察汗烏蘇面板堆石壩運行期壩體滲壓變化分析

邱先志

(國家能源集團新疆開都河流域水電開發(fā)有限公司，新疆 庫爾勒 841000)

1 工程概況

察汗烏蘇大壩位于新疆維吾爾自治區(qū)巴音郭楞蒙古自治州(以下簡稱巴州)和靜縣境內，為混凝土面板砂礫石壩，最大壩高110 m，壩頂寬8 m，長354 m；上游面板坡比1∶1.5，下游綜合坡比1∶1.99。水庫正常蓄水位1 649.00 m，汛限水位1 640.00 m，死水位1 620 m，最大庫容1.25億m3，于2007年10月31日下閘蓄水，經初蓄期和后期兩次抬升水位，于2009年6月水位首次接近正常蓄水位。水庫自下閘蓄水以來歷經最大庫水位1 649 m，最低庫水位1 620.07 m。大壩運行期歷次檢查未見明顯破壞情況。

2 滲壓監(jiān)測儀器概況

為監(jiān)測察汗烏蘇大壩壩體滲壓，共設置4個監(jiān)測斷面(壩左0+96 m，0+154 m，0+202 m，0+247 m)，分別在面板下墊層料區(qū)、壩基與堆石體結合部位及趾板附近安裝振弦式滲壓計，用于監(jiān)測壩體滲壓，具體見圖1,圖2。

察汗烏蘇大壩各滲壓計于施工期隨壩體填筑過程埋設，隨后采用人工觀測方式讀數，初期觀測頻次為1次/d，后根據實際情況逐漸調整觀測頻次至1次/周，至2009年底接入自動化觀測系統(tǒng)，觀測頻次變更為1次/d。

察汗烏蘇大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)采用南京南瑞DAMS-IV型工程安全監(jiān)測系統(tǒng)，其具有系統(tǒng)結構可靠、組態(tài)靈活、運行效能高等特點[1]。實際運行中，通過該系統(tǒng)實現每日上午8時測量各滲壓計滲壓和溫度測值。

3 運行期大壩滲壓監(jiān)測概況

本文僅討論察汗烏蘇大壩運行期滲壓變化情況，故監(jiān)測數據選取時段為2010年1月1日～2020年12月31日。繪制全部滲壓計測值及同期庫水位過程線圖(見圖3)，可見各測點過程線主要分離成壩基測點和面板下測點兩個部分，其中壩基測點測值普遍較高，波動較大，過程線波動隨庫水位波動呈一定相關性；面板下測點測值普遍偏低，基本分布在-10 kPa～10 kPa之間，多數測點測值呈年周期變化。

4 壩體滲壓變化規(guī)律分析及成因探究

經過簡單的過程線分析，可以確認察汗烏蘇大壩壩體滲壓測值變化存在一定的規(guī)律性。但形成該種變化的原理尚需具體討論，為便于分析，在壩體中部選擇一典型斷面(0+202 m斷面)，對其不同部位滲壓計測值規(guī)律進行具體分析。

4.1 滲壓測值變化規(guī)律分析方法

4.1.1 測值特征

繪制典型斷面滲壓測值過程線圖(見圖4，圖中P25，P26，P27測值波動較小，存在重疊)。

觀察各測點過程線可見，P21,P24與庫水位存在明顯相關性，P25，P26，P27，P28測值存在較明顯的年周期變化規(guī)律，P23測值在2013年以前受庫水位影響較為明顯，自2013年起測值呈現出較明顯的年周期變化規(guī)律，各測點測值均有不同程度隨時間推移減小的趨勢。

4.1.2 確定影響因子及分析方法

通常，對于處于滲流場內的測點，其滲壓測值主要受上下游水位影響，同時隨著時間推移，壩體內微小的滲流通道可能受泥沙淤堵或壩體沉降自行閉合，造成滲壓降低。此外振弦式滲壓計測值除受測量部位孔隙水壓力影響外，還與儀器安裝部位大氣壓力有關[2](對于封閉系統(tǒng)，氣壓與溫度呈近似正比關系)，同時，鋼弦可能因夾具松動或外部環(huán)境影響，出現徐變情況，以上情況均會導致滲壓測值偏離真值。

考慮察汗烏蘇壩后水位波動極小，通常不超過0.5 m，而庫水位變幅達25 m以上，可以簡單的使用庫水位替代上下游水位。根據參考文獻認為：振弦式滲壓計測值與測點氣壓相關，對于封閉系統(tǒng)，氣壓與氣溫呈正比，而對于開放系統(tǒng)，則主要受大氣壓力影響，由于缺乏壩址區(qū)域周邊氣壓氣象數據，而在不考慮異常天氣過程的情況下可以簡單的認為大氣壓力與氣溫呈反比，故本次分析嘗試使用溫度變量作為氣壓變化的特征量。

