土石壩滲流監測資料分析方法研究

許孝臣，許小杰，占　川，李洪強，湯明禮

（1.浙江廣川工程咨詢有限公司，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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土石壩滲流監測資料分析方法研究

許孝臣1，2，許小杰1，2，占川1，2，李洪強1，2，湯明禮1，2

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

為更好地發揮土石壩滲流監測資料的作用，以浙江省現狀條件下的監測狀況、已研究的滲流分析方法為基礎，結合浙江省水利工程標準化建設的要求，研究了滲流監測資料的分析方法，通過分析滲流在時間、空間上的分布規律及其影響因素，對滲流穩定和大壩安全做出判斷，有效發揮滲流監測資料的作用。

滲流監測；資料分析；土石壩；分析模型

1　問題的提出

土石壩是當地材料壩，有諸多優點，如造價低、施工技術成熟、便于管理等，在國內外的應用較廣。據統計，土石壩在國外占所有大壩的比例超過62.0%［1］，國內土石壩所占的比例更高，尤其是在小型水庫中，表現更為明顯，如浙江省擁有3 885座小型水庫，其中土石壩所占的比例高達90.5%［2］。

土石壩所面臨的問題主要有2個，即結構問題和滲流問題。土顆粒在高水頭滲流力的作用下容易被帶走，進而發展為滲透破壞，表現形式有管涌、流土等。據統計，在土石壩所有的安全問題中，由滲流引起的占37.1%［3］。因此，土石壩的滲流穩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容。

目前大量的土石壩中埋設了滲壓計，可以實現對壩體內滲流場的實時監控，為分析和研究壩體內滲流場的變化提供了寶貴資料，但目前對土石壩監測資料分析的深度和廣度有待提高。

從2015年年底開始，為規范水利工程管理，浙江省迅速地推廣水利工程標準化建設，把大壩監測工作作為水庫管理的重要內容，對大壩監測在數據采集、資料整編、數據分析方面都作出了明確規定。數據采集、資料整編可以通過自動化或軟件實現，但資料分析相對困難。因此，本文結合浙江省土石壩的滲流監測現狀、以往滲流資料的分析方法研究，研究了基于土石壩滲流監測資料的滲流分析方法，以期為浙江省水利工程標準化建設中的滲流分析提供參考。

2　滲流壓力分析

2.1過程線分析

過程線分析是規范中推薦的方法，以時間為橫軸，以各觀測項目的工程物理量為縱軸，繪制物理量隨時間變化的過程線。為分析各影響因子之間的關系，常把庫水位、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間和空間上的變化過程及變化趨勢。著重觀察不同變量之間的關系，分析測值和因變量之間的因果關系，查看有無持續增加或減小的趨勢，有無突變，結合土石壩滲流分布規律，判斷是否存在異常。

2.2浸潤線分析

在土石壩斷面圖上繪制壩體浸潤線，可直觀地看出斷面上滲流壓力的分布規律。將實測壩體浸潤線與設計壩體浸潤線進行比較，當實測壩體浸潤線高于設計壩體浸潤線，或出現其它異常時，應進行詳細分析。

2.3相關性分析

通過計算不同測點或不同時段內滲流壓力與水位的相關系數，可分析判斷不同位置測點與庫水位的相關性大小，根據滲流壓力分布規律判斷其是否合理。計算不同時段的相關系數，可以分析判斷滲流發展趨勢，向惡化或者改善方向發展。

2.4滯后性分析

滲流壓力的滯后性有2種，一種是測量裝置的滯后性，一種是庫水位變化導致測點發生變化的滯后性，分析中應加以區別。滲流測量裝置一般有測壓管或埋入式滲壓計，測壓管測量滲流壓力是通過水滲入和流出測壓管內導致管內水位變化，根據水位上升或下降，從而反映滲流壓力的變化。測壓管補充或排出水量需要的時間，導致測壓管出現滯后性，這種效應一般在滲透性較小的土中表現得特別明顯，因此《土石壩安全監測技術規范》規定，在土的滲透系數小于1×10-5cm/s的情況下，不適合埋設測壓管進行觀測。埋入式滲壓計不存在測壓管的滯后性問題，在有壓飽和土體內，滲流壓力的傳遞十分迅速，時間可以忽略不計，但土石壩為無壓滲流，常表現出一定的滯后性，分析中應明確滯后性產生的原因。

