土石壩滲流監(jiān)測(cè)資料分析方法研究

許孝臣，許小杰，占　川，李洪強(qiáng)，湯明禮

（1.浙江廣川工程咨詢(xún)有限公司，浙江　杭州　310020；2.浙江省水利河口研究院，浙江　杭州　310020）

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土石壩滲流監(jiān)測(cè)資料分析方法研究

許孝臣1，2，許小杰1，2，占川1，2，李洪強(qiáng)1，2，湯明禮1，2

（1.浙江廣川工程咨詢(xún)有限公司，浙江杭州310020；2.浙江省水利河口研究院，浙江杭州310020）

為更好地發(fā)揮土石壩滲流監(jiān)測(cè)資料的作用，以浙江省現(xiàn)狀條件下的監(jiān)測(cè)狀況、已研究的滲流分析方法為基礎(chǔ)，結(jié)合浙江省水利工程標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)的要求，研究了滲流監(jiān)測(cè)資料的分析方法，通過(guò)分析滲流在時(shí)間、空間上的分布規(guī)律及其影響因素，對(duì)滲流穩(wěn)定和大壩安全做出判斷，有效發(fā)揮滲流監(jiān)測(cè)資料的作用。

滲流監(jiān)測(cè)；資料分析；土石壩；分析模型

1　問(wèn)題的提出

土石壩是當(dāng)?shù)夭牧蠅危兄T多優(yōu)點(diǎn)，如造價(jià)低、施工技術(shù)成熟、便于管理等，在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用較廣。據(jù)統(tǒng)計(jì)，土石壩在國(guó)外占所有大壩的比例超過(guò)62.0%［1］，國(guó)內(nèi)土石壩所占的比例更高，尤其是在小型水庫(kù)中，表現(xiàn)更為明顯，如浙江省擁有3 885座小型水庫(kù)，其中土石壩所占的比例高達(dá)90.5%［2］。

土石壩所面臨的問(wèn)題主要有2個(gè)，即結(jié)構(gòu)問(wèn)題和滲流問(wèn)題。土顆粒在高水頭滲流力的作用下容易被帶走，進(jìn)而發(fā)展為滲透破壞，表現(xiàn)形式有管涌、流土等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在土石壩所有的安全問(wèn)題中，由滲流引起的占37.1%［3］。因此，土石壩的滲流穩(wěn)定是影響大壩安全的重要因素，滲流分析是大壩安全分析的重要內(nèi)容。

目前大量的土石壩中埋設(shè)了滲壓計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)壩體內(nèi)滲流場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，為分析和研究壩體內(nèi)滲流場(chǎng)的變化提供了寶貴資料，但目前對(duì)土石壩監(jiān)測(cè)資料分析的深度和廣度有待提高。

從2015年年底開(kāi)始，為規(guī)范水利工程管理，浙江省迅速地推廣水利工程標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，把大壩監(jiān)測(cè)工作作為水庫(kù)管理的重要內(nèi)容，對(duì)大壩監(jiān)測(cè)在數(shù)據(jù)采集、資料整編、數(shù)據(jù)分析方面都作出了明確規(guī)定。數(shù)據(jù)采集、資料整編可以通過(guò)自動(dòng)化或軟件實(shí)現(xiàn)，但資料分析相對(duì)困難。因此，本文結(jié)合浙江省土石壩的滲流監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀、以往滲流資料的分析方法研究，研究了基于土石壩滲流監(jiān)測(cè)資料的滲流分析方法，以期為浙江省水利工程標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)中的滲流分析提供參考。

2　滲流壓力分析

2.1過(guò)程線(xiàn)分析

過(guò)程線(xiàn)分析是規(guī)范中推薦的方法，以時(shí)間為橫軸，以各觀(guān)測(cè)項(xiàng)目的工程物理量為縱軸，繪制物理量隨時(shí)間變化的過(guò)程線(xiàn)。為分析各影響因子之間的關(guān)系，常把庫(kù)水位、降雨量、溫度等影響因子繪制在同一張圖上，以便分析不同物理量在時(shí)間和空間上的變化過(guò)程及變化趨勢(shì)。著重觀(guān)察不同變量之間的關(guān)系，分析測(cè)值和因變量之間的因果關(guān)系，查看有無(wú)持續(xù)增加或減小的趨勢(shì)，有無(wú)突變，結(jié)合土石壩滲流分布規(guī)律，判斷是否存在異常。

