東津水電站大壩滲流量異常測值分析

敖圣鋒，姚東風，鄧永洪，劉異錦

(1.武漢大學水利水電學院，湖北 武漢 430072；2.江西東津發電有限責任公司，江西 九江 332499)

大壩安全監測是揭示大壩實際工作性態的重要手段，監測資料分析是判斷大壩安全的主要途徑。要對大壩安全狀態作出正確的診斷，首先需要對監測資料的可靠性和合理性進行分析；當測值存在明顯異常時，應分析異常測值產生的原因，并判斷異常測值是觀測誤差引起的，還是對大壩安全變異的實際反映[1]。

滲流監測是大壩安全監測的主要監測項目之一，包括混凝土的壩基揚壓力、土石壩的滲透壓力、壩體及壩基滲流量、水質等監測內容[2]。本文基于東津水電站大壩壩體及壩基滲流量監測資料，對測值序列中的明顯異常情況進行了綜合分析和處理，從而對壩體及壩基總滲流量實測性態做出了評價。

1 工程概況

東津水電站位于江西省修水縣境內的修河東津水上，是1座以發電為主，兼有防洪、灌溉、養殖等綜合效益的大(2)型水利水電樞紐工程，樞紐主要建筑物包括大壩、左岸開敞式溢流道、右岸山脊梁處理工程、發電引水隧洞、地面式廠房和開關站以及由導流洞改建的水庫放空洞等。水電站正常蓄水位190 m，按百年一遇洪水標準設計，相應設計洪水位194.29 m(P=1%)；考慮到下游建筑物防洪要求，校核洪水標準為萬年一遇，相應校核洪水位200.16 m(P=0.01%)。

東津水電站樞紐布置了較為完備的變形和滲流監測項目，其中滲流監測項目主要包括：壩基面滲透壓力監測、周邊縫接縫止水效果監測、繞壩滲流監測、滲流量監測等。其中，為監測壩體和壩基的總滲漏量，在大壩下游河床設置一道截水墻，并在樁號0+178.6 m處設置1座量水堰，堰頂高程124.96 m，堰口高程124.46 m。

量水堰于2000-07-21日始測，2004年及以前采用容積法進行人工觀測；2005年無觀測成果記錄；2006年1月開始采用量水堰儀實行自動監測，觀測頻次為1次/d。壩后量水堰自動化觀測采用量水堰儀(壓阻式水位計)進行觀測，量水堰儀實測滲流量計算采用計算公式為

Q=1.4H2.5

(1)

H=fr1H0

(2)

式中：Q為實測滲流量，L/s；H為實測堰上水頭，m；r1為傳感器讀數，無量綱；f為傳感器最小讀數，m/1個讀數，由廠家提供，本處為0.717；H0為三角形量水堰角點以下水深。

2 測值異常情況及成因

選擇2000～2016年壩體及壩基滲流量監測資料，繪制東津水電站壩后量水堰的全時段原始實測滲流量與降雨量變化過程線，見圖1。

圖1 壩后量水堰的全時段原始實測滲流量與降雨量變化過程線

東津水電站大壩滲流量原始監測成果主要存在以下異常表現。

1)監測資料中存在較長時段的數值成片畸大的明顯不合理現象，且測值數值基本相同。如觀測時段中的2010-06-21日～2010-08-31日，測值成片畸大，最大值達42 322.36L/s；再如2015-10-30日～2015-11-10日，測值陡然增大，最大值達到363 335.59 L/s。這些時段測值成片畸大，顯著大于正常的滲流量測值(一般<15 L/s)。從東津水電站水工技術人員處了解，出現這種情況的主要原因在于觀測系統出現故障，這些測值不是壩體及壩基實際滲流量的真實反映。

2)監測資料中存在短時段的數值過大的明顯不合理現象。如2012-05-13日～2012-05-19日、2014-07-16日～2014-07-17日、2016-07-06日～2016-07-07日等時段，這些時段滲流量測值陡然增大，最大滲流量達到16 770.17 L/s，明顯大于正常測值，但持續時間較短，且主要發生在溢洪道泄洪期間。通過實地考察及向水工技術人員了解情況，量水堰與溢洪道泄槽和出口的位置比較接近，量水堰過流量受溢洪道泄洪反灌以及泄洪時霧化形成的霧化雨水的影響嚴重，導致量水堰觀測到的滲流量過大。這些測值也不是壩體及壩基實際滲流量的真實反映。

3)監測資料序列中部分測次滲流量測值出現明顯的突變或尖點等現象。如2002-05-10日(38.86 L/s)、2003-06-26日(87.71 L/s)、2006-06-29日(28.79 L/s)、2012-06-27日(26.64 L/s)等測次。滲流量出現突變或尖點的測次較多但測值不大，一般小于100 L/s。通過向水工技術人員了解情況，并結合壩址降雨量變化過程線，出現突變的主要原因在于壩址降雨量對量水堰滲流量的影響。由圖1可知：①降雨對滲流量的影響主要集中在每年的雨季；②降雨對量水堰滲流量的影響程度存在差別，這估計與降雨時段是否與量水堰的觀測時刻存在重合有關。當降雨持續時間較長且與量水堰觀測時刻存在重合時，量水堰實測滲流量受降雨影響較明顯；當降雨持續時間不長且降雨量較小時，量水堰實測滲流量不受降雨影響或受降雨影響較小。受降雨影響的測值也不是壩體及壩基實際滲流量的真實反映。

