庫(kù)的水位、時(shí)效等因素變化的綜合影響，其監(jiān)控模型基本關(guān)系式表示為：

式中：H為滲流量；Hh為水位分量；Hθ為滲流時(shí)效分量。

①水位分量。水庫(kù)水位的變化對(duì)水庫(kù)滲流有一定影響，并有一定滯后性，所以選擇監(jiān)測(cè)當(dāng)日水位，以及前7 d、前14 d的平均水位作為因子，水位分量表示為：

式中a1i為水庫(kù)水位分量的回歸系數(shù)（i=1~3）；hui為分別為監(jiān)測(cè)日當(dāng)日、監(jiān)測(cè)日前第7 d、前第14 d的水庫(kù)平均水位；hu0i為初始監(jiān)測(cè)日上述各時(shí)段對(duì)應(yīng)的水庫(kù)水位平均值（i=1~3）。

②時(shí)效分量。水庫(kù)因?yàn)槭芏喾N因素的復(fù)雜作用，一般認(rèn)為正常運(yùn)行的水庫(kù)，時(shí)效分量變化規(guī)律初期為變化急劇，后期的變化漸趨穩(wěn)定。時(shí)效因子一般選為θ和lnθ（θ為觀測(cè)日減去基準(zhǔn)日的天數(shù)），所以應(yīng)力的時(shí)效分量表示為：

2）監(jiān)控模型的創(chuàng)建。經(jīng)過(guò)計(jì)算、分析各影響量之間基本無(wú)相關(guān)性，因此采用逐步回歸的分析方法計(jì)算統(tǒng)計(jì)模型的參數(shù)，建模時(shí)間段為2014—2018年，滲壓計(jì)開(kāi)始測(cè)量的時(shí)間也是分析時(shí)段的起始時(shí)間。監(jiān)控模型表示為：

3）模型分析。表3、表4為水庫(kù)滲壓計(jì)統(tǒng)計(jì)模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)R、剩余標(biāo)準(zhǔn)差S、分量分解百分比和回歸模型方程式。詳細(xì)如表3、表4所示。

4.3 監(jiān)控指標(biāo)估算

考慮滲壓越大，對(duì)壩體強(qiáng)度和穩(wěn)定越不利，所以從實(shí)際預(yù)警應(yīng)用角度出發(fā)，基于模型方程和剩余標(biāo)準(zhǔn)差，估算出監(jiān)控指標(biāo)，詳見(jiàn)表5。

表3 大屯水庫(kù)圍壩1+800斷面測(cè)壓管監(jiān)測(cè)回歸模型

表4 大屯水庫(kù)埋入式4+900斷面滲壓監(jiān)測(cè)回歸模型

表5 利用置信區(qū)間法估算的監(jiān)控指標(biāo) m

5 結(jié)論與建議

根據(jù)大屯水庫(kù)已經(jīng)經(jīng)歷的荷載情況和關(guān)鍵部位安全監(jiān)測(cè)資料分析的成果，依據(jù)不同監(jiān)測(cè)項(xiàng)目時(shí)空性態(tài)的規(guī)律和特點(diǎn)，構(gòu)建安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控指標(biāo)。隨著運(yùn)行期間安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的積累，分析各建筑物安全運(yùn)行性態(tài)，開(kāi)展關(guān)鍵部位安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)指標(biāo)研究工作，具有重要意義。

監(jiān)控指標(biāo)在不斷的變化，應(yīng)該加強(qiáng)觀測(cè)資料的日常整理與定期整編分析工作，做好數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)管理，監(jiān)控指標(biāo)只有和工程安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)時(shí)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作對(duì)比分析，并通過(guò)不斷經(jīng)歷實(shí)際工況的檢驗(yàn)和校正，監(jiān)控指標(biāo)的可靠性和實(shí)用性才會(huì)越來(lái)越完善，才能更有效的對(duì)工程安全運(yùn)行的情況做出正確的判斷。