綜上，在本次分析中選取受庫水位(H)、溫度(T)、時間(t)作為自變量，滲壓計測值(P)作為因變量按以下方程嘗試對滲壓計測值進行線性回歸，并檢驗殘差的分布特性。

P=α1H+α2T+α3t+C。

其中，α1，α2，α3分別為對應自變量對因變量P的影響系數；C為常數。

4.2 滲壓測值變化規(guī)律分析過程及成果

4.2.1 分析過程

以對P21滲壓計測值變化規(guī)律分析為例，詳述分析過程。

1)相關性檢驗。

在回歸分析前必須先進行變量間相關性檢驗。

以H，T，t為橫坐標，P為縱坐標繪制散點圖(見圖5，為便于觀察，已將橫坐標替換為測值所處百分位)。

對P，H，T，t進行兩兩相關檢驗，結果見表1。

表1 P21相關性檢驗結果統(tǒng)計表

2)線性回歸分析。

結合散點圖結果可認為P與t，H，T相關性顯著，同時可見T，H間相關性系數較高，但繪制散點圖確認T，H間無明顯相關關系(見圖6)，對數據進行對比分析認為出現該情況的原因主要系由于察汗烏蘇水庫調度存在一定年周期特性，通常汛期(5月～9月)維持在1 640 m左右運行，出汛后存在一定時段高水位運行，冬季庫水位則較低。排除t，H，T間相關性后，可以直接對P進行線性回歸分析，結果見表2。

表2 典型斷面各測點回歸參數統(tǒng)計表

繪制P21原始過程線與擬合過程線對比圖，如圖7所示。

結合回歸分析結果和擬合圖形對比，可見方程擬合原始數據良好。

3)殘差分析。

對殘差進行正態(tài)分布檢驗，并繪制柱狀圖(見圖8)，可見殘差總體服從正態(tài)分布，計算其標準差M=1.6。

4.2.2 滲壓計測值變化規(guī)律分析成果

逐個分析P21，P23，P24，P25，P26，P27，P28。

取得相應α1，α2，α3，C，M值統(tǒng)計見表2，繪制各測點原始過程線與擬合過程線對比圖形如圖9所示。

1)現象歸納。

結合回歸分析結果和擬合圖形對比。可發(fā)現以下現象：

a.壩基與堆石體結合面處布設的滲壓計測值普遍呈現與庫水位、溫度變化相關的規(guī)律。

b.面板下布設的滲壓計測值普遍與庫水位相關性差，測值變化基本不受庫水位變化影響。

c.各測點測值均存在隨時間推移測值降低的現象，且壩基測點較面板下測點測值下降趨勢更明顯。

d.P23測值在2013年前與庫水位相關性較好，但在2013年之后(特別是2014年以后)基本不存在與庫水位的相關性，轉而與溫度測值高度相關，以2013年10月作為節(jié)點前后分段回歸分析取得數據與原始測值擬合較好，僅2013年期間數據偏差較大。

e.P21，P23，P24，P27測值與溫度測值均為負相關，P25，P26，P28為正相關。

f.面板下測點中P25，P26，P27回歸分析方程與原始數據擬合程度較差，但P28擬合較好。

g.壩基測點P21，P23，P24回歸分析方程與原始數據均擬合較好。

h.壩基測點較面板下測點擬合殘差偏高。

2)成因分析。

a.面板及面板接縫止水工作良好，整體防滲性完好，因此面板下滲壓計測值基本不受庫水位影響。

b.根據參考文獻[3](振弦式滲壓計的長期應用研究)，振弦式滲壓計鋼弦徐變的主要表現形式為滲壓測值隨時間推移緩慢或突發(fā)增長，本次分析中各處滲壓計測值均與t呈負相關，不符合鋼弦徐變的特征，可以確認為系由于壩體內部滲漏通道逐漸封閉、愈合，造成各處滲壓計測值隨時間推移降低。

c.P23所處部位2013年前存在較清晰的滲漏通道，測值一定程度上受庫水位影響，2013年后該處受壩體沉降或泥沙淤堵影響，滲漏通道逐漸封閉，測點滲壓測值遂表現出不再受庫水位影響的趨勢。

d.P21，P23，P24，P27測點在振弦式滲壓計安裝過程中密閉性較好，測值反映以上測點區(qū)域基本為封閉系統(tǒng)，氣壓與溫度成正比關系，其余測點中振弦式滲壓計則與大氣存在一定程度聯通，氣壓與溫度成反比關系，且以P28為最(P28長期處于水面以上)。

e.P25，P26，P27回歸分析方程與原始數據擬合程度較差，可能系由于存在尚未計入分析的因素影響(如儀器自身測量誤差，儀器安裝后可能形成的是半封閉系統(tǒng)等)。

f.面板下滲壓計擬合殘差較為穩(wěn)定，標準差均在0.5左右，說明殘差可能主要是由儀器測量誤差形成，壩基測點擬合殘差波動較大，且均較面板下滲壓計擬合殘差偏高，說明在儀器測量誤差以外尚有未能納入分析的影響因子存在。