水庫大壩滲流觀測資料分析研究

于東波 韓立煒

(華北水利水電大學，河南 鄭州 450045)

0 引言

我國一半以上水庫大壩因為運行時間長，大多處于病險狀態，在大壩失事事故中，一大部分是由于滲透破壞引起的。通過滲流觀測資料，對大壩運行進行預測分析，并根據分析結果，預先采取有效措施，把隱患消滅在萌芽狀態，以確保大壩健康運行[1]。

在壩體和壩基的適當部位，采用一定數量的滲透壓儀觀察滲流情況，了解壩體浸沒線和各點的滲透壓。對土石壩的滲壓儀器進行觀測，以獲得滲透壓力和滲流的實測數據。并對這些實測數據進行分析，可以對大壩的滲透壓全面了解。這對土石壩的穩定性分析和滲流分析具有重要的現實意義[2]。

1 壩體滲壓滯后因素分析

1.1 滯后因素的分析

通過記錄實測滲壓計數據，可以發現嵌入壩體的滲壓計的滲透壓值相對較小，且變化與水庫水位的變化不同步。滲透壓變為峰值(谷值)的時間傾向于晚于儲層水位達到峰值(谷值)的時間，并且存在時間差。這就是滲壓的滯后性。此外，同一部分中每個滲透壓計的滲透壓滯后時間明顯不同。

由于壩體防滲體滲透性小，滲透壓值滯后時間較為明顯。因此，在分析滲透壓值的觀測數據時，有必要發現滲壓滯后時間。一方面，在選擇因子時考慮其影響；另一方面，它可以用作分析大壩滲透率的指標。

造成滲壓滯后的原因具有復雜性，且有多種因素對其產生影響，可歸納如下：水壓傳遞需要時間，非飽和土壤(或無壓飽和土壤水)的水填充耗散需要時間，不穩定滲流的影響，以及壩體填充不均勻質量的影響。

然而，由于實際情況的復雜性，通常難以獲得滲透壓的滯后時間。通常基于滲透壓值和儲層水位的時間歷程曲線來估計。其方法主要有如下兩種：

1)在水庫水位與滲透壓之間采取較長時間的相對穩定性，當穩態開始在其各自的時間歷史曲線上變化(向上和向下)時，選擇兩個轉折點之間的時間差。即為相應滲壓的滯后時間。

2)將對應于兩個時間歷程曲線的峰谷時差作為滯后時間。

1.2 滯后參數演變規律

在大壩滲流場趨于穩定后，影響滯后時間的因素有防滲結構的滲透系數(如給水度、滲透系數)等。一般來說，滲壓參數的影響不會隨時間的變化而發生改變，是相對確定的關系。如果滯后時間減少，滲透壓增加，滲流增加，壩體滲透結構的滲透率增加;相反，如果滯后時間增加，滲流減少并且滲透壓降低，則滲流結構的滲透性降低。

在對大壩的滲透率進行分析時，一般需要將實測的浸沒線與原來設計的浸沒線進行比較。由于“滯后時間”的影響，如果將測量的浸入線直接與設計浸入線進行比較，然后在高水位下，通常得出結論，測量的浸沒線低于設計浸沒線。這是因為穩定滲流的概念被用于設計計算和土石壩的運行，觀測到的滲透水位是水庫水位波動情況下不穩定滲流的瞬態結果。

2 壩體壩基滲壓水位的統計分析

基于土石壩工程的復雜性，通過建立觀測數據的數學模型，定量分析水庫面板、壩體、水庫和壩前淤積對滲壓計水位的影響，運用統計模型的分析方法對實測數據進行分析。

2.1 滲壓水位的因子分析

滲透水位是由上游和下游水位差，降雨和時效等因素引起的。滲透水位的高低與上下游水位的波動和壩體材料的滲透性有關。在滲透過程中，當水流克服土壤顆粒之間的阻力時，需要一定的時間從上游滲透到滲壓計的位置。因此，滲壓水位還與前期庫水位有關。此外，土壤的固結改變了土壤顆粒結構的排列，淤積對大壩前滲流狀態的影響可能是影響滲透水位的因素。因此，影響滲透水位的因素可歸納為三個部分：水庫水位分量YH，降雨分量Y1和時效分量Yθ成分。

2.2 滲壓水位的統計模型[3]

由以上對滲壓水位影響因素的分析，可建立滲壓水位的統計模型：

h=hu+hd+hp+hθ

(1)

其中,h為滲壓水位；hu為上游水位分量；hd為下游水位分量；hp為降雨分量；hθ為時效分量。

2.2.1上游水位分量

根據土石壩滲流分析，土體浸潤線方程為：

(2)

其中，hi為滲壓水位；hu為上游水位；k，q分別為滲透系數和單寬流量。

(3)

2.2.2下游水位分量

下游水位采用觀測日期的當天下游水位為因子，即：

hd=adhd

(4)

其中，ad為下游水位的回歸系數；hd為下游水位。

2.2.3降雨分量

(5)

2.2.4時效分量

土石壩竣工蓄水后，水壓的變化導致壩體土壤結構顆粒的變化;大壩前自然鋪設逐漸積累等因素也是影響因素。這些因素對滲透水位的影響有一個時效過程，通過以下方式模擬：

hθ=c1θ+c2lnθ

(6)

其中，c1，c2均為時效分量回歸系數；θ為蓄水初期開始的天數除以100計。

時效分量反映的是防滲排水措施發生變化以及泥沙淤積等對壩體壩基滲流場的影響，如果時效分量曲線呈發散態勢，則表明大壩滲流條件正在逐漸惡化，滲流場處于非穩定狀態，應及時采取防治滲流破壞的有效措施進行控制。反之，時效分量呈收斂趨勢，說明大壩滲流條件得到改善，對大壩安全有利。

綜上所述，獲得滲透水位的統計模型：

(7)

其中，a0為常數項。

3 上水庫堆石壩滲壓觀測資料分析

某抽水蓄能電站為日調節純抽水蓄能電站，由上水庫、輸水系統、地下廠房系統、地面開關站及下水庫等建筑物組成。為對抽水蓄能電站水工建筑物進行系統的觀察和測量，并通過分析研究觀測資料，監視水工建筑物在運行期間的滲流狀態變化。抽水蓄能電站水工觀測共布置壩基滲壓計4支；圖1～圖4是對滲流觀測資料分析得到的滲壓統計模型。

根據觀測資料計算滲壓的各個統計值，得到壩基滲壓回歸模型參數表，如表1所示。

表1 壩基滲壓回歸模型參數表

由表1及圖1～圖3可得，相關系數都在0.99以上，相對誤差也較小，說明所建立的回歸模型是合理的。同時由趨勢可知，隨著時間的變化，滲壓值也在逐步降低，這對壩基滲流是有利的。

4 結語

從壩基滲壓計測值擬合線看出，壩基滲壓計測值規律性較好，與庫水位呈正相關關系，庫水位上升，壩基滲壓計測值增大，庫水位降低，滲壓計測值隨之減小。在蓄水前，大部分時間段內各支滲壓計測值比庫水位高，表明滲壓計測值主要受壩基地下水位的影響，各支滲壓計測值符合大壩運行壩基滲壓變化的一般規律，所建立的滲壓回歸模型可行。

通過對實測數據建立數學模型并進行統計分析，來判斷大壩的運行狀況，對于及時預防和避免因為大壩滲流破壞導致的意外事故有重要意義，同時對土石壩壩體穩定分析和滲流分析有很大的實用意義。