3 數據處理

大壩監測數據的異常一般由運行性態變化、環境量異常、系統改造、人為誤差或系統故障等原因引起。對于監測系統造成的異常測值應予以剔除或作其他處理；對于運行性態變化引起的測值異常則要予以密切關注，并采取適當處理措施[3]。本文中東津水電站壩后量水堰滲流量監測數據存在較多明顯異常測值，主要是由監測系統及環境量異常造成的，經綜合分析采用以下兩種數據處理方式。

1)過程線中存在較長時段的數值成片畸大及短時段的數值過大等明顯不合理現象，主要是因觀測系統故障所致，或受溢洪道泄洪反灌及泄洪時的霧化雨水影響所致，不是對壩體及壩基實際滲流量的真實反映。這類測值差異顯著且數量較多，不易于逐個修正，因此本次數據處理選擇從量水堰滲流量實測成果中直接予以剔除。

2)監測數據中存在部分測次滲流量發生明顯突變的現象，主要原因在于壩址降雨量對量水堰滲流量的影響，使得量水堰實測成果不能反映壩體及壩基的實際滲流量，因此在滲流量監測資料分析前應盡量消除降雨的影響。經綜合分析，結合工程經驗，采取排除觀測日前7天累積降雨量超過5mm的量水堰實測滲流量的方法進行處理。

處理后的壩后量水堰全時段實測滲流量與降雨量的對比過程線見圖2，與上游水位的對比過程線見圖3。

圖2 處理后的壩后量水堰全時段實測滲流量與降雨量過程線

圖3 處理后的壩后量水堰全時段實測滲流量與上游水位過程線

4 滲流量變化特性分析

由圖2和圖3可知，量水堰實測滲流量具有如下特點。

1)2004年及以前采用人工觀測的量水堰實測滲流量較小，2006年采用自動化觀測以來量水堰實測滲流量明顯大于人工觀測滲流量，估計與不同觀測方法帶來的誤差有關。

2)降雨對壩后量水堰實測滲流量存在明顯影響。在全序列5 127 d的測值中，按前述方法(排除觀測日前7 d累積降雨量超過5 mm的量水堰實測滲流量)確定的受降雨影響較明顯的天數為3 496 d，占總天數的68%；剔除明顯不合理測值但未排除降雨影響情況下，全序列實測最大滲流量為87.71 L/s(相應的前7 d累計降雨量為280 mm)，發生在前期累計降雨量較大的時候。

3)無論是人工觀測，還是自動化觀測，剔除明顯不合理測值以及排除降雨影響后，量水堰實測滲流量絕大部分時段變化較為平穩，未表現出明顯的趨勢性變化，也未表現出其他的明顯不合理現象。從滲流量與相應上游水位的過程線來看，上游水位變化對壩后量水堰滲流量有一定的影響，但不明顯。

4)剔除明顯不合理測值以及排除降雨影響后，全時段實測最大滲流量為19.24 L/s，發生在2013-08-06日(相應上游水位186.45 m)，平均滲流量為3.60 L/s；滲流量小于1 L/s的天數有592 d，占數據處理后的觀測天數(1 631 d)的36%；滲流量小于5 L/s的天數有1 226 d，占數據處理后的觀測天數(1 631 d)的75%；滲流量大于10 L/s的天數有121 d，占數據處理后的觀測天數(1 631 d)的7.4%。表1給出了國內外部分已建面板堆石壩實測滲流量統計情況，對照表1來看，剔除明顯不合理測值以及排除降雨影響后，東津水電站壩后量水堰實測滲流量不大，在合理的范圍內。

表1 國內外部分已建面板堆石壩實測滲流量統計表

5 結 語

本文以東津水電站大壩壩體及壩基滲流量監測資料分析為例，針對原始觀測成果中的明顯異常現象，通過剔除明顯不合理測值以及排除降雨影響的方式，對原始監測資料進行了數據處理，并通過滲流量變化特性分析、國內外滲流量對比等方式，表明東津水電站大壩壩后量水堰實測壩體及壩基總滲流量性態正常，上游面板的防滲效果是良好的。

滲流量是大壩安全監測的主要監控項目之一，滲流量監測成果是判斷土石壩及面板堆石壩滲流運行性態和防滲效果的主要依據。本文的研究成果表明，在滲流量監測資料分析時，需要重點考慮以下因素。

1)實測成果中存在的觀測誤差。東津水電站大壩滲流量監測成果中存在的明顯異常測值，主要是由于觀測系統故障引起的，或因外界因素影響導致客水侵入引起的。這些測值不是壩體及壩基實際滲流量的真實反映，必須進行處理。

2)降雨影響是導致滲流量觀測成果異常的主要因素，也是普遍存在的因素。降雨影響使得觀測的滲流量大于實際滲流量，導致對壩體及壩基滲流性態產生誤判。因此，在滲流量監測資料分析時，需要采取一定的措施，排除降雨因素的影響。