2.2浸潤(rùn)線(xiàn)分析

在土石壩斷面圖上繪制壩體浸潤(rùn)線(xiàn)，可直觀(guān)地看出斷面上滲流壓力的分布規(guī)律。將實(shí)測(cè)壩體浸潤(rùn)線(xiàn)與設(shè)計(jì)壩體浸潤(rùn)線(xiàn)進(jìn)行比較，當(dāng)實(shí)測(cè)壩體浸潤(rùn)線(xiàn)高于設(shè)計(jì)壩體浸潤(rùn)線(xiàn)，或出現(xiàn)其它異常時(shí)，應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.3相關(guān)性分析

通過(guò)計(jì)算不同測(cè)點(diǎn)或不同時(shí)段內(nèi)滲流壓力與水位的相關(guān)系數(shù)，可分析判斷不同位置測(cè)點(diǎn)與庫(kù)水位的相關(guān)性大小，根據(jù)滲流壓力分布規(guī)律判斷其是否合理。計(jì)算不同時(shí)段的相關(guān)系數(shù)，可以分析判斷滲流發(fā)展趨勢(shì)，向惡化或者改善方向發(fā)展。

2.4滯后性分析

滲流壓力的滯后性有2種，一種是測(cè)量裝置的滯后性，一種是庫(kù)水位變化導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)發(fā)生變化的滯后性，分析中應(yīng)加以區(qū)別。滲流測(cè)量裝置一般有測(cè)壓管或埋入式滲壓計(jì)，測(cè)壓管測(cè)量滲流壓力是通過(guò)水滲入和流出測(cè)壓管內(nèi)導(dǎo)致管內(nèi)水位變化，根據(jù)水位上升或下降，從而反映滲流壓力的變化。測(cè)壓管補(bǔ)充或排出水量需要的時(shí)間，導(dǎo)致測(cè)壓管出現(xiàn)滯后性，這種效應(yīng)一般在滲透性較小的土中表現(xiàn)得特別明顯，因此《土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，在土的滲透系數(shù)小于1×10-5cm/s的情況下，不適合埋設(shè)測(cè)壓管進(jìn)行觀(guān)測(cè)。埋入式滲壓計(jì)不存在測(cè)壓管的滯后性問(wèn)題，在有壓飽和土體內(nèi)，滲流壓力的傳遞十分迅速，時(shí)間可以忽略不計(jì)，但土石壩為無(wú)壓滲流，常表現(xiàn)出一定的滯后性，分析中應(yīng)明確滯后性產(chǎn)生的原因。

采用單因子回歸模型可以計(jì)算滲流壓力與水位的滯后時(shí)間。通過(guò)分析滯后性的原因和時(shí)間長(zhǎng)短，可以判定測(cè)點(diǎn)與庫(kù)水位的連通性。

2.5滲流分布等值線(xiàn)分析

通過(guò)繪制滲流分布等值線(xiàn)圖，可以觀(guān)察壩體不同部位的滲流分布情況，分析滲流分布規(guī)律，解釋滲流規(guī)律成因。繪制可以借助現(xiàn)有軟件，例如采用SUFER或其它程序進(jìn)行繪制。

