汾河水庫大壩滲透系數反演計算方法簡述

張世泉

（山西省水利水電勘測設計研究院，山西 太原 030024）

1 工程概況

汾河水庫位于太原市婁煩縣杜交曲鎮下石家莊村北約1km汾河干流上游，屬黃河流域，是一座以防洪、灌溉、工業和城市供水為主，兼顧發電和養魚等綜合利用的大（二）型水利樞紐工程。水庫樞紐工程由大壩、溢洪道、輸水發電洞、泄洪隧洞及水電站等建筑物組成，所有泄水建筑物均位于右岸。攔河大壩為水中倒土壩，壩頂高程1131.4m，最大壩高61.4m。

大壩主壩段位于卵石混合土和混合土卵石層上；左岸副壩位于厚19～23m的低液限粉土上，下部為厚約2～3m的卵石混合土；右壩肩位于厚8～25m的低液限粉土上，下部為厚約2～3m的卵石混合土。

2 觀測資料分析

2.1 觀測資料完整性、時效性分析

汾河水庫近十年的大壩安全監測資料沒有經過校正，無法利用。本次收集到的觀測資料是1983—2000年間的整編資料。滲流觀測資料不連續，且多數測壓管或孔隙水壓力計與庫水位相關性較差。河床段共設壩 0+180，壩 0+230，壩 0+370，壩 0+450，壩 0+490五個觀測橫斷面。

大壩河床觀測斷面和測點雖然較多，但通過統計發現，資料不完整，或測壓管失效，與庫水位相關性較差（數據變幅較小），可利用的觀測資料不多。分析原因主要有以下幾方面：第一，經多年運行，測壓管的進水管段已淤積，致使庫水位升高時，測壓管水位上升較慢或幾乎不動；第二，有的測壓管進水管段太短，對庫水位的反應不太靈敏；第三，大壩土體滲透系數較小，壩軸線上游浸潤線較高，壩軸線下游浸潤線很快降至下游水位，下游壩面測點數據與下游水位相關，受庫水位影響較小；第四，測壓管（滲壓計）測點位置不合適，不能如實反映壩體滲流情況。

為判別實測資料的可用性，根據主河床觀測資料統計情況，結合地質勘探提供的壩0+230，壩0+370，壩0+490三個橫剖面圖，選擇相關測點的觀測資料，做出部分時段（相關性較好）的測壓管（孔隙水壓力計）過程線，確定測壓管滯后時間，判斷資料可用性。

由于測點與庫水位兩者水位差較大，從多年觀測資料整編圖上難以看出滯后的時間和相關關系，因此，從中選取測壓管與庫水位相關性較好的1～2年內的觀測數據做出過程線，選擇斷面壩0+370進行分析，其余斷面測點測壓管過程線繪制同上。

從測壓管過程線可以看出，所選時段的測壓管與庫水位時間滯后。

2.2 滲流觀測資料回歸分析

為了弄清楚庫水位與各斷面測壓管水位的相互關系，進而由實測資料推測高水位時壩體滲流情況，利用現有的觀測資料，選取有代表性的相對穩定庫水位下的測壓管水位，將實測數據進行直線回歸，得出每個測壓管的庫水位與管水位之間的表達式，利用該表達式預測正常高水位1129.0m時各斷面的測壓管水位。

在滲流過程中，影響觀測的主要因素為庫水位、溫度、時效和降水等。因溫度變化、降水對土石壩測壓管水位影響極小，而時效的影響可從過程線中推出，因此在相關分析時僅考慮庫水位的影響，即選取庫水位H和相關測點滯后的相應觀測值h，點繪h—H相關線，進行直線相關，經驗公式為h=b×H+a。各測點擬合的直線方程，相關系數R見表1。

表1 回歸分析表

由表1可以看出，所選取的測點觀測值與庫水位相關性較好，相關系數均在0.9以上。根據這些測點的觀測資料確定大壩壩體滲流系數。

3 大壩滲流分析斷面選擇

根據大壩運行多年實際情況（左岸副壩滲漏），結合大壩測點布置及測壓管運行狀況，選擇有代表性的斷面進行大壩滲流穩定計算，分別選取主河床段最大壩高斷面壩 0+370，0+230，0+490（副壩）斷面進行計算分析。

4 大壩反演計算確定滲透系數

計算時，首先選取與庫水位相關性較好的測點；其次根據地質專業提供的滲透系數對不同斷面在穩定滲流情況下進行滲流計算，并與觀測資料進行對比；最后根據在地質條件確定的滲透系數基礎上調整計算參數，直至各測點誤差均較小，即可認為該滲透系數比較合理，能夠反映壩體滲流特性。

本次復核時，地質勘察資料（豎井）結果為：主壩壩體土滲透系數為：Kx=0.0275～0.54m/d，Ky=0.022～0.224m/d，平均值為 Kx=0.156m/d，Ky=0.091m/d。

卵石混合土的滲透系數若采用地質建議值，計算結果與實際比較誤差大，參考類似工程和原設計值，采用K=9m/d。壩體計算區域內其他土層參考類似工程選取：淤泥Kx=Ky=0.0086m/d，排水棱體Kx=Ky=20m/d，截水槽及帷幕灌漿Kx=Ky=0.0052m/d。

計算時均選取相對穩定的庫水位（持續時間大于30d），并采用北京理正研究院編制的《滲流分析計算》進行計算。

通過分析大壩觀測資料，選擇壩0+230，0+370主河床斷面，0+490副壩利用管水位和庫水位相關性較好的測點，選取水位相對較高、持續時間較長、測點觀測資料相對齊全的庫水位進行滲流計算，經反復比較后選取庫水位為1122.6m（1983年1月）。對測點水頭與滲流計算的水頭進行比較，不同滲透系數、不同斷面計算結果見表2。

表2 滲流計算結果表 單位：m

從表2計算值和觀測值比較看出，測點Ⅱ-5誤差一直很大，該測點予以剔除。除此之外，壩體土滲透系數Kx=0.129m/d，Ky=0.015m/d時，其他測點滲流計算的計算值與觀測值相對誤差較小。

為了驗證所選滲流參數的合理性，對地質勘察提供的壩體斷面0+230，0+370，0+490進行滲流對比計算。結果顯示，3個斷面4個勘探點的水位吻合均很好，僅在0+490斷面有1個勘探點水面略高于實測，說明通過反分析確定的滲流參數比較合理。最終確定壩體各土層滲透系數見表3。

表3 各土層滲透系數表

5 結語

由于土石壩是三維滲流場，用滲流基本方程計算成果很難與大壩實際運行情況一致，考慮大壩邊界條件的復雜性，壩體、壩基滲流的非均勻性，根據實測資料對滲流參數進行反演分析，確定合理的滲透參數，再進行滲流有限元計算，從而推測出正常高水位下的滲流場及浸潤線位置，為大壩穩定計算提供依據。