水利工程論文-土石壩滲流觀測資料分析模型及方法.doc

水利工程論文-土石壩滲流觀測資料分析模型及方法摘要：為了有效地根據(jù)土石壩的原型觀測資料來分析壩體和壩基中存在的滲流問題，本文以滲流理論為基礎(chǔ)，結(jié)合工程實際，考慮了水位、降雨量、壩基排水以及時效等因素對滲流的影響，建立了土石壩壩體和壩基測壓管以及通過大壩滲流量等觀測資料的統(tǒng)計分析模型和方法。經(jīng)對青山和對河口水庫等工程的實際應(yīng)用，說明其效果是令人滿意的。關(guān)鍵詞：土石壩滲流分析滲流觀測分析模型在土石壩壩體和壩基適當(dāng)部位，有計劃地設(shè)置一些測壓管或滲壓計，以及在其下游適當(dāng)部位設(shè)置觀測滲流量的量水堰，并進行觀測，可及時了解水庫在運行過程中壩體的浸潤線位置和滲流區(qū)各點滲透壓力的大小，以及通過壩體和壩基滲流量的變化情況，這對大壩的滲流和穩(wěn)定分析都具有很大的實際意義。對土石壩各部位的測壓管水位和滲流量，選用合理的分析模型進行及時的分析是監(jiān)測土石壩運行安全的重要內(nèi)容。本文從滲流的支配方程入手，建立了土石壩中有壓、無壓滲流及其滲流量觀測資料的分析模型。經(jīng)過實際應(yīng)用表明，它可較好地解決實際工程問題。1土石壩滲流的支配方程忽略地下水流動方程中的慣性項，土石壩滲流的支配方程1,2為(1)滲流場為均質(zhì)各向同性時，式（1）變?yōu)榛?2)式中：kx、ky、kz分別為x、y、z方向上的滲透系數(shù)，h為水頭，=-kh為滲流速度勢。對穩(wěn)定滲流而言，它的解實際上可歸結(jié)為在滿足某特定邊界條件下，求解上述方程式。對無壓滲流問題，由于浸潤面事先為未知邊界，故在求解過程中，先假定浸潤面邊界，然后需通過反復(fù)試算，才可以對問題進行求解。根據(jù).和.的推導(dǎo)結(jié)果1，對具有自由面的緩變滲流，當(dāng)坐標(biāo)軸位于不透水層面時，其不穩(wěn)定滲流的方程形式為：。在穩(wěn)定滲流時，則滲流方程的形式為：。以上式中：H為水深函數(shù)；ne為有效孔隙率；t為時間。在這種情況下，浸潤線位置即是方程中的一個變量，故它無需作為邊界條件來考慮。由于這時地下水流水深函數(shù)H的平方項亦滿足拉普拉斯方程，故只需以H2為基本變量，就可求解有壓滲流一樣的方法解決無壓滲流問題。因此人們常將上述方程應(yīng)用于無壓滲流問題中。2壩基有壓滲流觀測資料分析根據(jù)上述滲流支配方程的基本特性，當(dāng)滲流場固定時，各點的位勢應(yīng)不隨時間而變。位勢可用下式表示：。式中：hi為測壓管水位，H1、H2分別為上下游水位。對壩體基本不透水的壩基有壓滲流而言，由于滲流場是不變的，故滲流場中某固定點的位勢與上下游水位變化無關(guān)，基本上為一常數(shù)。若滲流場中某點的位勢隨時間增大，則意味著上游鋪蓋遭受局部破壞或在壩基內(nèi)部產(chǎn)生滲透變形；相反，若位勢減小，則意味著水庫淤積或壩基內(nèi)部淤填等等。因此對壩基有壓滲流問題，通?？刹捎梦粍莘▉矸治銎鋲位鶟B流情況。對于滲流場中有中間位勢的有壓滲流，則場中各點位勢不僅是空間位置的函數(shù)，還與中間位勢有關(guān)，中間位勢固定，滲流場中各定點的位勢亦固定。所以，在對壩基中設(shè)有減壓井情況下的滲流分析中，應(yīng)結(jié)合減壓井的位勢進行分析，其合理分析模型為：i=a+bj。式中：i為壩基測壓管位勢；j為壩基排水減壓井位勢；a、b為回歸系數(shù)。青山水庫是浙江省的一座大(2)型水利工程，壩基屬雙層地基，并采取了鋪蓋、減壓井和反濾蓋重等滲流控制措施。其壩基的滲流是屬于有中間位勢的有壓滲流。作者采用了測壓管位勢與減壓井位勢的相關(guān)分析，然后對各個特定減壓井位勢下各測壓管位勢進行分析，進一步搞清了壩基所存在的滲透變形問題?，F(xiàn)以典型的0+400觀測斷面（觀測設(shè)施的斷面布置見圖1）為例3進行分析。該斷面歷年測壓管位勢與減壓井位勢的相關(guān)系數(shù)見表1。減壓井特定位勢下的測壓管歷年位勢過程線見圖2。表1歷年測壓管位勢與減壓井位勢的相關(guān)系數(shù)管號19891990199119921993199419951996199719981999B4d4E40.8360.9830.9340.9080.9700.9620.8880.9750.9870.9500.9740.8960.8490.9350.9660.4410.9070.9820.0320.9780.9800.5610.9550.9800.3660.9650.9810.5190.9430.9560.0370.9480.898F40.9900.9890.9960.9890.9650.9770.9770.9910.9910.9720.993圖1青山水庫0+400斷面測壓管分布示意（單位：m）由表1和圖2所示，在不同的井位勢下，B4管在1993年以前其位勢與井位勢的相關(guān)性較好，管位勢變化規(guī)律基本正常。