2.6壩基抗?jié)B分析

計(jì)算各斷面相鄰測(cè)點(diǎn)的滲透坡降，與允許滲透坡降進(jìn)行比較，判斷滲透穩(wěn)定性。

2.7位勢(shì)分析

拉普拉斯方程可以用來(lái)描述穩(wěn)定的大壩滲流場(chǎng)。對(duì)于建在強(qiáng)透水地基上、采用鋪蓋進(jìn)行防滲的壩基滲流，可以簡(jiǎn)化為有壓滲流。根據(jù)拉普拉斯方程，勢(shì)函數(shù)在滲透介質(zhì)固定的情況下，是空間位置的函數(shù)，不隨時(shí)間和庫(kù)水位的變化而變化。對(duì)于滲流測(cè)點(diǎn)，空間位置確定，作為無(wú)量綱量的勢(shì)函數(shù)也不隨時(shí)間變化，為常數(shù)，一旦發(fā)生變化，說(shuō)明滲透介質(zhì)發(fā)生改變。不能簡(jiǎn)化為有壓滲流的情況下，可以分析在同一庫(kù)水位情況下的位勢(shì)，也就是庫(kù)水位一定，滲透介質(zhì)一定，位勢(shì)僅是空間位置的函數(shù)，在一定庫(kù)水位情況下，位勢(shì)可視為常數(shù)，若發(fā)生變化，說(shuō)明滲透介質(zhì)發(fā)生變化，可據(jù)此來(lái)分析滲流監(jiān)測(cè)資料。

勢(shì)函數(shù)可用位勢(shì)表示。位勢(shì)和測(cè)滲壓水位的關(guān)系見(jiàn)式（1）：

式中：φ為位勢(shì)，無(wú)量綱量；H為滲透壓力水位，m；H1為上游水位，m；H2為下游水位，m。

通過(guò)對(duì)過(guò)程線(xiàn)的觀(guān)測(cè)與分析，判斷滲流安全，對(duì)分析判斷準(zhǔn)則進(jìn)行歸納（見(jiàn)表1）［4］。

表1　位勢(shì)分析準(zhǔn)則表

2.8回歸模型分析

采用多元回歸方法建立滲流壓力統(tǒng)計(jì)模型［5］，統(tǒng)計(jì)模型的因子為上游水深、降水量、時(shí)間等，根據(jù)相關(guān)系數(shù)，就回歸效果給出定性結(jié)論?；貧w模型見(jiàn)式（2）～（4）。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)模型可以分析并預(yù)測(cè)滲流發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)對(duì)水位、雨量、時(shí)效線(xiàn)性項(xiàng)和時(shí)效對(duì)數(shù)項(xiàng)進(jìn)行分離變量分析。確定各個(gè)因素的影響程度，找出主要影響因素。當(dāng)主要影響因素為時(shí)效線(xiàn)性項(xiàng)或水位時(shí)，應(yīng)分析主要影響因素的逐年變化規(guī)律，確定大壩是否存在安全隱患。

3　滲流量分析

滲流量過(guò)程線(xiàn)分析一般以滲流量為縱坐標(biāo)，以時(shí)間為橫坐標(biāo)，作滲流量過(guò)程線(xiàn)圖，同時(shí)繪出上下游水位過(guò)程線(xiàn)和降雨量分布圖，這些是常用的資料整理方法。通過(guò)對(duì)比滲流量和庫(kù)水位、降雨量的變化過(guò)程和相關(guān)程度，判斷滲流量的影響因素及變化規(guī)律。對(duì)滲流量同樣可以進(jìn)行相關(guān)性分析和回歸模型分析，方法同滲流壓力分析。

3.1根據(jù)測(cè)壓管水位估算壩基滲流量

通常情況下，浙江省的土石壩下游無(wú)水，沒(méi)有條件安裝滲流量觀(guān)測(cè)設(shè)施時(shí)，無(wú)法直接觀(guān)測(cè)滲流量，可以將大壩壩基等效為有限均勻地基，通過(guò)壩下游的測(cè)壓管水位換算壩基滲流量。均勻有限地基上的無(wú)壓滲流量計(jì)算示意見(jiàn)圖1。