采用單因子回歸模型可以計算滲流壓力與水位的滯后時間。通過分析滯后性的原因和時間長短，可以判定測點與庫水位的連通性。

2.5滲流分布等值線分析

通過繪制滲流分布等值線圖，可以觀察壩體不同部位的滲流分布情況，分析滲流分布規律，解釋滲流規律成因。繪制可以借助現有軟件，例如采用SUFER或其它程序進行繪制。

2.6壩基抗滲分析

計算各斷面相鄰測點的滲透坡降，與允許滲透坡降進行比較，判斷滲透穩定性。

2.7位勢分析

拉普拉斯方程可以用來描述穩定的大壩滲流場。對于建在強透水地基上、采用鋪蓋進行防滲的壩基滲流，可以簡化為有壓滲流。根據拉普拉斯方程，勢函數在滲透介質固定的情況下，是空間位置的函數，不隨時間和庫水位的變化而變化。對于滲流測點，空間位置確定，作為無量綱量的勢函數也不隨時間變化，為常數，一旦發生變化，說明滲透介質發生改變。不能簡化為有壓滲流的情況下，可以分析在同一庫水位情況下的位勢，也就是庫水位一定，滲透介質一定，位勢僅是空間位置的函數，在一定庫水位情況下，位勢可視為常數，若發生變化，說明滲透介質發生變化，可據此來分析滲流監測資料。

勢函數可用位勢表示。位勢和測滲壓水位的關系見式（1）：

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

通過對過程線的觀測與分析，判斷滲流安全，對分析判斷準則進行歸納（見表1）［4］。

表1　位勢分析準則表

2.8回歸模型分析

采用多元回歸方法建立滲流壓力統計模型［5］，統計模型的因子為上游水深、降水量、時間等，根據相關系數，就回歸效果給出定性結論?；貧w模型見式（2）～（4）。

根據統計模型可以分析并預測滲流發展趨勢，同時對水位、雨量、時效線性項和時效對數項進行分離變量分析。確定各個因素的影響程度，找出主要影響因素。當主要影響因素為時效線性項或水位時，應分析主要影響因素的逐年變化規律，確定大壩是否存在安全隱患。

3　滲流量分析

滲流量過程線分析一般以滲流量為縱坐標，以時間為橫坐標，作滲流量過程線圖，同時繪出上下游水位過程線和降雨量分布圖，這些是常用的資料整理方法。通過對比滲流量和庫水位、降雨量的變化過程和相關程度，判斷滲流量的影響因素及變化規律。對滲流量同樣可以進行相關性分析和回歸模型分析，方法同滲流壓力分析。

3.1根據測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水，沒有條件安裝滲流量觀測設施時，無法直接觀測滲流量，可以將大壩壩基等效為有限均勻地基，通過壩下游的測壓管水位換算壩基滲流量。均勻有限地基上的無壓滲流量計算示意見圖1。

圖1　壩基滲流量計算示意圖

滲流速度可采用達西定律，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，y = h1；x = l時，y = h2），可以得到單寬流量如下計算方程：

3.2化引流量分析

化引流量可用如下方程進行計算：

式中：Q為總滲流量，m3/s；B為過水寬度，m。

對具體工程，k和B是常數，因此，式（9）可變為：

化引流量和位勢分別相當于流函數和勢函數，根據式（10），化引流量可作為無量綱量，其分析方法與位勢基本相同。對于有壓滲透，化引流量不隨時間變化；對于無壓滲流，在同一庫水位下，化引流量不隨時間變化，若發生變化，則滲透介質發生變化［6］。將化引流量與周圍滲流壓力結合進行分析，具體分析準則見表2［4］。

表2　化引流量分析準則表

4　結　語

針對浙江省現狀條件下土石壩的監測項目及監測情況，在前人所研究的滲流分析方法的基礎上，研究了滲流監測資料的分析方法，通過對滲流壓力和滲流量的過程線、分布圖、相關性、滯后性、位勢、化引流量及滲流模型進行分析，結合滲流在時間、空間上的分布規律及影響因素的分析，可以清楚地了解滲流的分布規律、分布成因及發展趨勢，對滲流穩定和大壩安全做出判斷，有效發揮滲流監測資料的作用，為大壩安全運行提供技術支撐，以期為水利工程標準化建設的大壩監測資料分析提供參考。

［1］孫少華，謝紅強，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］.礦業研究與開發，2009，29（3）：27 - 29.

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

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

［4］龐毅，王保澤，楊萬志，等.土石壩安全監測分析評價技術與工程應用［M］.北京：中國水利水電出版社，2011.

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

［6］王韋.土壩滲流觀測資料的分析及應用［J］.水利水運科學研究，1980（2）：10 - 19.

（責任編輯黃超）

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

浙江省科技計劃項目（2014F50016）。

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