但1993年以后，管位勢與井位勢關(guān)系曲線的相關(guān)系數(shù)由原來的0.8360.950(19891993年)降至0.0320.561，不同井位勢下的測壓管位勢變化曲線出現(xiàn)明顯異常，說明目前該管位勢基本上已不受減壓井位勢所控制，壩基滲流場出現(xiàn)明顯變化。從歷年庫水位變化過程線來看，B4管位勢變化出現(xiàn)上述異?，F(xiàn)象的原因是由于大壩經(jīng)過1993年、1995年、1996年、1999年庫水位屢創(chuàng)歷史新高的影響，導(dǎo)致壩基土體產(chǎn)生一些局部沖刷和淤積現(xiàn)象所形成的。D4、E4管的位勢變化則出現(xiàn)歷年下降的趨勢，很顯然這兩管位勢下降的原因是由于測壓管與減壓井之間的壩基土體遭受局部沖刷所致。由此可見，壩基內(nèi)部已出現(xiàn)較為明顯的滲透變形。由壩基滲透坡降的計算表明3，在不同水位條件下，B4、D4管之間的滲流比降為0.1630.277，它們不僅遠大于允許比降值0.12，并且還超過了該地基土的破壞比降0.24。這與上述分析結(jié)果相吻合。圖2各特定減壓井位勢下的測壓管位勢歷年變化曲線3壩體無壓滲流觀測資料分析對于壩體無壓滲流而言，測壓管水位與其所處的位置、上下游水位變化幅度、降雨量強度和筑壩材料的滲透性等因素有關(guān)。由于庫水位變化傳遞到測壓管位置存在一定的滯后時間，所以測壓管水位變化還與前期庫水位有關(guān)。此外，象土體固結(jié)，壩前淤積，下游沖刷等因素對滲流狀態(tài)亦會產(chǎn)生影響。歸納起來，影響測壓管水位的因素主要包括庫水位、降雨量和時效3個方面，根據(jù)具有自由面的無壓滲流支配方程的基本特性，庫水位與測壓管水位并不成線性關(guān)系，但它們的平方項則基本滿足線性關(guān)系。故庫水位與測壓管水位(以相對不透水層面為基面)之間合理的回歸方程型式可表示為：(3)式中：h為測壓管水位；H為當(dāng)日庫水位；Hi-j為前期庫水位的均值；R0為當(dāng)日降雨量；Ri-j為前期平均降雨量；為時效。針對青山水庫0+400斷面的4支壩體測壓管，參照上述模型，其回歸方程3為(4)式中：H0為觀測日當(dāng)天的庫水位；Hi-j為觀測日前第i天到第j天的平均庫水位；R0為觀測日當(dāng)天的降雨量；Ri-j為觀測日前第i天到第j天的平均降雨量；為觀測日至正常觀測起始日天數(shù)的百分之一；ak(k=021)為待定系數(shù)；根據(jù)選定的統(tǒng)計模型，取各測壓管所有的觀測數(shù)據(jù)進行逐步回歸，并求出其最佳的回歸方程，簡要回歸成果見表2，測壓管水位實測值和回歸值的過程線見圖3。從圖表中看出回歸曲線與實測過程線擬合得較好。圖3測壓管實測與模型擬合曲線表2各壩體測壓管回歸分析簡要成果測壓管號樣本數(shù)復(fù)相關(guān)系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差F檢驗值F0.01臨界值A(chǔ)4C4G41G42353852843490.9500.8810.8940.9450.3580.3610.2390.166187451223442.133.242.252.854滲流量觀測資料的分析滲流量觀測不僅能了解水庫的滲漏損失，更重要的是它能有效地監(jiān)視土石壩的安全情況，如果滲流量隨時間發(fā)生了較大的變化，則意味著滲流場內(nèi)可能己產(chǎn)生局部的滲透破壞現(xiàn)象，就應(yīng)及時找出其原因并采取必要的補救措施。大壩總滲流量通常由3部分組成：(1)通過壩體的滲流量；(2)通過壩基的滲流量；(3)通過兩岸繞滲或兩岸地下水補給的滲流量。為了監(jiān)測各部分的滲透穩(wěn)定性，應(yīng)盡量做到分區(qū)觀測。滲流量的大小除直接受上下游水位變化的影響，還與大壩斷面輪廓、壩體和壩基土滲透系數(shù)大小以及其防滲排水設(shè)施等因素有關(guān)。此外，由于土體固結(jié)、壩前淤積，壩體或壩基產(chǎn)生滲透變形而導(dǎo)致滲流出口土體被沖刷。由于溫度變化而會改變水的粘滯性和影響基巖裂隙的張開度等，以上這些因素均