圖1　壩基滲流量計(jì)算示意圖

滲流速度可采用達(dá)西定律，方程如下：

單寬流量方程如下：

分離變量積分可以得到如下方程：

帶入邊界條件（x = 0時(shí)，y = h1；x = l時(shí)，y = h2），可以得到單寬流量如下計(jì)算方程：

3.2化引流量分析

化引流量可用如下方程進(jìn)行計(jì)算：

式中：Q為總滲流量，m3/s；B為過(guò)水寬度，m。

對(duì)具體工程，k和B是常數(shù)，因此，式（9）可變?yōu)椋?/p>

化引流量和位勢(shì)分別相當(dāng)于流函數(shù)和勢(shì)函數(shù)，根據(jù)式（10），化引流量可作為無(wú)量綱量，其分析方法與位勢(shì)基本相同。對(duì)于有壓滲透，化引流量不隨時(shí)間變化；對(duì)于無(wú)壓滲流，在同一庫(kù)水位下，化引流量不隨時(shí)間變化，若發(fā)生變化，則滲透介質(zhì)發(fā)生變化［6］。將化引流量與周?chē)鷿B流壓力結(jié)合進(jìn)行分析，具體分析準(zhǔn)則見(jiàn)表2［4］。

表2　化引流量分析準(zhǔn)則表

4　結(jié)　語(yǔ)

針對(duì)浙江省現(xiàn)狀條件下土石壩的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及監(jiān)測(cè)情況，在前人所研究的滲流分析方法的基礎(chǔ)上，研究了滲流監(jiān)測(cè)資料的分析方法，通過(guò)對(duì)滲流壓力和滲流量的過(guò)程線(xiàn)、分布圖、相關(guān)性、滯后性、位勢(shì)、化引流量及滲流模型進(jìn)行分析，結(jié)合滲流在時(shí)間、空間上的分布規(guī)律及影響因素的分析，可以清楚地了解滲流的分布規(guī)律、分布成因及發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)滲流穩(wěn)定和大壩安全做出判斷，有效發(fā)揮滲流監(jiān)測(cè)資料的作用，為大壩安全運(yùn)行提供技術(shù)支撐，以期為水利工程標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)的大壩監(jiān)測(cè)資料分析提供參考。

［1］孫少華，謝紅強(qiáng)，左林勇.基于有限元法的土石壩滲流特性及防滲效果研究［J］.礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，2009，29（3）：27 - 29.

［2］王良，崔英華.浙江省小型水庫(kù)土石壩病險(xiǎn)分析及對(duì)策［J］.浙江水利科技，2009（1）：26 - 28.

［3］丁樹(shù)云，蔡正銀.土石壩滲流研究綜述［J］.人民長(zhǎng)江，2008，39（2）：33 - 36.

［4］龐毅，王保澤，楊萬(wàn)志，等.土石壩安全監(jiān)測(cè)分析評(píng)價(jià)技術(shù)與工程應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2011.

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

［6］王韋.土壩滲流觀(guān)測(cè)資料的分析及應(yīng)用［J］.水利水運(yùn)科學(xué)研究，1980（2）：10 - 19.

（責(zé)任編輯黃超）

Study on the Analysis Method of Embankment Dam Seepage Monitoring Data

XU Xiao - chen1，2，XU Xiao - jie1，2，ZHAN Chuan1，2，LI Hong - qiang1，2，TANG Ming - li1，2
（1.Zhejiang Guangchuan Engineering Consulting Co.，Ltd.，Hangzhou 310020，Zhejiang，China；2.Zhejiang Institute of Hydraulics & Estuary，Hangzhou 310020，Zhejiang，China）

To better play the role of embankment dam seepage monitoring data，on the basis of monitoring situation under present conditions in Zhejiang Province and previous seepage analysis methods，this paper studied on the analysis method of seepage monitoring data，combining with the requirements of water conservancy standardization construction in Zhejiang Province.By analyzing the distribution rule and its controlling factors of the seepage flow in time and space，it made judgments on seepage stability and dam safety，playing the role of seepage monitoring data effectively.

seepage monitoring；data analysis；embankment dam；analysis model

TV223.4

A

1008 - 701X（2016）05 - 0021 - 03

10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2016.05.009

2016-07-22

浙江省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2014F50016）。

許孝臣（1982 - ），男，工程師，碩士，主要從事大壩安全監(jiān)測(cè)、巖土滲流與控制工作。